基于机器视觉的多功能在线检测实验平台研制

[摘 要]：本文提出了一种基于机器视觉的多功能在线检测实验平台的研制方案，介绍了基于Matrox公司Cornoa2图像采集卡和PULNIX公司TM6703摄像机的视觉检测平台的软硬件结构和工作原理，详细阐述了图像采集卡和摄像机的配合应用和软件开发。 1 引言 近几十年来，制造业在新材料、新工艺、新设备等方面取得了巨大进步，传统意义上的许多检测技术已不能满足现代制造业的需求，表现在：许多新型产品没有相应的检测方法；许多传统检测手段无法提供实时、在线、非接触检测；现代产品的检测精度大大提高。现代制造业的进步需要研究新型的产品检测技术，在已经研究的多种技术中，视觉检测技术具有非接触、速度快、精度合适、现场抗干扰能力强等突出的优点，在实际中显示出广阔的应用前景。本实验平台的构建就是针对各种不同的工业检测对象，研究机器视觉系统在不同环境下的应用。 2 机器视觉在线检测的基本原理 基于机器视觉的在线检测系统的基本原理：首先通过视觉传感器获取高速流水线上运动待检测物体图像，图像传送到计算机后，计算机调用专用的图像处理软件来对检测物体进行检测、测量、分析、判断。多功能检测实验平台的硬件结构如图1所示，机器视觉在线检测系统的基本模块包括：传动装置、专用LED光源、图像采集模块、电气控制模块。 3 多功能检测实验平台运动控制部分设计 构建多功能实验平台就是要能模拟各种工业检测环境，所以运动控制部分的设计也应能模拟各种工业流水线。 在这套系统中，运动控制部分选用工业PC＋运动控制卡＋步进电机的控制模式。运动控制卡是步进电机公司的MPC01。它配备了许多功能强大、内容丰富的运动控制软件工具和函数库。MPC01运动函数库用于二次开发，用户只要用C／C＋＋或Visual Basic等编制所需的用户界面程序，并把它与MPC01运动库链接起来，就可以开发出自己的控制系统。 4 专用LED光源 光源对图像质量的影响是至关重要的，考虑到本套试验平台将要进行各种物品的检测实验，开发设计了多种专用LED照明方案以适应各种不同的待检物体。直环型用于各种具有稳定照度和清晰图像的工件；狭角型用于各种透明工件或低对比度工件；棒型用于透明、光滑、镀金表面；圆顶型用于不平整或弯曲的表面检测，金属包片上的印刷字体或弯曲表面的孔穴；背光型用于透明材料或液体的检测；同轴型用于光滑、电镀、低反射表面。 5 高速图像采集系统 图像采集部分将完成流水线上的运动图像获取，采集图像质量的好坏将直接影响整个检测效率。图像采集部分主要由CCD摄像机完成。CCD摄像机摄取图像信号，由图像采集卡将图像信号采集进来。本套实验装置选用两个方位的摄像机对待检测物体进行检测，一个俯拍位一个侧拍位，对有些待检测物体可以进行多方位的检测。摄像机采用的是Pulnix公司的TM6703，采集卡选用Matrox公司的Comora2。 5.1 图像采集卡 Matrox Corona Ⅱ是Matrox Graphics Inc．生产的图像控制器，可采集隔行扫描／逐行扫描的分量RGB信号和单／双路黑白模拟视频信号；3路10bit A／D转换器；24-bit RS-422／LVDS数字接口；模拟情况下采集率达到30MHz，RS-422数字模式下达25MHz，LVDS数字模式下达40MHz；连接2个RGB或6个模拟黑白视频信号；32-bit／33MHz PCI总线主模式；扩展板上实时采集存储；可同时支持模拟VGA和独立的数字VGA或TV输出。 5.2 CCD摄像机 Pulnix公司的TM6703是1／2英寸，648×484，快门速度为1／60／32000s，同时带有异步重置功能。当VINIT脉冲发生作用时，重置摄像机的扫描清除CCD。当在异步模式下和外部VINIT高电平信号的作用下，异步功能将自动被选择，信号读出会被禁止直到有触发。下面是摄像机异步重置的3种模式： （1）控制脉冲宽度的外部VINIT：快门速度由脉冲宽度来控制； （2）快速内部触发模式：当VINIT的下降沿和外部HD是一样的时候，信号抓取没有延时，否则，会有0～1HD的延时； （3）慢速内部触发模式：快门速度可以选择在1／250-1／2000s，如果VINIT和外部HD的下降沿相同，并且启动了积分充电，在VINIT下降沿摄像机放电。输出延时取决于选择的快门速度。 图2为摄像机时序图。 5.3 摄像机和采集卡的配合 两个摄像机的输出信号都通过RS232C串口控制与采集卡传送数据。 Matrox公司的采集卡根据不同的摄像机输入都有专门的DCF配置文件。摄像机的配置模式有硬件触发、软件触发和连续采集3种模式。 为了提高CPU的利用效率，在每个检测位安置了一个光电传感器，当被检测物经过时触发光电传感器，光电传感器的输出信号作为摄像机的外部触发信号触发摄像机采集一桢图像。 在这种模式下摄像机的DCF配置文件中将触发模式设置为：硬件触发。这样在有物体经过摄像机的时候摄像机才触发采集，没有物体经过的时候处于等待状态。 图3为采集卡外部触发模式下时序图。 6 图像采集系统的软件开发 Matrox图像采集卡自身带MIL库函数可以很方便的在VC下进行软件二次开发。 利用MIL库函数首先分配一个应用对象（Application），相当于创建图像处理的控制和执行环境。在应用对象下可以建立多个系统，每个系统下可以建立多个数据缓存（Data Buffer）、数字转化器（Digitizer）和数据显示（Display）。 将图像文件读入数据缓存，缓存赋值给数组，通过对数组的处理即可实现对图像的处理。图像数据与显示数据关联后，就可以显示在制定的控件或窗体上。 7 在线检测平台的工作流程 多功能检测平台要能实现模拟工业生产线的在线检测功能。首先，软件通过串口给PLC发送指令启动流水线；待检测物品放置在流水线上，进入检测机柜触发摄像机光电传感器。 由于采集卡工作在外部触发的模式下，当光电传感器被触发后，所输出的光电脉冲信号传送至图像采集卡，图像采集卡采集一桢图像，送至Buffer里面，至此已完成了图像的采集工作。 然后，图像处理软件读取Buffer里面的数据进行显示、计算、判断等工作，检测待检测物品是否合格。不合格物品将触发剔除装置，将其从流水线上剔除。 8 结束语 为适应各种不同的工业产品检测，多功能检测实验平台所选用的摄像机和采集卡具有很大的灵活性。硬件平台的构建方面，摄像机、光源、光电传感器的位置结构也具有很大的灵活性，可以方便各种不同形状和大小的产品检测。该平台的构建为应用在具体工业环境中的专用视觉检测系统提供了一个良好的基础。