基于WIN7 的圖像采集和質(zhì)量分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳立強(qiáng)，溫景超，支鈺崧，王宇，楊明

（中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

隨著我國航天事業(yè)的飛速發(fā)展，對電子元器件的應(yīng)用需求不斷增大，而航天裝備中部分元器件只能通過中間商渠道獲取，會帶來停產(chǎn)斷檔、偽劣翻新等質(zhì)量方面的問題[1-2]。由于偽劣翻新元器件的質(zhì)量存在諸多的不確定性和不可控性，在不加以控制的情況下，如果應(yīng)用到航天裝備中勢必會給型號任務(wù)帶來重大影響。通過對元器件進(jìn)行特征分析和圖像比對分析[3-6]，開展真?zhèn)巫R別工作，能夠比較有效地控制元器件的質(zhì)量，在已開展的檢測工作中，使用普通顯微鏡或數(shù)碼照相機(jī)都不能實(shí)現(xiàn)元器件圖像的快速采集和保證圖像效果一致，在圖像存在較大差異時(shí)會增加比對分析工作的難度，降低試驗(yàn)的效率。

在元器件圖像采集過程中，需要解決由于元器件體積不一帶來的視場不同，由于元器件殼體材料差異帶來的清晰度不同，及如何準(zhǔn)確對焦表征元器件主要特征等問題，歸納分類分析后，提出圖像采集應(yīng)具備的特點(diǎn)：適應(yīng)3 mm×3 mm～65 mm×65 mm 不同大小的元器件，快速獲得多角度、清晰、效果一致的圖像。通過自主設(shè)計(jì)研發(fā)圖像采集和質(zhì)量分析軟硬件系統(tǒng)，由暗室中的固定相機(jī)、電機(jī)控制鏡頭變倍、四自由度的載物平臺、基于WIN7 系統(tǒng)編譯的控制軟件、以太網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)萚7-8]，實(shí)現(xiàn)了上述所有需求，解決了元器件真?zhèn)巫R別試驗(yàn)的實(shí)際需要，控制了元器件的質(zhì)量。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心在于快速實(shí)現(xiàn)不同尺寸元器件在不同角度下獲取清晰、效果一致的圖像，并實(shí)現(xiàn)圖像比對功能。在系統(tǒng)中選用3 套acA2500-14gc相機(jī)和MLH-10X鏡頭，拍攝視場涵蓋了3 mm×3 mm～65 mm×65 mm 不同尺寸的元器件，頂視、側(cè)視、45°側(cè)視相對位置固定的3 套相機(jī)實(shí)現(xiàn)了多角度拍攝[9]；在還原實(shí)物真實(shí)物理特征方面，采用不同顏色光源和亮度的線性調(diào)節(jié)，并在暗室的條件下排除自然光的干擾，實(shí)現(xiàn)在陶瓷、金屬、塑料元器件上都能夠取得清晰圖像的效果；為實(shí)現(xiàn)成像質(zhì)量的一致，元器件的放置和鏡頭的調(diào)整全部由機(jī)械系統(tǒng)自動完成，采用電機(jī)帶動載物平臺移動和旋轉(zhuǎn)，保證平臺與鏡頭間的位置固定，通過軟件控制電機(jī)的定位轉(zhuǎn)動來控制鏡頭的變倍，保證每次獲取圖像的質(zhì)量和放大倍數(shù)一致；在軟件規(guī)劃中設(shè)計(jì)了同屏4 幅圖像比對，4 幅圖像能夠同步或異步移動、放大及縮小，實(shí)現(xiàn)圖像快捷比對功能[10]。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件主要包括acA2500-14gc相機(jī)、MLH-10X 鏡頭、LED 光源、電機(jī)、可編程邏輯控制器、以太網(wǎng)模塊、計(jì)算機(jī)等。

2.1 相機(jī)的選擇

系統(tǒng)相機(jī)作為核心部件之一，應(yīng)具有較高分辨率，能夠通過程序控制曝光功能，并且具有傳輸速率高的特點(diǎn)，Basler 公司的acA2500-14gc 相機(jī)正好符合這一特點(diǎn)。它是一款彩色CMOS 工業(yè)相機(jī)，應(yīng)用較廣易獲得，其最大分辨率為2 592 像素×1944 像素，且具有通過應(yīng)用程序接口控制曝光功能，與鏡頭的接口為C 口。在網(wǎng)絡(luò)通信方面，自帶Gigabit Ethernet千兆網(wǎng)，傳輸速率可達(dá)1 000 Mbit/s。這幾個(gè)特征能夠保證元器件圖像采集的清晰、快速及曝光可程序控制。

2.2 鏡頭的選擇和控制

系統(tǒng)的鏡頭作為另一核心部件，應(yīng)具有較大的視場、與相機(jī)匹配的接口和能夠程序控制變倍功能，但通過市場調(diào)研，并未找到完全符合要求的鏡頭，只找到與要求最貼近的MLH-10X 鏡頭。該鏡頭是1/2寸百萬像素工業(yè)放大鏡頭，放大倍率為0.084～0.84 倍，接口為C 口，最小物距為152 mm，在200 mm 的工作距離下，視場范圍可達(dá)到11.8 mm×8.9 mm～114 mm×85.6 mm，需要手動變倍。

為解決鏡頭程序控制變倍功能，提出一種基于MLH-10X 鏡頭改裝的電動變倍方案，在鏡頭倍數(shù)調(diào)節(jié)圈上固定大齒輪，齒數(shù)為120，在電機(jī)軸上固定小齒輪，齒數(shù)為40，大小齒輪互相咬合，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)會帶動鏡頭倍數(shù)調(diào)節(jié)圈轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)變倍；計(jì)算機(jī)通過可編程邏輯控制器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。工作過程如下：計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)向可編程邏輯控制器發(fā)送指令，可編程邏輯控制器按照指令向電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出控制脈沖，驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對鏡頭的電動變倍[11]，采用絕對值編碼器記錄電機(jī)的位置，將當(dāng)前位置反饋給可編程邏輯控制器[12]，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。電動變倍閉環(huán)控制邏輯如圖1 所示。

圖1 電動變倍閉環(huán)控制邏輯

2.3 光源的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要采集元器件的彩色圖像，通常情況下，相比其他顏色光源，白色光源能夠最為鮮明地呈現(xiàn)元器件的彩色圖像信息，為配合相機(jī)的使用，光源位置與相機(jī)同側(cè)高角度打光，并與相機(jī)數(shù)量相同，配置3 套光源。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，俯視高角度打光容易產(chǎn)生反光的現(xiàn)象，所以俯視成像光路不配備白色光源，而是在斜視成像光路配備白色光源。當(dāng)俯視成像相機(jī)采集元器件正面圖像和背面圖像時(shí)，斜視成像光路的白色光源打光，其發(fā)出的白色光線斜向照射在元器件表面，經(jīng)過漫反射到俯視成像光路的鏡頭中，不會出現(xiàn)反光現(xiàn)象[13]。而為了更直觀地記錄元器件表面的打磨等痕跡，俯視成像配備藍(lán)色光源，采集正面圖像和背面圖像時(shí)，除了采集白色光源下的圖像，也同時(shí)采集藍(lán)色光源下的圖像。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的“俯視藍(lán)光+斜視白光+側(cè)視白光”組合光源方案示意圖如圖2所示。

圖2 組合光源方案示意圖

2.4 載物平臺的設(shè)計(jì)

為避免自然光的干擾，系統(tǒng)殼體設(shè)計(jì)為封閉暗室結(jié)構(gòu)，與外部環(huán)境的接口僅用于傳送元器件，將元器件放置在載物平臺上，載物平臺通過系統(tǒng)與外部環(huán)境接口，從放置點(diǎn)移動到采集點(diǎn)進(jìn)行圖像采集。該項(xiàng)設(shè)計(jì)不能采用手動控制，手動控制無法保證每次放置位置的一致性，文中設(shè)計(jì)了如下電動運(yùn)動結(jié)構(gòu)來滿足系統(tǒng)的需要：

1）將放置點(diǎn)到采集點(diǎn)的方向定義為X方向，載物平臺需要具有X方向的自由度，可以將元器件從放置點(diǎn)運(yùn)送到采集點(diǎn)，從采集點(diǎn)運(yùn)回到放置點(diǎn)；

2）從側(cè)視角度采集側(cè)面圖像，由于元器件的長度范圍為3～65 mm，而側(cè)視成像光路的相機(jī)、鏡頭、光源的位置均已固定，當(dāng)元器件長度發(fā)生變化時(shí)，鏡頭與元器件目標(biāo)的拍攝距離也發(fā)生變化，為了實(shí)現(xiàn)清晰的圖像采集，需要載物平臺適當(dāng)?shù)囊苿右哉{(diào)整鏡頭同目標(biāo)的距離，完成清晰的聚焦。將側(cè)視成像光路中心線的方向定義為Y方向，載物平臺需要具有Y方向的自由度；

3）從俯視角度采集元器件的正面圖像和背面圖像，由于元器件的高度范圍為2～30 mm，而俯視成像光路的相機(jī)、鏡頭、光源的位置均已固定，當(dāng)元器件高度發(fā)生變化時(shí)，鏡頭與元器件目標(biāo)的拍攝距離也發(fā)生變化，因此載物平臺需要具備在豎直方向位移的功能。將豎直方向定義為Z方向，載物平臺需要具有Z方向的自由度；

4）元器件通常包含4 個(gè)側(cè)面，需要從側(cè)視方向采集4 個(gè)側(cè)面的圖像，為了實(shí)現(xiàn)4 個(gè)側(cè)面圖像的采集，載物平臺需要具備繞豎直方向即Z方向旋轉(zhuǎn)的功能。將繞豎直方向的旋轉(zhuǎn)方向定義為R方向，載物平臺需要具備R方向的自由度。

載物平臺[14]需要具有X、Y、Z、R4 個(gè)方向的自由度，在4 個(gè)方向有位移和并能夠旋轉(zhuǎn)，配合光源、鏡頭、相機(jī)等光學(xué)部件實(shí)現(xiàn)對元器件多角度、全方位、清晰的圖像采集功能，載物平臺四自由度運(yùn)動結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)載物平臺示意圖[15]如圖3 所示。

圖3 四自由度運(yùn)動結(jié)構(gòu)載物平臺示意圖

綜上所述，將相機(jī)、鏡頭、光源、載物平臺由以太網(wǎng)絡(luò)相連接，它們之間的指令收發(fā)、數(shù)據(jù)接收和存儲由計(jì)算機(jī)控制，形成了一套完整的元器件圖像采集系統(tǒng)。利用系統(tǒng)開展一次完整的圖像采集流程，如圖4 所示，其中除了在放置點(diǎn)取放器件外，其他所有操作都在計(jì)算機(jī)上由軟件操作完成。

圖4 一次完整的圖像采集流程

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)和未來系統(tǒng)的應(yīng)用擴(kuò)展，系統(tǒng)軟件采用了C/S 結(jié)構(gòu)[16-17]，其中，C 表示客戶端（Client），S 表示服務(wù)器（Server），即“客戶端/服務(wù)器”結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)用戶通過客戶端的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序向服務(wù)器發(fā)出數(shù)據(jù)服務(wù)請求，服務(wù)器接收請求后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果回傳給客戶端。C/S 結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是充分利用客戶端的硬件，降低系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間。C/S 結(jié)構(gòu)軟件數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖5 所示。

圖5 C/S結(jié)構(gòu)軟件數(shù)據(jù)傳輸示意圖

為有效提高工作效率，利于多人并行方式開展質(zhì)量分析工作，軟件包括采集軟件和管理軟件，兩個(gè)軟件可以獨(dú)立運(yùn)行，采集軟件在硬件平臺控制計(jì)算機(jī)中運(yùn)行，功能集成了相機(jī)曝光、鏡頭變倍控制、光源選擇控制、載物平臺移動旋轉(zhuǎn)控制和參數(shù)設(shè)置等功能。管理軟件可以在已連接局域網(wǎng)的符合最低配置要求的任何一臺WIN7 系統(tǒng)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，功能集成了試驗(yàn)任務(wù)建立和管理，元器件任務(wù)和圖像的關(guān)聯(lián)，建立元器件標(biāo)準(zhǔn)庫及標(biāo)準(zhǔn)比對規(guī)則，對元器件圖文數(shù)據(jù)庫的顯示、編輯、檢索、排序等。

3.2 軟件開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)軟件是在Visual Studio 2012 集成開發(fā)環(huán)境下編譯的，使用C#編程語言，采用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫進(jìn)行圖文數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用，通過“套接字”來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的請求和應(yīng)答，系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)軟件對工業(yè)相機(jī)、光源、可編程邏輯控制器的控制、客戶端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)通信都是基于Socket 通信的方式。文中主要介紹了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和組成，軟件的設(shè)計(jì)思路和編譯過程這里不進(jìn)行一一贅述。

4 系統(tǒng)測試及應(yīng)用

系統(tǒng)經(jīng)連機(jī)測試，能夠獲取和存儲各類封裝、不同尺寸元器件的清晰圖像，通過藍(lán)色或白色光源的控制，能夠獲得元器件細(xì)節(jié)方面的準(zhǔn)確信息，通過載物平臺四自由度的設(shè)計(jì)能夠很容易地獲取元器件任意角度的圖像。某進(jìn)口集成電路自身不同方向、不同光源下采集的圖像如圖6 所示，該界面也是元器件比對分析的功能界面。

圖6 軟件比對分析界面

系統(tǒng)的應(yīng)用有效提高了試驗(yàn)的工作效率和準(zhǔn)確性，在系統(tǒng)投入使用后，已積累了大量國內(nèi)外公司的各類元器件6萬批次40多萬張圖文資料信息，為航天型號任務(wù)的順利研究起到數(shù)據(jù)支撐和把關(guān)作用[18]。

5 結(jié)論

采用工業(yè)相機(jī)、鏡頭、光源、計(jì)算機(jī)等硬件，基于網(wǎng)絡(luò)通信和暗室屏蔽自然光干擾的設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)并制造了一套元器件圖像采集和質(zhì)量分析系統(tǒng)，解決了元器件真?zhèn)巫R別試驗(yàn)的瓶頸問題。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)適應(yīng)范圍廣，能夠?qū)Ω黝愒骷M(jìn)行圖像采集和分析，圖像清晰、效果一致，試驗(yàn)工作的并行開展，提高了工作效率和工作質(zhì)量。