基于LabVIEWandIMAQVision的三坐标影像测量仪的开发与研制.docx

基于LabVIEW和IMAQ Vision的三轴影像测量仪的开发与研制The R&D for 3-axis Vision Inspection Machine based on LabVIEW and IMAQ Vision作者：高兴森职务：研发部经理公司：无锡微影图像技术有限公司同时作为上位计算机通过串口对PLC进 行控制；以PLC系统来完成运动控制、 I/O控制计算机系统的框图如下：上位链接的参数设置：波特率：115200;7位数据位；偶校验；2位停止位PLC的系统框图如下：各司其职，充分发挥各自的特长，使系应用领域：汽车 挑战：汽车温控仪表盘的全自动分区域 扫描测量需要结合机器视觉、图像处理、 运动控制、自动控制等多种技术，给出 各个特征的判断结果，并将所有测量数 据以文件形式存储这要求测试系统运 用一个综合而强大的通用软件平台，视 觉方面的软硬件能够很好地实现自定制 和扩展功能这些要求使用传统仪器无 法达到目标，而虚拟仪器在这些方面优 势明显应用方案：使用NI公司的1394数字图 像采集卡和Vision图像处理软件包，以 LabVIEW为软件开发平台，开发出…台 完善的、有相当通用性和开放性的二轴 影像扫描测量仪器。

使用的产品：NI 1394图像采集卡PCI-8252LabVIEW 7.0,Vision7.1 Development Module,Vision Builder Al 2.5NI IMAQ 1394 2.0介绍：汽车的温控仪表盘上有多个视觉 特征需要检测，参考图1Pattern Function LED Blue dot Red dotLeft area Middle area图1汽车温控仪表盘\^^ght areaFastener在一个仪表盘上共有13个镭雕图 案，16个功能LED透光窗口，2个红 点，2个蓝点，4个按钮等目标特征需要 检测检测要求在暗室内进行，需要分 别模拟白天模式一Day mode和两种夜 光模式一Function LED mode 和 Night light mode,共实现对61个目标特征的 光强Intensity、颜色R/G/B分量、位置 坐标X/Y、图案质量和表面划伤的测量， 最后对二个全局特征进行综合比较整 个系统的开发非常具有挑战性正文：一、 图像釆集卡的选择仪表盘的外形尺寸为220mm X 82mm,要求测量精度不低于0.13mm 综合检测精度、检测速度和成本要求， 系统选择NI 1394图像釆集卡，配合 SONY 1394 CCD彩色摄像机（分辨率为 1024X768）,这样视觉系统的视场范围 FOV= 118mmX 88.5mm,像素精度 pixel accuracy= 1184-1024=0.1152mm/ pixel, 完全满足系统测量的尺寸精度要求。

二、 扫描区域划分根据仪表盘的尺寸、目标特征的相 关性和视觉系统FOV的范围，将仪表盘 划分为左、中、右3个检测区域加上 起始位置共有4个位置摄像机在X/Z 轴上运动，被测仪表盘在Y轴上运动， X/Y轴的运动完成镜头对目标的对准,Z 轴的运动完成对目标的聚焦在每个检 测位置采集的图像分别以中间的LED 窗口即 AUTO LED、OFF LED、Defrost LED的中心为该幅图像的坐标原点三、 系统总体结构设计以计算机系统来完成图像的釆集、 处理、判断、文件I/O和用户使用界面，统的性能得以优化四、图像采集NI提供两种标准的图像釆集vi程 序，用户可以直接调用：1. 单帧图像采集1394-snap-acquire：即 每次只采集1帧图像在本系统的全自 动测量过程中，共有三个被测区域，每 个区域又有三种照明模式，所以一共需 要运行9次单帧图像采集程序2. 连续图像采集1394-grab-acquire：即 连续实时采集图像在本系统的运动位 置设置模块里，需要实时观测镜头与被 测目标的相对位置及聚焦情况，然后保 存各个位置，所以使用了连续图像采集 模式五、图像处理如上所述，在全自动测量过程中， 共采集9帧图像，每幅图像都对应一个 图像处理程序，来完成对目标特征的测 量和判断。

步骤如下：1. 开辟图像缓冲区在图像处理中，需要对图像做多次 变换，因此需开辟多个图像缓冲区来存 储图像数据本系统中共设置100个图 像缓冲区，即 image buffer0~buffer99,其 中bufferO为系统实时图像缓冲区； bufferl~buffer51分别存储9帧图像的彩 色原图> Intensity图层、Red图层、Green 图层、Blue图层、Mask图层、Overlay 图层等作为历史图像数据，可以和测量 结果数据相对照；其余为临时图像缓冲 区，为避免与历史图像缓冲区发生冲突， 从buffer99开始向下使用本系统只使 用了 12 个临时 buffer,即 buffer99~ buffer88, buffer52~buffer87 未使用2. 定位原点并建立坐标系选取图像上不发生变化的特征，使 用 Match Pattern 或 Detect Object 来定位 原点并建立坐标系三个检测区域分别 以中间的LED窗口即AUTO LED、OFF LED、Defrost LED的中心为该幅图像的 坐标原点3. 定义ROI区域根据被测目标不同的形状，可以使 用不同的ROI模型，包括圆形、环形、 扇形、矩形、旋转矩形、任意多边形等。

所有ROI区域都以坐标原点为参考点4. 测量通过抽取彩色图像的Intensity plane> Red Plane> Green Plane> Blue Plan （均为8位深度的图像），对各目标ROI 区域分别测量光强分量Intensity,颜色 分量R/G/B、镭雕图案模式匹配分数、 位置坐标等其中光强Intensity/R/G/B的范围为 0-255,共256个灰阶图案模式匹配分数的满分为1000 分，得分大小表示目标与标准模型的匹 配程度对三组字符除了做模式匹配测 量还做了 OCR字符识别，即需要分别识 别出 AUTO, ECON、OFF位置坐标需要进行坐标系变换对 于一幅图像来说，默认的坐标原点位于 图像的左上角，测量的直接位置数据是 相对于这个原点的，和我们在步骤2.中 定义的原点位置不同，坐标系方向也不 同参考下图:默认坐标系原^__X目的坐标系变换后的坐标仍是以像素为单位的，需要乘以像素精度pixel accuracy转化为 mm单位，这样才对产品检验有意义5. 结果输出界面测量结果包括图像和数据，放在一 个Table容器中Table的第一个Page 用来存放图像图像以二维数组为容器, 分为9行5列，存放45幅图像，包含9 幅采集的图像和抽取的36幅分量图层。

Table的第2-11共10个Page用来存放 测量数据，分别以10张表格形式输出， 分别对应9幅釆集的图像的测量数据和 重要特征的全局比较每个Page上有一 个布尔量显示控件，用于指示当前页面的综合判断结果♦ «" —1«广-9909990909—・・«*•■£■“ —- -图 2 Middle area Function LED mode image以下仅给出中部检测图像和数据,图 5 Middle area Night mode measure data请参考图2~图7图 3 Middle area Function mode measure data图 4 Middle area Night mode image图 6 Middle area Day mode measure data6. 任务顺序的优化设计在相邻的两次图像采集之间需要完 成几项任务，包括图像处理、写全局变 量、图像输出、测量结果输出、光源切 换、位置运动等，这些任务的执行时间 是不同的优化这些任务的编排顺序可 显著提高程序的执行速度采集图像前要求所有运动静止、光 源稳定发光由计算机向PLC发送运动 触发信号和光源切换触发信号的指令完 成时间是以10ms为数量级的，而图像处理、图像输出、测量结果输出、写全 局变量的完成时间是以100ms为数量级 的。

运动是否完成可通过读取PLC中的 标志位来确定，但光源是否稳定发光， 只能依赖上电后的延迟时间我们的经 验是LED光源从上电到稳定发光至少 需要500ms的延时在一个产品的测试 中需要9次光源切换、4次位置运动 如果都用延时的方法，那么将大大降低 检测速度所以我们不是在图像采集后 立刻对该幅图像处理，而是先为下一次 图像采集做光源切换或运动触发，然后 再对本次采集的图像做相对费时的图像 处理等，相当于为光源切换或运动触发 作了延时处理，但又不占用额外的时间 开销参考以下流程图：7. Overlay的传递Overlay是叠加在图像上的一个特殊的 图层，用于显示R0I定义范围、坐标系 定义和部分图像处理的信息本系统中 在同一位置采集的不同光源照明下的3 幅图像，具有相同的坐标系和像素精度, 不必每次都做同样的处理，只需将第一 幅图像上的Overlay传递给其他两幅图 像即可利用我们编写的Overlay传递 vi,可以抽取任意image buffer的Overlay 并传递到指定的image buffer中参考图 2、图4、图6,每幅图像上的左上角红 色方框内的原点坐标位置及像素精度的 文字信息和图像中央位置的坐标系标志 就是通过这种方法传递的。

8. R0I与Mask的组合应用利用R0I来定义感兴趣区域，利用Mask可以屏蔽掉不感兴趣或者已测量 过的区域，将ROI与Mask相结合可使 一些复杂的测量变得简单而高效图6 中需要测量产品的外露面是否有划伤， 经过R0I和Mask的组合，只需两步即 可完成参考图8、图99.全局特征比较在9个图像处理子程序中，部分测 量数据需要进行全局比较，已评定产品 整体区域的发光亮度的一致性，因此需 要在每个图像处理子程序中将关心的数 据写入全局变量，最后在主程序中对这 些全局变量进行处理，请参考图10o六、文件I/O包括公差设置、读取、测量数据存 储，数据较多，因此采用表格文件方式， 将数据分类以二维数组的形式存取在图像处理程序中对测量数据判断时，只 需读取公差设置相关的sub-array即可 测量数据存储的文件名中插入时间字符(精确到秒)，以避免文件名重复七、上位链接和串口通讯进行上位链接通讯时，计算机和 PLC之间使用命令(command)和响应 (response)进行发送和接收一次通讯送 出的一组数据称作一帧，送出帧的权限 称为发送权上位计算机持有发送权， 命令发送后，响应由PLC自动返回。

由 于PLC的响应需要时间，因此在两次命 令之间必须插入延时帧的格式如下： 创机器号I头码I正文IFCSI终端FCS称为帧检查序列，把一帧的开始到 FCS前面的数据进行逻辑异或的8位数 据变成2个字符的ASCII码，主要用于 检查数据错误FCS的计算采用笔者以 前用VB开发的程序，命令的传送使用 Lab VIEW 中的 Instrument I/O assistant 直接向串口发送，十分简单Instrument I/O assistant提供三种类型的命令，包括 Write, Query and parse, Read and parseo图 8 Middle area Day mode m。