作者： 深圳市視覺龍科技有限公司 鐘升紅
概述
機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷，其可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計信息以及及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，人們將機器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域[ 朱正德. 機器視覺：質(zhì)量監(jiān)控的第三只眼——機器視覺在發(fā)動機廠裝配線上的應(yīng)用[C]., 2010: 56-58.]。由于其具有高精度、非接觸、穩(wěn)定等特點，在國內(nèi)外工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線的自動化程度[ 段峰, 王耀南, 雷曉峰, et al. 機器視覺技術(shù)及其應(yīng)用綜述[C]., 2002, 19(3): 59-61.]。
總體而言，國內(nèi)在機器視覺產(chǎn)品研究開發(fā)上與國外相比還有一定差距，目前國內(nèi)在機器視覺產(chǎn)品研究開發(fā)水平上仍處于一個比較低水平[ 劉曙光, 劉明遠. 機器視覺及其應(yīng)用[C]., 2000, 21(4): 11-15.]。普遍采用的是國外產(chǎn)品。目前應(yīng)用主要集中在檢測、定位、運動控制、機器人等幾個領(lǐng)域。而在近2年，在運動控制、生產(chǎn)流水線、診斷、測試、數(shù)控設(shè)備等幾個領(lǐng)域?qū)τ跈C器視覺的應(yīng)用需求增長最為迅速。對于機器視覺軟件的研究也正進一步深入。隨著行業(yè)應(yīng)用越來越多，要求越來越高，目前市場上的機器視覺系統(tǒng)已經(jīng)較難滿足行業(yè)需求，普遍存在開發(fā)難、使用難、銷售難等弊端。這些缺點主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的標準化程度不夠高，針對每一個客戶都需要投入大量開發(fā)人力，且開發(fā)出的系統(tǒng)復(fù)用性弱，用戶體驗不好，后期維護難度大、成本高。因此開發(fā)出一款無需編程，配置簡單，提供軟硬件配置且銷售簡單的機器視覺系統(tǒng)十分必要。
本文介紹一種無需編程的新型機器視覺系統(tǒng)，針對上述市場現(xiàn)狀，其有以下優(yōu)點：
1、可配置的，無需編程，達到像家用電器一樣簡單易用；
2、提供一種通用的應(yīng)用平臺，包含眾多的單元機器視覺工具；
3、不是基于某種智能相機或通用視覺系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，它集底層開發(fā)和應(yīng)用開發(fā)于一身；
4、進行了垂直整合，把核心系統(tǒng)與應(yīng)用工藝進行了整合；
5、模塊化，為設(shè)備制造商、最終用戶后裝提供配套；
6、系統(tǒng)銷售模式簡單化；
7、系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，是具有明顯價格優(yōu)勢的產(chǎn)品。
下面從硬件、軟件兩個方面介紹該系統(tǒng)的詳細設(shè)計思路。
1 硬件框架
該系統(tǒng)基于圖像分析技術(shù)對設(shè)備作業(yè)過程進行監(jiān)視、測量，采用特征提取、模板比對的方式，將現(xiàn)場實時采集到的圖像與正常工況的標準圖像進行比較，實現(xiàn)捕捉異常、分析判斷、報警停機的功能。標準的模板是基于對正常工況下的影像進行分析，提取特征，比對時只是對模板的特征（組合）與現(xiàn)場實時圖像中相應(yīng)的特征進行比較，借以判斷是否有異常發(fā)生。這種監(jiān)測方法并不能取代自動設(shè)備所具備的自診斷功能，但對防止作業(yè)過程走偏 ，防止次品的產(chǎn)出，甚至設(shè)備遭受破壞等具有良好的效果。產(chǎn)品由以下幾個主要部分構(gòu)成：
1.基于DSP/ARM的核心處理器
2.光學(xué)鏡頭、圖像傳感器、前端處理及接口（即攝像機部分）
3.FPGA充當圖像處理的加速器和外設(shè)接口邏輯
4.GPIO和串行通訊
5.以太網(wǎng)通訊
圖1 系統(tǒng)硬件框架
如圖1所示，其中DSP/ARM處理器采用TI OMAP4460 CPU[ 陳曉霜, 吳蒙. 基于OMAP遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[C]., 2015, 25(4): 177-180.]，其ARM Cortex－A9主頻達到1.8GHz，內(nèi)置DSP，這比迄今為止大多數(shù)的智能相機硬件平臺性能水平都高；相機分辨率以1280x1024為主，同時也支持5百萬象素或以上的相機；儲存器支持NOR FLASH和NAND FLASH，同時可以擴展SD卡；FPGA作為外設(shè)的邏輯擴展設(shè)備，主要由兩個作用：負責(zé)圖像數(shù)據(jù)的緩沖和預(yù)處理，再送往DSP處理器進行對應(yīng)的算法處理；通訊方面支持以太網(wǎng)和串口，可以方便和機械手、PLC等設(shè)備連接；I/O設(shè)置上配備GPIO（通用輸入輸出），連接現(xiàn)場發(fā)送過來的觸發(fā)信號（輸入，觸發(fā)拍照），和發(fā)送到設(shè)備的控制信號（輸出）。
此外，該系統(tǒng)可提供兩種形式的產(chǎn)品：視覺平板。具備視覺應(yīng)用所需各種功能接口的硬件平臺，其特點如下： LCD顯示器及觸摸屏功能（大屏幕）；內(nèi)置高性能的處理器（ARM架構(gòu)）；相機接入；I/O接口：RS-232, USB, 10/100/1000 Ethernet；網(wǎng)絡(luò)通信功能：WiFi；加密保護。
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圖2 視覺平板Vpad
智能相機。具備如下特點：小巧: 體積小、重量輕, 工業(yè)等級產(chǎn)品；板上相機；I/O：GPIO； 網(wǎng)絡(luò)連接：Ethernet, WiFi；加密保護等。如圖3所示。
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圖3 智能相機VDSR
2 軟件技術(shù)
系統(tǒng)中的ARM處理器主要負責(zé)資源管理、邏輯控制，搭載Angstrom Linux系統(tǒng)，并集成機器視覺所需功能模塊的驅(qū)動。系統(tǒng)軟件開發(fā)的具體內(nèi)容包括：USB攝像頭、GPIO、液晶觸摸屏、RS-232等的驅(qū)動實現(xiàn)，Angstrom Linux系統(tǒng)的移植。Angstrom Linux是一種運行與嵌入式平臺的發(fā)行版桌面系統(tǒng)，里面集成了大部分系統(tǒng)工具和庫文件，包括軟件開發(fā)和算法開發(fā)用到的QT和opencv[ 蘇慧娟, 于正林, 張桂林, et al. 基于OpenCV的圖像處理[C]., 2014: 18-19.][ 王福斌, 李迎燕, 劉杰, et al. 基于OpenCV的機器視覺圖像處理技術(shù)實現(xiàn)[C]., 2010: 54-57.]庫，且其可以通過在線編譯的方式選擇自己需要的工具庫，自定義程度高，非常適合在資源短缺的嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用。底層模塊的驅(qū)動程序則通過linux官方內(nèi)核中修改移植實現(xiàn)。
應(yīng)用層軟件開發(fā)基于Ubuntu系統(tǒng)，采用QT進行軟件的界面設(shè)計和邏輯設(shè)計。Ubuntu是一款基于linux的免費開源桌面PC操作系統(tǒng)，其可以方便地配置和嵌入式平臺上類似的環(huán)境，如QT和opencv。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計目標是無需編程、簡單配置、模塊化，因此將所有可能用到的視覺工具集成到一個集成化的軟件平臺vdStudio中，包括定位、測量、檢測、標定等常用工具。結(jié)合圖形化用戶界面，用戶可以輕松選擇和配置每一個工具，且界面都基于用戶習(xí)慣而設(shè)計，簡單易學(xué)易用。此外，系統(tǒng)支持脫機運行，實現(xiàn)一次配置，永久運行。如圖4所示。
![]GV16TMFS~YGWEV1%SJ%(P0](http://www.robot-fangan.com/file/upload/201703/20/114021781.png "點擊打開原圖")
圖4 用戶圖像界面
3 算法研究
算法是機器視覺系統(tǒng)的核心，相對于系統(tǒng)其他部分，算法對視覺功能貢獻最大、最關(guān)鍵。從市場份額上看，以核心軟件算法為基礎(chǔ)的標準機器視覺系統(tǒng)銷售量幾乎占到整個機器視覺行業(yè)的一半，可見算法和軟件的重要性。如果算法不好，視覺功能就沒法實現(xiàn)，或者雖能實現(xiàn)功能，但性能上不具有競爭力。算法本來很不錯，但軟件編制得不好也會直接影響視覺系統(tǒng)功能優(yōu)化及性能指標。算法及軟件系統(tǒng)是一個以標準系統(tǒng)為產(chǎn)品的視覺公司最重要的積累。在市場競爭中，算法是否有競爭力往往起到十分關(guān)鍵的作用。除了已有的積累，如何能獲得更多的算法軟件資源為我所用，也是決定本項目成敗的關(guān)鍵因素之一。除了自己在一些細分領(lǐng)域中研發(fā)自己的算法外，通過合作及分成模式，我們能將國際上優(yōu)秀的軟件和算法找來為己所用也是提升產(chǎn)品的重要路徑。
該系統(tǒng)軟件設(shè)計上采用了多種優(yōu)秀的設(shè)計模式，使得在具體使用的時候可以靈活選擇何種算法。其中有自主研發(fā)的VD300 SDK（軟件開發(fā)包），包括CG算法、基面矯正、圖像拼接、掃描控制等算法函數(shù)庫；基于opencv開發(fā)的算法SDK，包括模板匹配、測量、blob檢測等工具；通用的機器視覺函數(shù)庫IPT（Image Processing Toolset)等。
4 結(jié)束語
該系統(tǒng)可以直接使用的視覺電器，不需要經(jīng)過ASP的集成，不需要編程序，像家用電器一樣，通過閱讀使用說明書就能輕松上手。 從廠家到用戶，沒有技術(shù)集成環(huán)節(jié)，節(jié)省的成本還可以讓利給用戶，降低產(chǎn)品售價。用戶獲得的是所需的功能，不需要了解過多的技術(shù)細節(jié)，銷售時只要找準目標用戶，說明產(chǎn)品的功能，盯住競爭優(yōu)勢，普通銷售業(yè)務(wù)員無需太強的技術(shù)背景都能勝任。
