機(jī)器視覺空瓶檢測案例設(shè)計
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2.4 圖像采集卡
圖像采集卡是視頻信號從相機(jī)到電腦之間傳輸?shù)臉蛄?。目前大多?shù)相機(jī)還是模擬信號輸出，圖像采集卡則將各種模擬視頻信號經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機(jī)，供計算機(jī)作處理、存儲、傳輸?shù)戎?。選擇圖像采集卡要考慮以下幾個方面：
?。?） 視頻輸入的格式和數(shù)據(jù)傳輸率：大多數(shù)攝像機(jī)使用rs422或者eia644作為輸出信號格式，這樣圖像采集卡就需要支持系統(tǒng)使用的攝像機(jī)所采用的輸出信號格式。從靈活性來說，如果兩種格式都支持就更好。當(dāng)攝像機(jī)以較高的速度拍攝高分辨率圖像后， 會產(chǎn)生很高的輸出速率， 這時攝像機(jī)一般使用多路信號同時輸出，而圖像采集卡必須能夠支持多路輸入及攝像機(jī)的輸出速率。
?。?） 數(shù)據(jù)的吞吐量：當(dāng)圖像采集卡的信號輸入速率較高時，需要考慮圖像采集卡與圖像處理系統(tǒng)之間的帶寬問題。在使用pc時，圖像采集卡使用pci接口。pci接口的理論峰值帶寬為132mb/s。但在實際使用中， 多數(shù)計算機(jī)上pci接口的平均數(shù)據(jù)傳輸率為50～90mb/s，有可能在瞬間高傳輸率時不能滿足傳輸?shù)男枰?。為了避免與其他pci設(shè)備產(chǎn)生沖突時丟失數(shù)據(jù)，圖像采集卡上應(yīng)有數(shù)據(jù)緩存。在一般情況下， 有2mb的板載存儲器可以滿足大部分的任務(wù)要求。
?。?） 數(shù)字i/o控制：在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，輸入/輸出的控制很重要。系統(tǒng)中常要根據(jù)處理過程的需要來決定攝像機(jī)的拍攝時間。如果采用了可重設(shè)的攝像機(jī)，需要產(chǎn)生重設(shè)信號。在一些系統(tǒng)中，由于需要設(shè)定拍攝的幀率，應(yīng)該有像素時鐘發(fā)生器。外同步是指不同的視頻設(shè)備之間用同一同步信號來保證視頻信號的同步，它可以保證不同設(shè)備輸出的視頻信號具有相同的幀行起止時間。為了實現(xiàn)外同步，需要給攝像機(jī)輸入一個復(fù)合同步信號或復(fù)合視頻信號。如果圖像采集卡已經(jīng)具有數(shù)字i/o功能，能夠產(chǎn)生攝像機(jī)和其他電子設(shè)備所需的選通、觸發(fā)及其他電子信號，對系統(tǒng)是很有用的， 否則將需要獨立的數(shù)字i/o 卡。
2.5 pc平臺
本系統(tǒng)中pc平臺用于接受圖像采集卡輸出的圖像，然后由圖像處理軟件進(jìn)行預(yù)處理、分析和識別，判斷空瓶質(zhì)量的好壞，最后將判斷結(jié)果發(fā)送給plc。由于圖像采集卡和圖像處理軟件的運行都消耗很大的系統(tǒng)資源，因此應(yīng)當(dāng)選用高性能的工控機(jī)作為pc平臺，保證系統(tǒng)快速穩(wěn)定的運行。
2.6 控制單元
本系統(tǒng)選用plc作為底層控制器，它通過i/o口與光電傳感器，編碼器，擊出器，圖像采集子系統(tǒng)等相連，通過圖像采集子系統(tǒng)控制ccd攝像機(jī)的拍攝以及直接控制擊出器的動作。同時plc通過485總線與工控機(jī)連接，接收工控機(jī)傳來的控制信息和系統(tǒng)參數(shù)等。
在系統(tǒng)運行過程中，plc負(fù)責(zé)及時地通知圖像采集子系統(tǒng)啟動ccd攝像機(jī)，抓拍處于拍攝位置的空瓶。為了達(dá)到這一目的，需要使用光電傳感器來檢測空瓶的位置。在系統(tǒng)中使用了反射式光電傳感器，這種光電傳感器在沒有接收到從反光板反射回來的光束時，就會輸出觸發(fā)信號。將光電傳感器安裝到ccd攝像機(jī)拍攝位置旁，把輸出接到plc的i/o輸入口上。當(dāng)沒有空瓶經(jīng)過時，光電傳感器可以接收到反射光束，沒有輸出信號，而當(dāng)有空瓶經(jīng)過時，光電傳感器無法接收到返回的光束，于是輸出觸發(fā)信號。plc從輸入口接收到此信號后，即可判定空瓶已到達(dá)拍攝位置，從i/o輸出口輸出啟動信號給圖像采集系統(tǒng)，啟動ccd攝像機(jī)，攝像機(jī)及時進(jìn)行拍攝，獲取被檢空瓶的圖像。
在專門的信息處理模塊對獲取的圖像信息進(jìn)行分析處理后，將得出空瓶質(zhì)量是否合格的結(jié)論。如果不合格，主控的工控機(jī)就會通過485總線發(fā)出控制命令，要求plc控制擊出器擊出該空瓶。plc在接到擊出命令后，需要標(biāo)定不合格空瓶，并追蹤其位置，當(dāng)不合格空瓶到達(dá)擊出器所在位置時控制擊器動作，擊出不合格空瓶。為了確定需擊出空瓶位置，在系統(tǒng)中使用一個編碼器與驅(qū)動傳送帶的電機(jī)相連，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，編碼器相應(yīng)發(fā)出脈沖。計算脈沖的數(shù)目，即可知道傳送帶運動的距離。這樣一來，如果能測出不合格空瓶要運動多長距離才到達(dá)擊出位置就能將其準(zhǔn)確擊出?？梢栽谑孪劝丫幋a器的脈沖輸出與plc的i/o輸入口相連，然后在傳送帶上放一空瓶，讓其依次經(jīng)過檢測位置和擊出位置，plc使用計數(shù)器記下此過程中脈沖的數(shù)目，這一數(shù)值即對應(yīng)著檢測位置和擊出位置之間的距離。
3 視覺處理軟件
視覺處理軟件是基于pc的機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，主要通過對圖像的分析、處理和識別，實現(xiàn)對特定目標(biāo)特征的處理。視覺處理軟件的編寫非常復(fù)雜，如果從底層開始編寫，往往需要很長的開發(fā)周期，而且自己編寫的軟件在運行速度、穩(wěn)定性等方面也很難達(dá)到要求。為了滿足系統(tǒng)集成商和終端用戶的需求，圖像采集卡的生產(chǎn)廠家都為自己的產(chǎn)品開發(fā)了相應(yīng)的圖像處理軟件包。這樣，我們就可以將工作重心放在軟件應(yīng)用層面的開發(fā)上，使用這些軟件包進(jìn)行二次開發(fā)，節(jié)約了開發(fā)成本。因此，在對整個機(jī)器視覺系統(tǒng)選型時，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)完成的功能和圖像采集卡廠家提供的軟件包的功能來對圖像采集卡進(jìn)行選型。圖像采集卡廠家提供的軟件包應(yīng)具備以下的功能：
邊緣尋找功能：邊緣尋找是圖像處理中最為基本也是最為常用的工具。通過邊緣尋找，將所拍圖像中的目標(biāo)與背景區(qū)分開，減少處理象素數(shù)，提高軟件處理速度。
目標(biāo)定位功能：當(dāng)被測空瓶在生產(chǎn)線上高速順序地通過相機(jī)的拍攝區(qū)域時，由于生產(chǎn)線的不穩(wěn)定和拍攝時間的誤差，各個空瓶會出現(xiàn)在拍攝圖像的不同區(qū)域。通過目標(biāo)定位功能，使處理軟件中的感興趣區(qū)域（roi）隨著工件在圖像中位置的變化而變化，始終定位在工件的關(guān)鍵部位。
圖像預(yù)處理功能：包括二值化、邊緣銳化、反差調(diào)節(jié)等等，通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理算法，可以突出目標(biāo)圖像、提高圖像分析速度和簡化分析過程，是必不可少的功能。
字符讀取功能（ocr）：對于主要應(yīng)用于各種字符讀取的視覺系統(tǒng)來說，此功能尤為重要。
接口功能：軟件包應(yīng)該能夠方便的和其他軟件或控件接口，一起運行。
4 結(jié)束語
基于pc的機(jī)器視覺系統(tǒng)具有高速度、高精度、高度自動化的特點，集成了當(dāng)今先進(jìn)的傳感器、計算機(jī)、數(shù)字圖像處理和機(jī)器視覺技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、電子半導(dǎo)體、包裝、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和啤酒生產(chǎn)等領(lǐng)域，可以大幅度提高了現(xiàn)有生產(chǎn)線的自動化水平，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。但是我國機(jī)器視覺的研究起步比較晚，目前市場上的該類設(shè)備仍然主要依靠進(jìn)口。隨著社會生產(chǎn)力水平的不斷提高和工廠自動化程度的提高，此項技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊，只有在理論和實際技術(shù)上進(jìn)行深入的研究和探索，才能縮小和國外先進(jìn)技術(shù)的差距，占領(lǐng)國內(nèi)機(jī)器視覺市場。
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