基于PLC與PC平臺實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 、引言

機(jī)器視覺是利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進(jìn)行數(shù)字處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的識別。這樣，就把計(jì)算機(jī)的快速性、可重復(fù)性，與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，大大提高了生產(chǎn)的柔性和自動化程度。

2 、機(jī)器視覺空瓶檢測系統(tǒng)

附圖是基于pc的機(jī)器視覺系統(tǒng)在啤酒生產(chǎn)線上空瓶檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用。該系統(tǒng)主要由相機(jī)、鏡頭、光源、圖像采集卡、pc平臺和控制單元等六部分組成，各個部分之間相互配合，最終完成對酒瓶的質(zhì)量檢測和剔除。下面以附圖為例，對各個組成部分的功能和選型進(jìn)行介紹。

2.1 相機(jī)

在選擇相機(jī)時，主要有以下幾個方面的問題要考慮：

（1） 相機(jī)的掃描方式：相機(jī)按照掃描方式可以分為面掃描和線掃描相機(jī)。

線掃描相機(jī)是指對物體進(jìn)行行掃描的相機(jī)，線掃描相機(jī)又可分為隔行掃描和逐行掃描。線掃描相機(jī)適用于以下情況：對固定的物體做一維的測量；對象物體處于運(yùn)動狀態(tài)；需處理可旋轉(zhuǎn)圓柱體的邊緣圖像；需要對象物體的高分辨率圖像，而又要考慮價格因素等。線掃描相機(jī)的特點(diǎn)是運(yùn)動平穩(wěn)、速度跟蹤精度高、光源強(qiáng)度要求高。目前，線掃描相機(jī)的分辨率已經(jīng)達(dá)到幾千線，檢測速率也達(dá)到60楨/秒甚至更高。

面掃描相機(jī)一次只能拍攝一副圖像。由于面掃描相機(jī)的自身局限性，使其不適于動態(tài)目標(biāo)連續(xù)無遺漏的高精度檢測。但是，針對其工作原理，采用以下技術(shù)：選用楨傳送或行間傳送ccd；采用高速快門（電子快門）；采用單場技術(shù)；選用高頻光源等，是完全可以進(jìn)行動態(tài)圖像的實(shí)時采集的，完全可以滿足工業(yè)在線檢測的要求。

（2）相機(jī)的顏色：工業(yè)相機(jī)按顏色可以分為黑白和彩色相機(jī)。其中，黑白相機(jī)比彩色相機(jī)的分辨率高，而且數(shù)據(jù)采集速度快。隨著相機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在，彩色相機(jī)也越來越多的得到了應(yīng)用。這是因?yàn)檫^去的彩色相機(jī)系統(tǒng)要由三臺相機(jī)組成，這三臺相機(jī)分別對應(yīng)r（紅色）、g（綠色）、b（藍(lán)色）波長，而現(xiàn)在則出現(xiàn)了單ccd彩色相機(jī)。彩色相機(jī)可以提供更強(qiáng)的觀察和區(qū)別能力，因此在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)以及一些工業(yè)過程控制方面發(fā)揮了重要作用。

（3）相機(jī)的輸出接口形式：相機(jī)輸出接口形式有rs422、rs644、usb、ieee1394以及cameralink等，在選擇圖像處理卡時應(yīng)注意其是否支持所選用相機(jī)的輸出形式。

2.2 鏡頭

鏡頭的幾個主要參數(shù)有：成像面，ccd感光片尺寸，焦距，視野，物距，景深和視角選擇鏡頭時應(yīng)考慮以下幾個因素：

（1）鏡頭的成像面與所用的ccd相機(jī)是否匹配。成像面與鏡頭本身的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)有關(guān)。成像應(yīng)該是越大越好?？墒怯行S家的鏡頭由于設(shè)計(jì)或生產(chǎn)上達(dá)不到技術(shù)要求，成像面會較小。

（2）確定鏡頭的焦距、物距和視野（這個主要是依據(jù)實(shí)際的工作或安裝環(huán)境來確定）。這幾個參數(shù)關(guān)系是：焦距越小，視角越大，最小物距越短，視野越大。以最常用的三種鏡頭（50mm，25mm，16mm）為例：50mm的鏡頭焦距是最大的，所以50mm鏡頭的視角就最小，而視野就最小，最小物距卻是最遠(yuǎn)的；25mm的鏡頭焦距次之；16mm的鏡頭焦距則是最小的，所以16mm鏡頭的視角就最大，而視野也就最大，最小物距是最近的。

2.3 光源

光源是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30％的應(yīng)用效果。由于被檢測物體的顏色、材質(zhì)、折射率等特性的千差萬別，就必須根據(jù)每個特定的應(yīng)用實(shí)例，選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳的效果。光源按其照射方式可分為背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。背向照明是被測物放在光源和攝像機(jī)之間，其優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對比度的圖像；前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測物的同側(cè)， 這種方式便于安裝；結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們所產(chǎn)生的畸變， 解調(diào)出被測物的三維信息；頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上， 照相機(jī)拍攝要求與光源同步，這樣能有效地拍攝高速運(yùn)動物體的圖像。有鹵素?zé)簟晒鉄艉?a target="_blank">led 光源等， 其主要性能的比較見附表。

設(shè)計(jì)時可以根據(jù)要求選用光源，但大多數(shù)情況下，選用led光源是一種趨勢。

2.4 圖像采集卡

圖像采集卡是視頻信號從相機(jī)到電腦之間傳輸?shù)臉蛄骸Ｄ壳按蠖鄶?shù)相機(jī)還是模擬信號輸出，圖像采集卡則將各種模擬視頻信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計(jì)算機(jī)，供計(jì)算機(jī)作處理、存儲、傳輸?shù)戎?。選擇圖像采集卡要考慮以下幾個方面：

（1） 視頻輸入的格式和數(shù)據(jù)傳輸率：大多數(shù)攝像機(jī)使用rs422或者eia644作為輸出信號格式，這樣圖像采集卡就需要支持系統(tǒng)使用的攝像機(jī)所采用的輸出信號格式。從靈活性來說，如果兩種格式都支持就更好。當(dāng)攝像機(jī)以較高的速度拍攝高分辨率圖像后， 會產(chǎn)生很高的輸出速率， 這時攝像機(jī)一般使用多路信號同時輸出，而圖像采集卡必須能夠支持多路輸入及攝像機(jī)的輸出速率。

（2） 數(shù)據(jù)的吞吐量：當(dāng)圖像采集卡的信號輸入速率較高時，需要考慮圖像采集卡與圖像處理系統(tǒng)之間的帶寬問題。在使用pc時，圖像采集卡使用pci接口。pci接口的理論峰值帶寬為132mb/s。但在實(shí)際使用中， 多數(shù)計(jì)算機(jī)上pci接口的平均數(shù)據(jù)傳輸率為50～90mb/s，有可能在瞬間高傳輸率時不能滿足傳輸?shù)男枰?。為了避免與其他pci設(shè)備產(chǎn)生沖突時丟失數(shù)據(jù)，圖像采集卡上應(yīng)有數(shù)據(jù)緩存。在一般情況下， 有2mb的板載存儲器可以滿足大部分的任務(wù)要求。

（3） 數(shù)字i/o控制：在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，輸入/輸出的控制很重要。系統(tǒng)中常要根據(jù)處理過程的需要來決定攝像機(jī)的拍攝時間。如果采用了可重設(shè)的攝像機(jī)，需要產(chǎn)生重設(shè)信號。在一些系統(tǒng)中，由于需要設(shè)定拍攝的幀率，應(yīng)該有像素時鐘發(fā)生器。外同步是指不同的視頻設(shè)備之間用同一同步信號來保證視頻信號的同步，它可以保證不同設(shè)備輸出的視頻信號具有相同的幀行起止時間。為了實(shí)現(xiàn)外同步，需要給攝像機(jī)輸入一個復(fù)合同步信號或復(fù)合視頻信號。如果圖像采集卡已經(jīng)具有數(shù)字i/o功能，能夠產(chǎn)生攝像機(jī)和其他電子設(shè)備所需的選通、觸發(fā)及其他電子信號，對系統(tǒng)是很有用的， 否則將需要獨(dú)立的數(shù)字i/o 卡。

2.5 pc平臺

本系統(tǒng)中pc平臺用于接受圖像采集卡輸出的圖像，然后由圖像處理軟件進(jìn)行預(yù)處理、分析和識別，判斷空瓶質(zhì)量的好壞，最后將判斷結(jié)果發(fā)送給plc。由于圖像采集卡和圖像處理軟件的運(yùn)行都消耗很大的系統(tǒng)資源，因此應(yīng)當(dāng)選用高性能的工控機(jī)作為pc平臺，保證系統(tǒng)快速穩(wěn)定的運(yùn)行。

2.6 控制單元

本系統(tǒng)選用plc作為底層控制器，它通過i/o口與光電傳感器，編碼器，擊出器，圖像采集子系統(tǒng)等相連，通過圖像采集子系統(tǒng)控制ccd攝像機(jī)的拍攝以及直接控制擊出器的動作。同時plc通過485總線與工控機(jī)連接，接收工控機(jī)傳來的控制信息和系統(tǒng)參數(shù)等。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，plc負(fù)責(zé)及時地通知圖像采集子系統(tǒng)啟動ccd攝像機(jī)，抓拍處于拍攝位置的空瓶。為了達(dá)到這一目的，需要使用光電傳感器來檢測空瓶的位置。在系統(tǒng)中使用了反射式光電傳感器，這種光電傳感器在沒有接收到從反光板反射回來的光束時，就會輸出觸發(fā)信號。將光電傳感器安裝到ccd攝像機(jī)拍攝位置旁，把輸出接到plc的i/o輸入口上。當(dāng)沒有空瓶經(jīng)過時，光電傳感器可以接收到反射光束，沒有輸出信號，而當(dāng)有空瓶經(jīng)過時，光電傳感器無法接收到返回的光束，于是輸出觸發(fā)信號。plc從輸入口接收到此信號后，即可判定空瓶已到達(dá)拍攝位置，從i/o輸出口輸出啟動信號給圖像采集系統(tǒng)，啟動ccd攝像機(jī)，攝像機(jī)及時進(jìn)行拍攝，獲取被檢空瓶的圖像。

在專門的信息處理模塊對獲取的圖像信息進(jìn)行分析處理后，將得出空瓶質(zhì)量是否合格的結(jié)論。如果不合格，主控的工控機(jī)就會通過485總線發(fā)出控制命令，要求plc控制擊出器擊出該空瓶。plc在接到擊出命令后，需要標(biāo)定不合格空瓶，并追蹤其位置，當(dāng)不合格空瓶到達(dá)擊出器所在位置時控制擊器動作，擊出不合格空瓶。為了確定需擊出空瓶位置，在系統(tǒng)中使用一個編碼器與驅(qū)動傳送帶的電機(jī)相連，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，編碼器相應(yīng)發(fā)出脈沖。計(jì)算脈沖的數(shù)目，即可知道傳送帶運(yùn)動的距離。這樣一來，如果能測出不合格空瓶要運(yùn)動多長距離才到達(dá)擊出位置就能將其準(zhǔn)確擊出?？梢栽谑孪劝丫幋a器的脈沖輸出與plc的i/o輸入口相連，然后在傳送帶上放一空瓶，讓其依次經(jīng)過檢測位置和擊出位置，plc使用計(jì)數(shù)器記下此過程中脈沖的數(shù)目，這一數(shù)值即對應(yīng)著檢測位置和擊出位置之間的距離。

3、 視覺處理軟件

視覺處理軟件是基于pc的機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，主要通過對圖像的分析、處理和識別，實(shí)現(xiàn)對特定目標(biāo)特征的處理。視覺處理軟件的編寫非常復(fù)雜，如果從底層開始編寫，往往需要很長的開發(fā)周期，而且自己編寫的軟件在運(yùn)行速度、穩(wěn)定性等方面也很難達(dá)到要求。為了滿足系統(tǒng)集成商和終端用戶的需求，圖像采集卡的生產(chǎn)廠家都為自己的產(chǎn)品開發(fā)了相應(yīng)的圖像處理軟件包。這樣，我們就可以將工作重心放在軟件應(yīng)用層面的開發(fā)上，使用這些軟件包進(jìn)行二次開發(fā)，節(jié)約了開發(fā)成本。因此，在對整個機(jī)器視覺系統(tǒng)選型時，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)完成的功能和圖像采集卡廠家提供的軟件包的功能來對圖像采集卡進(jìn)行選型。圖像采集卡廠家提供的軟件包應(yīng)具備以下的功能：

邊緣尋找功能：邊緣尋找是圖像處理中最為基本也是最為常用的工具。通過邊緣尋找，將所拍圖像中的目標(biāo)與背景區(qū)分開，減少處理象素數(shù)，提高軟件處理速度。

目標(biāo)定位功能：當(dāng)被測空瓶在生產(chǎn)線上高速順序地通過相機(jī)的拍攝區(qū)域時，由于生產(chǎn)線的不穩(wěn)定和拍攝時間的誤差，各個空瓶會出現(xiàn)在拍攝圖像的不同區(qū)域。通過目標(biāo)定位功能，使處理軟件中的感興趣區(qū)域（roi）隨著工件在圖像中位置的變化而變化，始終定位在工件的關(guān)鍵部位。

圖像預(yù)處理功能：包括二值化、邊緣銳化、反差調(diào)節(jié)等等，通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理算法，可以突出目標(biāo)圖像、提高圖像分析速度和簡化分析過程，是必不可少的功能。

字符讀取功能（ocr）：對于主要應(yīng)用于各種字符讀取的視覺系統(tǒng)來說，此功能尤為重要。

接口功能：軟件包應(yīng)該能夠方便的和其他軟件或控件接口，一起運(yùn)行。

4 、結(jié)束語

基于pc的機(jī)器視覺系統(tǒng)具有高速度、高精度、高度自動化的特點(diǎn)，集成了當(dāng)今先進(jìn)的傳感器、計(jì)算機(jī)、數(shù)字圖像處理和機(jī)器視覺技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、電子半導(dǎo)體、包裝、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和啤酒生產(chǎn)等領(lǐng)域，可以大幅度提高了現(xiàn)有生產(chǎn)線的自動化水平，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。但是我國機(jī)器視覺的研究起步比較晚，目前市場上的該類設(shè)備仍然主要依靠進(jìn)口。隨著社會生產(chǎn)力水平的不斷提高和工廠自動化程度的提高，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊，只有在理論和實(shí)際技術(shù)上進(jìn)行深入的研究和探索，才能縮小和國外先進(jìn)技術(shù)的差距，占領(lǐng)國內(nèi)機(jī)器視覺市場。

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