基于OpenCV和嵌入式的工業(yè)圖像檢測(cè)系統(tǒng)

孟祥興，宋宇飛，顧橋磊

（南京工程學(xué)院 通信工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引 言

當(dāng)下，用機(jī)器代替人工，用科技代替勞動(dòng)力已成為勢(shì)不可擋的潮流。為提高工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)效果，降低工廠雇傭工件檢測(cè)員的開銷，本文開展了基于OpenCV的嵌入式工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的研究。本文提出了一種基于OpenCV，利用嵌入式微處理器進(jìn)行圖像采集與傳輸實(shí)現(xiàn)工件劃痕檢測(cè)的方案。該方案使用最新的OpenCV開源庫(kù)，開發(fā)出基于OpenCV的圖像處理軟件，并利用網(wǎng)口向圖像處理軟件傳輸數(shù)據(jù)。符合系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、可擴(kuò)展性強(qiáng)、檢測(cè)精度高等工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)目標(biāo)。

1 系統(tǒng)整體概述

該系統(tǒng)由圖像采集嵌入式設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備和處理圖像的計(jì)算機(jī)設(shè)備組成。嵌入式設(shè)備具有生產(chǎn)成本低、處理效率高、耗電低等優(yōu)點(diǎn)，符合工業(yè)生產(chǎn)需求；圖像傳輸主要采用以太網(wǎng)并輔以RS 232串口通信的方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)高效、可靠性高的圖像傳輸功能；圖像處理軟件采用最新的OpenCV計(jì)算機(jī)視覺開源庫(kù)，將Qt開源庫(kù)與其巧妙融合，提高了圖像處理的速度和精度。最后將處理結(jié)果傳送到云服務(wù)器，完成系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 圖像采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要使用當(dāng)前較為前沿的嵌入式ARM Cortex-M4系列芯片，使用STM32F407ZGT6的DCMI接口連接OV5640攝像頭模塊，從工業(yè)對(duì)零件劃痕檢測(cè)的實(shí)際需求出發(fā)，構(gòu)建較為完整的工業(yè)圖像采集傳輸系統(tǒng)。此圖像采集傳輸系統(tǒng)包含攝像頭采集模塊和以太網(wǎng)傳輸模塊。圖像采集傳輸系統(tǒng)基于嵌入式STM32F407ZGT6的自制高度電磁兼容和信號(hào)完整性，使用OV5640攝像頭模塊在合適的環(huán)境下采集JPEG格式的圖像。圖像傳輸系統(tǒng)將圖像采集模塊采集到的圖片傳輸至基于OpenCV圖像邊緣檢測(cè)的上位機(jī)。以以太網(wǎng)通信為主，串口通信為輔，方便快捷地進(jìn)行圖像傳輸。

2.1 攝像頭采集模塊

本系統(tǒng)中，該攝像頭模塊采用8位數(shù)據(jù)輸出接口，其自帶24 MHz有源晶振，無需外部提供時(shí)鐘，整個(gè)模塊只需3.3 V供電即可正常使用，且該模塊支持自動(dòng)對(duì)焦和閃光燈功能。電壓攝像頭模塊通過SCCB總線實(shí)現(xiàn)圖像輸出分辨率的額配置、閃光燈的開關(guān)、自動(dòng)對(duì)焦、調(diào)節(jié)色彩飽和度、亮度設(shè)置、設(shè)置自動(dòng)銳度、啟動(dòng)持續(xù)對(duì)焦等功能。直接輸出壓縮后的JPEG圖片數(shù)據(jù)。輸出JPEG格式的圖片源源不斷地傳入DMA中，可利用JPEG格式提取提取圖片?？刹扇∪缦聝煞N方式：

（1）嵌入式端提取好單張圖片并發(fā)給上位機(jī)；

（2）嵌入式端不斷發(fā)送圖片數(shù)據(jù)流給上位機(jī)，讓上位機(jī)提取。

實(shí)際上，方式（1）在嵌入式端提取了圖片，再按單張發(fā)給上位機(jī)，且為了圖片的數(shù)據(jù)安全有效，上位機(jī)需再次提取，導(dǎo)致嵌入式端的提取多此一舉。因此，本設(shè)計(jì)采用第二種方案。

2.2 以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)除了使用IEEE 802.3-2002 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)外設(shè)，還采用μC/OS-III配合LWIP的設(shè)計(jì)，便于各類任務(wù)高效有序運(yùn)行。其中，LWIP是一種輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議棧，可不依賴操作系統(tǒng)運(yùn)行，特別是能夠在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的使用，節(jié)約了資源，尤其適用于嵌入式終端。μC/OS-III是一個(gè)可裁剪、可固化、可剝奪的多任務(wù)系統(tǒng)，無任務(wù)數(shù)目限制，是在μC/OS-II上改進(jìn)的μC/OS第三代內(nèi)核，其中斷時(shí)間極短，不僅解決了同時(shí)等待多個(gè)內(nèi)核對(duì)象的同步問題，且加入了時(shí)間戳控制，大大提升了ARM處理器的運(yùn)算速度。為提升網(wǎng)絡(luò)傳輸速度與時(shí)延，更好地滿足實(shí)時(shí)性的要求，本設(shè)計(jì)最終選樣在μC/OS-III上運(yùn)行LWIP協(xié)議棧的設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)μC/OS任務(wù)包括網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)、LWIP連接任務(wù)、按鍵檢測(cè)任務(wù)、LCD顯示任務(wù)、LED閃爍任務(wù)和開始任務(wù)等，使用操作系統(tǒng)節(jié)省了系統(tǒng)資源，降低了功耗，更有利于嵌入式設(shè)備的持久運(yùn)行。緩沖區(qū)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D2所示。

圖2 緩沖區(qū)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒?/p>

3 圖像輪廓檢測(cè)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次上位機(jī)采用QT5.7 （MinGW 5.3版）設(shè)計(jì)，并利用OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)作為圖像處理方案。通過在Qt軟件框架下調(diào)用OpenCV函數(shù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)PC端圖像邊緣檢測(cè)。本系統(tǒng)通過使用OpenCV3 “內(nèi)核”與“插件”相結(jié)合的架構(gòu)形式，大大提高了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文中設(shè)計(jì)的圖像檢測(cè)算法涉及邊緣檢測(cè)、尋找輪廓和圖像的矩等內(nèi)容。Canny邊緣檢測(cè)算子是一種最優(yōu)的邊緣檢測(cè)算法，在實(shí)際編程中直接調(diào)用Canny函數(shù)即可。本系統(tǒng)采用變分法，滿足了低錯(cuò)誤率、高定位性、最小響應(yīng)三大標(biāo)準(zhǔn)，并使用OpenCV庫(kù)提供的f i ndContours函數(shù)在二值圖像中尋找輪廓。最終界面設(shè)計(jì)如圖3所示。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器代替人工檢測(cè)工件劃痕的功能，可作為工業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)際需求，將圖像檢測(cè)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)巧妙結(jié)合，大大降低工業(yè)生產(chǎn)的檢測(cè)環(huán)節(jié)人力使用成本，并提出了一種全新的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化產(chǎn)品檢測(cè)環(huán)節(jié)的解決方案，提高了產(chǎn)品檢測(cè)的精度與速度。在未來的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化過程中，可采用選擇路由器網(wǎng)線傳輸或WiFi傳輸?shù)确绞?，搭建物?lián)網(wǎng)多節(jié)點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)，利用主機(jī)總控機(jī)制，建立一個(gè)大型的基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和圖像檢測(cè)技術(shù)的工件檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正的工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化。

圖3 最終界面設(shè)計(jì)

陜西物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ASII）

陜西物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟是由陜西地區(qū)從事物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)研究、產(chǎn)品生產(chǎn)的企事業(yè)單位和團(tuán)體自愿組成，于2011年3月由陜西省工業(yè)和信息化廳批復(fù)正式成立，聯(lián)盟秘書處設(shè)在西安光電子專業(yè)孵化器，西安中星測(cè)控有限公司為第二屆理事會(huì)理事長(zhǎng)單位。

聯(lián)盟致力于推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，服務(wù)于企業(yè)、服務(wù)于政府，促進(jìn)交流合作，努力形成產(chǎn)、學(xué)、研、用開放式的合作機(jī)制。聯(lián)盟通過搭建關(guān)鍵技術(shù)及公共服務(wù)平臺(tái)，推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、應(yīng)用的協(xié)同發(fā)展。積極開展產(chǎn)業(yè)調(diào)研與政策研究，協(xié)助實(shí)施重大項(xiàng)目，承接政府有關(guān)產(chǎn)業(yè)促進(jìn)服務(wù)工作。開展行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，積極參與國(guó)家物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定。承擔(dān)國(guó)家和省、市科技計(jì)劃項(xiàng)目，通過聯(lián)盟促進(jìn)科技成果的快速有效轉(zhuǎn)化，促進(jìn)聯(lián)盟成員間的技術(shù)合作與共同進(jìn)步，使聯(lián)盟成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)重大技術(shù)創(chuàng)新的重要平臺(tái)。

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