一種基于智能相機的機器視覺系統(tǒng)的設計

劉 偉

(銅陵職業(yè)技術學院電氣工程系，安徽銅陵244000)

在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，涉及各種各樣的檢查、測量和零件識別應用，例如、汽車傳動軸測量、零件尺寸檢查、啤酒瓶口檢測及可樂瓶蓋內(nèi)襯墊檢測、人工水鉆檢測、電子裝配線的元件自動定位、硅晶片字符識別、二維條碼識別等。這類應用的共同特點是連續(xù)大批量生產(chǎn)、對外觀質(zhì)量的要求非常高。以前這種帶有高度重復性和智能性的工作只能靠人工檢測來完成，在復雜的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，每個產(chǎn)品都需要有數(shù)以百計甚至千計的檢測工人來完成，這既給工廠增加了較大的人工成本和管理成本，又不能達到100%的檢驗合格率。有些時候，如微小尺寸的精確快速測量、形狀匹配、顏色辨識等，用人眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地進行，其他物理量傳感器也難有用武之地。這時，人們開始考慮把計算機的快速性、可靠性、結(jié)果的可重復性，與人類視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機器視覺的概念。

1 機器視覺系統(tǒng)概述

機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置)將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布、亮度和顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號;圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場設備。機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺;同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎技術。

由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設計信息以及加工控制信息集成，因此，機器視覺在電子、紡織、包裝、印刷、醫(yī)藥、精密加工等行業(yè)得到日益廣泛地應用。

近幾年來，隨著機器視覺在各行各業(yè)中的廣泛應用，智能相機機器視覺系統(tǒng)得到迅猛發(fā)展。智能相機機器視覺系統(tǒng)具有體積較小、成本較低、開發(fā)簡單、開發(fā)周期短、性能更穩(wěn)定等優(yōu)點。相對整臺PC而言，智能相機用到的電子元器件較少，系統(tǒng)性能穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)設計

2.1 智能相機機器視覺系統(tǒng)的組成

智能相機機器視覺系統(tǒng)主要由智能相機、控制臺、照明部分、軟件平臺4部分組成。智能相機是系統(tǒng)的核心部件，它并不是一臺簡單的相機，而是一種高度集成化的微小型機器視覺系統(tǒng)。它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現(xiàn)的機器視覺解決方案。智能相機是一個把圖像采集進來，按照用戶的需求在相機內(nèi)部進行圖像處理，然后輸出處理結(jié)果的一個完整系統(tǒng)，它主要由圖像采集模塊、嵌入式處理模塊、數(shù)據(jù)接口模塊等構(gòu)成。智能相機主要涉及的相關技術包括圖像采集技術、嵌入式系統(tǒng)技術以及圖像算法技術等。智能相機是目前機器視覺行業(yè)發(fā)展的趨勢，智能相機機器視覺系統(tǒng)的全部軟件或者核心代碼都存在該部件中，圖1是智能相機的體系結(jié)構(gòu)。

圖1 智能相機體系結(jié)構(gòu)

智能相機的核心芯片采用TI公司的DM642，DM642是TI公司的高性能視頻/圖象處理DSP，基于C64CPU，采用TI的第二代高級超長指令字結(jié)構(gòu)(VelociTI)，使得在一個指令周期能夠并行處理多條指令。它可在600 MHz時鐘頻率下工作，每個指令周期可并行8條32 bit指令，具有很強的并行運算能力。

DM642采用兩級緩存結(jié)構(gòu)，具有64個獨立通道的EDMA(擴展的直接存儲器訪問)控制器。容量較大的兩級緩存和EDMA通道是DM642高性能的體現(xiàn)之一，若能合理使用和管理，將能大幅度提高程序的運行性能。

此外DM642具有豐富的外圍設備接口，包括3個可配置的雙通道視頻端口video port，其中每個video port又分成A和B兩個通道，A、B通道可分別處理一路視頻采集，因此DM642最多可以處理6路視頻采集數(shù)據(jù)(不帶音頻)。如果將video port配置成用于視頻輸出，則只能在A通道輸出，因此DM642最多可支持3路視頻輸出(不帶音頻)。如果同時處理音頻，每一個video port可以處理兩路立體聲。另外，還包括64 bit的外部存儲器接口(EMIF)、10/100 Mbit/s以太網(wǎng)MAC和多通道音頻串行端口(McASP)以及66 MHz32 bit的PCI接口。

控制臺分為直線運動控制臺和切線運動控制臺，配精密電機和自動觸發(fā)反饋系統(tǒng)，它是對產(chǎn)品生產(chǎn)線的模擬。照明部分配條形或環(huán)行直射白色燈，放置在全方位、多角度自由組合照明支架上。軟件平臺集成了高效的圖像處理算法模塊、PC端可視化控制界面和DSP端高性能處理平臺。結(jié)合智能相機，能夠快速靈活地為不同的領域定制和開發(fā)完整的解決方案，從而能夠方便地應用于各類生產(chǎn)過程中。

2.2 平臺硬件設計

智能相機機器視覺系統(tǒng)分為直線運動機器視覺開發(fā)平臺和轉(zhuǎn)盤運動機器視覺開發(fā)平臺。

2.2.1 直線運動機器視覺開發(fā)平臺

直線運動機器視覺開發(fā)平臺的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。直線運動平臺是仿真實際工業(yè)生產(chǎn)線中直線流水線而開發(fā)的一套機器視覺系統(tǒng)。能在機器視覺系統(tǒng)上運行的應用軟件可以直接移植到工業(yè)生產(chǎn)線。

圖2 直線運動機器視覺開發(fā)平臺

圖3 轉(zhuǎn)盤運動機器視覺開發(fā)平臺

2.2.2 轉(zhuǎn)盤運動機器視覺開發(fā)平臺

轉(zhuǎn)盤運動也是實際生產(chǎn)線中常見的自動化運動單元，該視覺開發(fā)平臺就是針對于轉(zhuǎn)盤運動。其體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。同樣，在該平臺上測試通過的機器視覺系統(tǒng)同樣可以直接應用到實際的生產(chǎn)線中。有了以上開發(fā)平臺，可以大大縮短開發(fā)者在實際生產(chǎn)線中的研發(fā)時間，甚至使得開發(fā)者可以將機器視覺系統(tǒng)直接在生產(chǎn)線中調(diào)試，不需要再額外的增加調(diào)試時間。

2.3 平臺軟件設計

本智能相機機器視覺系統(tǒng)開發(fā)平臺的軟件包括DSP的程序和PC的配置程序。其中DSP的程序主要包括硬件的驅(qū)動程序、智能相機體系結(jié)構(gòu)程序、算法核心代碼。而PC的配置程序主要是用戶的UI界面，參數(shù)設置，甚至部分算法代碼。

(1)DSP程序。要使DSP能正常工作，驅(qū)動程序涵蓋了FLASH驅(qū)動，網(wǎng)絡驅(qū)動程序，sensor驅(qū)動程序，DMA驅(qū)動程序，GPIO驅(qū)動程序等。在DSP中有一大塊的代碼用來協(xié)調(diào)各個模塊工作，負責命令調(diào)度等。算法核心代碼是整個智能相機的關鍵，不同的應用加載或開發(fā)不一樣的算法核心代碼，比如字符識別、測量、定位、缺陷檢測等算法。

(2)PC配置程序。用戶有時需要傳送圖像，保存結(jié)果，保存產(chǎn)品信息等功能，這些都必須在PC上完成。用戶可以通過參數(shù)設置界面來控制智能相機的參數(shù)信息，比如網(wǎng)絡IP，相機曝光，相機亮度等等。為了方便開發(fā)或者減少智能相機的壓力，可以把一些算法代碼放到PC上來運行。

3 結(jié)語

在國外，機器視覺的應用普及主要體現(xiàn)在半導體及電子行業(yè)，其中大概40%～50%都集中在半導體行業(yè)。機器視覺系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測的各個方面已經(jīng)得到了廣泛的應用，并且其產(chǎn)品在應用中占據(jù)著舉足輕重的地位。除此之外，機器視覺還用于其他各個領域。而在我國，機器視覺還處于發(fā)展階段。目前，在我國隨著配套基礎建設的完善，技術、資金的積累，各行各業(yè)加大了對機器視覺技術的利用，機器視覺技術也逐步開始了工業(yè)現(xiàn)場的應用。機器視覺主要應用于測量(比如:機械零件的尺寸、角度、周長等)、識別(比如:字符識別、條碼識別等)、檢測(比如:檢測產(chǎn)品的缺點、污點、瑕疵等)等領域，真正高端的應用還很少。因此，隨著社會需求和技術進步，機器視覺應用具有廣闊的發(fā)展前景。

［1］HYLOTUS.機器視覺的概念引入和主要應用［EB/OL］.http://forum.cechina.cn/thread-89095.html，2009-9-24

［2］黑色馬克杯.機器視覺［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/407688.htm，2009-02-06

［3］賽克研發(fā)組.智能相機［EB/OL］.http://baike.baidu.com/view/945722.htm，2007-05-12

［4］吳鵬，劉清.多媒體處理器 DM642及其在視頻監(jiān)控中的應用［EB/OL］.http://af.shejis.com/aflw/200809/article_12378.html，2008-09-27

［5］中國機器視覺的應用及發(fā)展趨勢［EB/OL］.http://hi.baidu.com/e23ww/blog/item/56dea812b9e283cec3fd7888.html，2006-10-25