摘要：提出了一種無(wú)需編程的新型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有視覺(jué)系統(tǒng)使用難度大、對(duì)工程師技術(shù)要求高等問(wèn)題，基于嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性、便攜性，配合工具可配置的軟件開發(fā)框架設(shè)計(jì)了一款小巧且功能豐富的標(biāo)準(zhǔn)視覺(jué)產(chǎn)品。該產(chǎn)品已經(jīng)投入市場(chǎng)，可應(yīng)用于目標(biāo)檢測(cè)、定位引導(dǎo)、測(cè)量等多種場(chǎng)景，取得了良好的市場(chǎng)反饋。本文將給出該系統(tǒng)的詳細(xì)硬件框架以及軟件設(shè)計(jì)思路。
概述
機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷，其可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域[1]。由于其具有高精度、非接觸、穩(wěn)定等特點(diǎn)，在國(guó)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(dòng)化程度[2]。
總體而言，國(guó)內(nèi)在機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品研究開發(fā)上與國(guó)外相比還有一定差距，目前國(guó)內(nèi)在機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品研究開發(fā)水平上仍處于一個(gè)比較低水平[3]。普遍采用的是國(guó)外產(chǎn)品。目前應(yīng)用主要集中在檢測(cè)、定位、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人等幾個(gè)領(lǐng)域。而在近2年，在運(yùn)動(dòng)控制、生產(chǎn)流水線、診斷、測(cè)試、數(shù)控設(shè)備等幾個(gè)領(lǐng)域?qū)τ跈C(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用需求增長(zhǎng)最為迅速。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)軟件的研究也正進(jìn)一步深入。隨著行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越多，要求越來(lái)越高，目前市場(chǎng)上的機(jī)器視覺(jué)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(diǎn)主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化程度不夠高，針對(duì)每一個(gè)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(yàn)不好，后期維護(hù)難度大、成本高。因此開發(fā)出一款無(wú)需編程，配置簡(jiǎn)單，提供軟硬件配置且銷售簡(jiǎn)單的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)十分必要。
本文介紹一種無(wú)需編程的新型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，針對(duì)上述市場(chǎng)現(xiàn)狀，其有以下優(yōu)點(diǎn)：1、可配置的，無(wú)需編程，達(dá)到像家用電器一樣簡(jiǎn)單易用；2、提供一種通用的應(yīng)用平臺(tái)，包含眾多的單元機(jī)器視覺(jué)工具；3、不是基于某種智能相機(jī)或通用視覺(jué)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(jìn)行了垂直整合，把核心系統(tǒng)與應(yīng)用工藝進(jìn)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(jiǎn)單化；7、系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，是具有明顯價(jià)格優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)品。下面從硬件、軟件兩個(gè)方面介紹該系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)思路。
1 硬件框架
該系統(tǒng)基于圖像分析技術(shù)對(duì)設(shè)備作業(yè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視、測(cè)量，采用特征提取、模板比對(duì)的方式，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集到的圖像與正常工況的標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)捕捉異常、分析判斷、報(bào)警停機(jī)的功能。標(biāo)準(zhǔn)的模板是基于對(duì)正常工況下的影像進(jìn)行分析，提取特征，比對(duì)時(shí)只是對(duì)模板的特征（組合）與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)圖像中相應(yīng)的特征進(jìn)行比較，借以判斷是否有異常發(fā)生。這種監(jiān)測(cè)方法并不能取代自動(dòng)設(shè)備所具備的自診斷功能，但對(duì)防止作業(yè)過(guò)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(gè)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(jī)部分）
3. FPGA充當(dāng)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[4]，其ARM Cortex－A9主頻達(dá)到1.8GHz，內(nèi)置DSP，這比迄今為止大多數(shù)的智能相機(jī)硬件平臺(tái)性能水平都高；相機(jī)分辨率以1280x1024為主，同時(shí)也支持5百萬(wàn)象素或以上的相機(jī)；儲(chǔ)存器支持NOR FLASH和NAND FLASH，同時(shí)可以擴(kuò)展SD卡；FPGA作為外設(shè)的邏輯擴(kuò)展設(shè)備，主要由兩個(gè)作用：負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的緩沖和預(yù)處理，再送往DSP處理器進(jìn)行對(duì)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(jī)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(chǎng)發(fā)送過(guò)來(lái)的觸發(fā)信號(hào)（輸入，觸發(fā)拍照），和發(fā)送到設(shè)備的控制信號(hào)（輸出）。
此外，該系統(tǒng)可提供兩種形式的產(chǎn)品：
視覺(jué)平板。具備視覺(jué)應(yīng)用所需各種功能接口的硬件平臺(tái)，其特點(diǎn)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(jī)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(hù)。
圖2 視覺(jué)平板Vpad
智能相機(jī)。具備如下特點(diǎn)：小巧: 體積小、重量輕, 工業(yè)等級(jí)產(chǎn)品；板上相機(jī)；I/O：GPIO； 網(wǎng)絡(luò)連接：Ethernet, WiFi；加密保護(hù)等。如圖3所示。
圖3 智能相機(jī)VDSR
2 軟件技術(shù)
系統(tǒng)中的ARM處理器主要負(fù)責(zé)資源管理、邏輯控制，搭載Angstrom Linux系統(tǒng)，并集成機(jī)器視覺(jué)所需功能模塊的驅(qū)動(dòng)。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(dòng)實(shí)現(xiàn)，Angstrom Linux系統(tǒng)的移植。Angstrom Linux是一種運(yùn)行與嵌入式平臺(tái)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(kù)文件，包括軟件開發(fā)和算法開發(fā)用到的QT和opencv[5][6]庫(kù)，且其可以通過(guò)在線編譯的方式選擇自己需要的工具庫(kù)，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(dòng)程序則通過(guò)linux官方內(nèi)核中修改移植實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)用層軟件開發(fā)基于Ubuntu系統(tǒng)，采用QT進(jìn)行軟件的界面設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)。Ubuntu是一款基于linux的免費(fèi)開源桌面PC操作系統(tǒng)，其可以方便地配置和嵌入式平臺(tái)上類似的環(huán)境，如QT和opencv。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)是無(wú)需編程、簡(jiǎn)單配置、模塊化，因此將所有可能用到的視覺(jué)工具集成到一個(gè)集成化的軟件平臺(tái)vdStudio中，包括定位、測(cè)量、檢測(cè)、標(biāo)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(gè)工具，且界面都基于用戶習(xí)慣而設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)單易學(xué)易用。此外，系統(tǒng)支持脫機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)一次配置，永久運(yùn)行。如圖4所示。
圖4 用戶圖像界面
3 算法研究
算法是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心，相對(duì)于系統(tǒng)其他部分，算法對(duì)視覺(jué)功能貢獻(xiàn)最大、最關(guān)鍵。從市場(chǎng)份額上看，以核心軟件算法為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)銷售量幾乎占到整個(gè)機(jī)器視覺(jué)行業(yè)的一半，可見(jiàn)算法和軟件的重要性。如果算法不好，視覺(jué)功能就沒(méi)法實(shí)現(xiàn)，或者雖能實(shí)現(xiàn)功能，但性能上不具有競(jìng)爭(zhēng)力。算法本來(lái)很不錯(cuò)，但軟件編制得不好也會(huì)直接影響視覺(jué)系統(tǒng)功能優(yōu)化及性能指標(biāo)。算法及軟件系統(tǒng)是一個(gè)以標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)為產(chǎn)品的視覺(jué)公司最重要的積累。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，算法是否有競(jìng)爭(zhēng)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(xiàng)目成敗的關(guān)鍵因素之一。除了自己在一些細(xì)分領(lǐng)域中研發(fā)自己的算法外，通過(guò)合作及分成模式，我們能將國(guó)際上優(yōu)秀的軟件和算法找來(lái)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(jì)上采用了多種優(yōu)秀的設(shè)計(jì)模式，使得在具體使用的時(shí)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(kù)；基于opencv開發(fā)的算法SDK，包括模板匹配、測(cè)量、blob檢測(cè)等工具；通用的機(jī)器視覺(jué)函數(shù)庫(kù)IPT（Image Processing Toolset)等。
4 結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)可以直接使用的視覺(jué)電器，不需要經(jīng)過(guò)ASP的集成，不需要編程序，像家用電器一樣，通過(guò)閱讀使用說(shuō)明書就能輕松上手。 從廠家到用戶，沒(méi)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(jià)。用戶獲得的是所需的功能，不需要了解過(guò)多的技術(shù)細(xì)節(jié)，銷售時(shí)只要找準(zhǔn)目標(biāo)用戶，說(shuō)明產(chǎn)品的功能，盯住競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，普通銷售業(yè)務(wù)員無(wú)需太強(qiáng)的技術(shù)背景都能勝任。
參考文獻(xiàn)
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