嵌入式表面深度檢測(cè)的研究與實(shí)現(xiàn)

王志強(qiáng)，余桂英，裘 越，，葉懷儲(chǔ)

(1．中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江杭州 310018；2．浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江杭州 310013)

0 引言

表面深度包括劃痕、裂縫、刻痕、花紋、表面粗糙度等等，直接影響零件本身及配備該零件設(shè)備的使用壽命，有時(shí)會(huì)限制設(shè)備性能的發(fā)揮，甚至給安全使用帶來(lái)極大的隱患[1-2]。能夠在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表面的深度，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的評(píng)定，及時(shí)調(diào)整加工工藝是非常重要的。

傳統(tǒng)的表面深度檢測(cè)方法包括觸針?lè)ā坠飧缮娣?、激光三角法以及光切法[3-6]等，多為人工測(cè)量。當(dāng)前的研究多將傳統(tǒng)方法結(jié)合機(jī)器視覺(jué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的檢測(cè)[7-12]，但所開(kāi)發(fā)裝置通常體積較龐大，攜帶不便，且未考慮多檢測(cè)點(diǎn)組網(wǎng)檢測(cè)，以及回饋檢測(cè)結(jié)果用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量。

基于上述問(wèn)題，故將嵌入式技術(shù)應(yīng)用于深度檢測(cè)，研究小型化的表面深度檢測(cè)裝置，以鉛塊刻痕為檢測(cè)對(duì)象驗(yàn)證實(shí)際檢測(cè)情況，并引入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)反饋檢測(cè)結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)廢品情況的實(shí)時(shí)掌控，同時(shí)還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)匯總檢測(cè)結(jié)果至上位終端，避免了嵌入式存儲(chǔ)小的缺點(diǎn)，更有利于實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的深度測(cè)量原理為光切原理，如圖1所示，光源c發(fā)射一字線形光帶，被平面a和平面b反射，由于a、b存在高低差，一字形光帶被截?cái)喑蓛蓷l平行光帶，經(jīng)組合透鏡d被圖像傳感器e所接收，形成有階梯差的圖像，D為圖像傳感器上的階梯差像素距離，可通過(guò)對(duì)D的測(cè)量得到深度值。

(a)

(b)

系統(tǒng)組成如圖2所示，主要包括嵌入式檢測(cè)儀器和上位機(jī)兩部分。嵌入式檢測(cè)儀器能夠脫離上位機(jī)單獨(dú)完成深度信息的采集和對(duì)信息的處理、檢測(cè)；上位機(jī)部分通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與嵌入式檢測(cè)儀器相連接，能夠?qū)崟r(shí)收集匯總嵌入式部分所得深度圖像信息和測(cè)量結(jié)果，并可以同步遠(yuǎn)程監(jiān)控檢測(cè)儀器工作。由于引入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以將多個(gè)深度檢測(cè)儀器構(gòu)成嵌入式深度檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)檢測(cè)儀器針對(duì)一條流水線或一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車(chē)間多流水線監(jiān)控。

圖2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

嵌入式檢測(cè)儀器由圖像采集模塊、圖像處理模塊以及網(wǎng)絡(luò)模塊構(gòu)成，主要完成表面深度的圖像采集、測(cè)量以及相關(guān)信息的上傳。系統(tǒng)采用OK6410開(kāi)發(fā)板搭建嵌入式平臺(tái)，開(kāi)發(fā)板采用ARM11S3C6410作為核心處理器，可以穩(wěn)定運(yùn)行在667 MHz以上，考慮設(shè)計(jì)和使用的方便，圖像采集模塊不使用開(kāi)發(fā)板固化的CMOS接口攝像頭，選用能夠即插即用的通用USB攝像頭。另外開(kāi)發(fā)板帶有100 M網(wǎng)口和無(wú)線wifi接口，完全滿足系統(tǒng)各功能的需求。上位機(jī)部分安裝Linux系統(tǒng)，在Linux環(huán)境下完成應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。

2 功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Linux具有開(kāi)源、內(nèi)核精簡(jiǎn)、可應(yīng)用于多種硬件平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，故選擇嵌入式Linux作為檢測(cè)儀器的操作平臺(tái)，另外由于嵌入式設(shè)備的資源有限，不適合安裝編譯器，需要首先在宿主PC機(jī)上搭建交叉編譯環(huán)境，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)選擇CentOS5．6作為宿主機(jī)的軟件平臺(tái)，安裝arm-linux-gcc-4．3．3交叉編譯器。

嵌入式儀器部分是通過(guò)圖像采集系統(tǒng)獲得圖像，并設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)圖像處理、檢測(cè)。為能滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的要求，軟件設(shè)計(jì)需考慮功能完善性、實(shí)時(shí)性、可靠性以及可擴(kuò)展性，軟件運(yùn)行流程如圖3所示，首先將USB攝像頭所得視頻顯示在LCD顯示屏上，抓拍得到深度圖像，保存在嵌入式所配備的SD存儲(chǔ)卡中，同時(shí)將圖像上傳至上位機(jī)，并刪除SD卡中原保存的上一張圖像，可以不占用嵌入式系統(tǒng)有限的存儲(chǔ)，圖像顯示功能既可以顯示本地的圖片，也可以顯示上位機(jī)下載的圖片，最后通過(guò)圖像處理和深度檢測(cè)算法可得到表面深度的信息，所有功能均可通過(guò)觸摸屏和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。

圖3 軟件運(yùn)行流程圖

2．1嵌入式操控初始化設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用觸摸屏的控制方式，選擇4．3寸的LCD觸摸液晶屏，既可以實(shí)現(xiàn)視頻、圖像及界面的顯示，又可以通過(guò)觸摸屏與軟件進(jìn)行交互。在Linux系統(tǒng)中觸摸屏和顯示屏均屬于字符設(shè)備，常常被看作特殊的文件進(jìn)行訪問(wèn)、讀寫(xiě)，觸摸屏即為/dev/input/event1文件，顯示屏為/dev/fb0文件，初始化流程如圖4所示，分別為觸摸屏通過(guò)tslib提供的庫(kù)函數(shù)編寫(xiě)相應(yīng)的程序，檢測(cè)是否有功能區(qū)域被觸摸，界面的顯示通過(guò)FrameBuffer提供的通用API接口實(shí)現(xiàn)，并應(yīng)用Photoshop繪制界面圖片，圖片保存為JPEG格式，通過(guò)libjpeg庫(kù)函數(shù)所提供的API接口實(shí)現(xiàn)其解壓縮，所得數(shù)據(jù)拷貝至/dev/fb0顯示。

圖4 嵌入式深度測(cè)量軟件初始化流程

2．2視頻顯示

視頻的顯示需調(diào)用圖像采集模塊和顯示模塊，即USB攝像頭和LCD顯示屏來(lái)完成，USB攝像頭屬于字符設(shè)備，文件名為/dev/video0，Linux系統(tǒng)利用V4L2(video for linux2)提供的應(yīng)用程序接口對(duì)USB進(jìn)行控制操作和讀寫(xiě)，視頻采集到的每一幀圖像均為JPEG格式，通過(guò)系統(tǒng)配置的libjpeg庫(kù)將每一幀數(shù)據(jù)拷貝到FrameBuffer顯存中，所選的JPEG格式占空間小，視頻顯示流暢。視頻采集結(jié)果如圖5所示，采集圖像為標(biāo)準(zhǔn)塊構(gòu)造的階梯高度差。

圖5 視頻采集結(jié)果

圖6 圖像處理結(jié)果顯示

2．3圖像處理

如圖5所示，深度檢測(cè)需要將代表深度值的亮帶條紋從背景中分離，故需要經(jīng)過(guò)圖像灰度化、閾值分割二值化以及去噪濾波等步驟，對(duì)圖5處理的最終結(jié)果如圖6所示。由于所配置LCD屏的分辨率為480×272，故只能分出320×240的區(qū)域用于顯示圖片，對(duì)于較大的圖片需要縮放顯示，但是會(huì)因?yàn)橄袼鼐嚯x的改變，引入系統(tǒng)誤差，為解決這個(gè)問(wèn)題，對(duì)圖像處理的設(shè)計(jì)思想是映射雙顯存，即將圖片映射兩次，分別為原始圖像和壓縮后圖像，原始圖像不顯示，但每次處理都針對(duì)原始圖像所映射的內(nèi)存，然后將處理后圖像重新映射為壓縮后圖像，并顯示，程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

圖7 映射雙顯存程序設(shè)計(jì)流程

2．4深度檢測(cè)

為避免引入由于分辨率不同而引起的系統(tǒng)誤差，深度檢測(cè)亦采用映射雙顯存的方式，系統(tǒng)深度測(cè)量所采用的測(cè)量原理為光切原理，程序的實(shí)現(xiàn)包括參數(shù)標(biāo)定和參數(shù)檢測(cè)兩部分，其中標(biāo)定即為建立所得圖像像素坐標(biāo)位置與實(shí)際物體深度信息的映射關(guān)系，可以通過(guò)如圖6所示的構(gòu)造階梯高度差實(shí)現(xiàn)，標(biāo)定程序設(shè)計(jì)流程為，首先利用最小二乘法將條紋擬合為直線，然后計(jì)算兩條紋的像素距離，最后根據(jù)實(shí)際尺寸建立與像素距離的映射關(guān)系。以圖8所示的鉛塊刻痕為實(shí)際被測(cè)對(duì)象，深度檢測(cè)圖像如圖9所示，與標(biāo)定程序不同的是，利用最小二乘法將左右兩條紋擬合為一條直線，然后找尋下方亮點(diǎn)的質(zhì)心，計(jì)算質(zhì)心點(diǎn)與直線的像素距離，結(jié)合擬合結(jié)果即可得到深度參數(shù)，并將結(jié)果傳輸至上位機(jī)匯總保存，如圖10所示。運(yùn)用該方法對(duì)鉛塊刻痕進(jìn)行測(cè)量，標(biāo)定采用標(biāo)準(zhǔn)量塊構(gòu)造的階梯差，修正高度為997 μm，應(yīng)用OGP光學(xué)影像儀測(cè)量鉛塊刻痕結(jié)果為0．92 mm，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果為0．88 mm，能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量的功能，測(cè)量精度有待提高。

圖8 被測(cè)鉛塊實(shí)物圖

圖9 深度檢測(cè)圖像

2．5上位機(jī)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的檢測(cè)功能已通過(guò)嵌入式檢測(cè)儀器部分完成，上位機(jī)擔(dān)任“管理者”的職位，通過(guò)TCP/IP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與嵌入式檢測(cè)儀之間的通信，能夠?qū)崟r(shí)反饋生產(chǎn)中的廢品情況，便于生產(chǎn)中心掌控生產(chǎn)情況，同時(shí)系統(tǒng)利用上位機(jī)保存檢測(cè)圖片和檢測(cè)結(jié)果，避免了嵌入式本身存儲(chǔ)空間小的問(wèn)題，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后續(xù)還可以將檢測(cè)儀器布置在各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，一臺(tái)上位機(jī)對(duì)應(yīng)一個(gè)或多個(gè)嵌入式檢測(cè)儀器，對(duì)其統(tǒng)籌監(jiān)控。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，上位機(jī)通過(guò)命令行模式進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，其界面如圖10所示，后續(xù)將應(yīng)用QT工具等UI工具開(kāi)發(fā)圖形用戶界面。

圖10 上位機(jī)命令行界面

3 結(jié)束語(yǔ)

所設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括嵌入式檢測(cè)和上位機(jī)監(jiān)控兩部分，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)具有如下特性：(1)應(yīng)用映射雙顯存的方式，既可以保證圖片的流暢顯示，又避免了分辨率壓縮后引入的系統(tǒng)誤差；(2)應(yīng)用TCP/IP協(xié)議棧組建檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)反饋生產(chǎn)中的廢品情況，并且便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌監(jiān)控；(3)利用上位機(jī)保存檢測(cè)圖片和檢測(cè)結(jié)果，避免了嵌入式本身存儲(chǔ)空間小的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的功能都已實(shí)現(xiàn)，后續(xù)將進(jìn)行界面等擴(kuò)展功能的完善和測(cè)量精度的提高。

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作者簡(jiǎn)介：王志強(qiáng)(1986—)，碩士研究生，研究方向?yàn)楸砻嫔疃葯z測(cè)技術(shù)，嵌入式檢測(cè)技術(shù)。E-mail：wzqtiger@126．com

余桂英(1965—)，教授，碩士生導(dǎo)師，從事光學(xué)和精密測(cè)量研究。E-mail：guiying-yu@cjlu．edu．cn