圖像實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)在激光切割中的應(yīng)用研究

胡家兵+++郭宇斌+++梁依忱

摘 要：隨著科技的進(jìn)步，激光切割已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用，其中激光切割模切板具有高效率、高質(zhì)量、高精度等特點(diǎn)。文章對(duì)于圖像實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)在激光切割模切板中的應(yīng)用進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)基于數(shù)字圖像處理的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)割縫寬度的軟硬件系統(tǒng)，以提高模切板工業(yè)生產(chǎn)的加工精度。

關(guān)鍵詞：圖像實(shí)時(shí)檢測(cè)；激光切割；數(shù)字圖像處理

1 研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展和人類文明的不斷進(jìn)步，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，傳統(tǒng)的模切板加工方式已不能滿足需要，而激光切割模切板具有高效率、高質(zhì)量、高精度等特點(diǎn)，激光切割模切板取代傳統(tǒng)方式的趨勢(shì)日益明顯[1]。激光切割模切板生產(chǎn)過程中，激光切割頭和模切板運(yùn)動(dòng)速度可高達(dá)5m/min以上，割縫寬度往往小于1mm，很難用人工檢查。隨著數(shù)字圖像處理在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)中越來越廣泛的應(yīng)用，利用CCD提取割縫圖像，并將其數(shù)字化后送往DSP進(jìn)行處理，提取圖像的特征，實(shí)現(xiàn)工業(yè)在線檢測(cè)割縫寬度。因此，研究圖像實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)在激光切割中的應(yīng)用具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

2 數(shù)字圖像處理方式

2.1 基于計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)上能用于圖像處理的軟件很多，如MATLAB，Visual C++等。C++通過圖形設(shè)備接口和位圖提供對(duì)數(shù)字圖像處理編程的最基本支持。MATLAB圖像處理工具箱封裝了一系列針對(duì)不同圖像處理需求的標(biāo)準(zhǔn)算法。但是缺點(diǎn)也很明顯：處理速度較慢，體積較大，功耗也很大。

2.2 基于FPGA

使用FPGA作為圖像處理系統(tǒng)的核心。FPGA集成了SRAM存儲(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）、乘法器模塊、串行收發(fā)器、存儲(chǔ)控制器和高級(jí)I/O接口等功能。FPGA的使用非常靈活，由于硬件的并行性，可以實(shí)現(xiàn)圖像的高速處理。不過FPGA的編程采用硬件描述語(yǔ)言，復(fù)雜的算法比較難實(shí)現(xiàn)。

2.3 基于DSP

DSP處理器是專門設(shè)計(jì)用來進(jìn)行高速數(shù)字信號(hào)處理的微處理器。DSP易于滿足圖像處理中運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速率高等要求，而且有與計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的多媒體交互能力。除了硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性之外，DSP還有特殊指令可以縮短程序運(yùn)行時(shí)間。DSP的開發(fā)也相對(duì)簡(jiǎn)單，如TI的DSP有自己的集成開發(fā)環(huán)境CCS，采用C語(yǔ)言編程，有過其他軟件編程經(jīng)驗(yàn)的開發(fā)人員都很容易上手。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 采取旁軸集成

檢測(cè)裝置采取旁軸的方式集成到激光切割機(jī)上，這主要是考慮到了旁軸結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單性。

3.2 采用輔助光源加濾波片

通過采用“加裝恒定功率的藍(lán)紫光燈配合只能通過藍(lán)紫光的濾波片”的方案，完善了采集圖像的硬件設(shè)備。排除了光斑和燃燒焰的影響，很大程度上排除了存在不確定性的可見光干擾，從物理手段上大幅提高采集圖像的圖像質(zhì)量，有助于提高系統(tǒng)的精確性。同時(shí)也降低了算法的難度，減輕了DSP的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3.3 采用基于DSP的圖像處理系統(tǒng)[2]

將CCD采集的圖像經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)成數(shù)字圖像送入DSP，由DSP對(duì)圖像進(jìn)行處理。這種設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、靈活，成本比較低，便于實(shí)際中應(yīng)用。

4 算法設(shè)計(jì)

4.1 濾波去噪

在獲取或傳輸圖像的過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生圖像噪聲，從而使圖像的質(zhì)量下降、特征模糊，給后續(xù)的圖像分析帶來很大的麻煩。濾波的目的就是除去圖像中的噪聲，以便對(duì)圖像做進(jìn)一步的處理。

圖像濾波我們采用的是中值濾波，中值濾波對(duì)脈沖噪聲有良好的濾除作用，特別是在濾除噪聲的同時(shí)，能夠保護(hù)信號(hào)的邊緣，使之不被模糊。此外，中值濾波的算法比較簡(jiǎn)單，也易于用硬件實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過濾波以后，圖像的噪聲大幅度減小。

4.2 圖像分割

圖像分割的目的是為了從已有的圖像中提取感興趣的區(qū)域和信息，用于后續(xù)的處理。在本算法里面就是把割縫從背景中分離，用于后續(xù)的縫寬檢測(cè)。我們采用的是閾值二值化，閾值二值化（分割）具有快速和有效性，它的基本目的在于按照灰度級(jí)將圖像空間劃分成與現(xiàn)實(shí)景物相對(duì)應(yīng)的一些有意義的區(qū)域。經(jīng)過實(shí)踐，能夠很好地把背景和割縫分離開來。

4.3 縫寬計(jì)算

首先通過行掃描或列掃描，記錄下黑色像素點(diǎn)數(shù)目。然后求取差方和最小的幾行（列）作為圖像最佳計(jì)算區(qū)域。同時(shí)計(jì)算割縫走向斜率，把黑色像素點(diǎn)數(shù)（寬度）換算成割縫寬度，然后結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)換算成實(shí)際的割縫寬度。

5 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，精確性論證

設(shè)計(jì)預(yù)期是測(cè)量精度達(dá)到0.1mm，響應(yīng)時(shí)間小于0.1s。滿足模切板加工要求。

5.1 精確度的論證

當(dāng)縫寬為1mm左右時(shí)，誤差為0.0144mm，最大誤差0.0246mm，滿足預(yù)期目標(biāo)要求。同時(shí)，我們采用標(biāo)準(zhǔn)切割件做了一個(gè)簡(jiǎn)單的定標(biāo)。結(jié)果完全符合預(yù)期。

5.2 實(shí)時(shí)性的論證

把預(yù)處理和縫寬計(jì)算代碼放到MFC框架下運(yùn)行。通過Profile功能查看算法耗時(shí)，可見耗時(shí)（加上調(diào)用的Windows庫(kù)函數(shù)）在12毫秒以內(nèi)。測(cè)試使用PC機(jī)MIPS為25000左右。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)于圖像實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)在激光切割中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。通過實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)技術(shù)有利于進(jìn)一步提高加工精度，提高模切板加工的良品率。這樣帶來了安裝的方便和低廉的成本，稍具水平的電子廠商都能生成系統(tǒng)的電路板和相關(guān)模塊，成本可以控制在絕大多數(shù)企業(yè)都能接受的范圍內(nèi)。

可見“圖像實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)在激光切割中的應(yīng)用研究”對(duì)于實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)有著很直觀的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]方石銀.激光切割模切板研究[D].湖南大學(xué)，2005：9.

[2]張妍.基于DSP的混凝土裂縫寬度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[D].

北京工業(yè)大學(xué)，2006：9-10、17-19、46-47.

作者簡(jiǎn)介：胡家兵（1995，12-），男，南京理工大學(xué)本科在讀，單位：南京理工大學(xué)理學(xué)院，研究方向：激光與光電技術(shù)。