基于虚拟仪器的质量检测机器视觉系统系统的设计 |
应用领域产品测试
挑战设计并实现可以对影像增强器进行质量检测的机器视觉系统
应用方案使用National Instruments公司的IMAQ VisionLabVIEWDataSocketSQL Toolkit等软件配合PCI-1407\PCI-6024E以及其他硬件快速开发一个基于PC的质量检测用机器视觉系统并要求系统扩展性灵活性强可靠性高
使用的产品LabVIEWIMAQ VisionDataSocketSQL Toolkit;PCI-1407;PCI-6024E
介绍
本文论述了基于虚拟仪器技术的影像增强器质量检测机器视觉系统的设计思想和实现方案,并对系统设计时的技术特点进行了介绍笔者将虚拟仪器技术和机器视觉技术结合起来构建整个系统不仅提供了对影像增强器质量进行自动检测的手段还给予机器视觉系统很强的可扩展性与灵活性
引言
影像增强器是对微弱光信号进行放大的光电图像增强设备人们可以利用它在光线较弱的情况如夜晚下观察外界景物或目标影像增强器的电路系统制造的好坏直接影响它的质量不合格的电系统会使影像增强器在使用时容易产生黑斑电路虚焊亮点电路短路闪光和忽明忽暗电路不稳定等故障因此在影像增强器投入使用之前必须对其可靠性指标进行考核试验然而按照我国目前的有关规定和标准对影像增强器进行可靠性考核试验具有试验时间长试验条件复杂等特点标准要求在影像增强器进行试验时将试验分为多个试验循环进行每个试验循环共工作16小时在16小时中每工作55分钟休息5分钟相邻的两个试验循环之间间隔2小时而且要求一次试验在线工作时间不能小于600小时另外在试验过程中还需要反复给瞄准镜施加各种应力光应力电应力等并要对影像增强器在各种试验条件下出现的故障进行实时识别和记录以便事后分析正是由于可靠性考核试验的复杂性所以到目前为止我国还没有可以对影像增强器进行可靠性考核的试验设备
随着计算机技术和数字图像处理技术的不断发展机器视觉在医学图像工业生产质量检测等领域得到了广泛的应用而虚拟仪器Virtual Instruments技术可通过软件将通用计算机与硬件结合起来快速构成可靠的测试或测控系统如果将二者结合就可以使机器视觉的分析功能和虚拟仪器的控制功能同时为系统所用使系统有很高的性能价格比基于以上事实笔者将机器视觉技术与虚拟仪器技术结合起来开发了基于虚拟仪器的影像增强器可靠性检测机器视觉系统(以下简称可靠性试验系统)取得了较好的效果
系统结构和工作原理
整个系统分为光机分系统和监测与记录分系统图1光机分系统为影像增强器模拟实际工作环境下的光应力电应力并提供试验时影像增强器的摆放支架包括光源大小两级积分球毛玻璃光阑透过率板平行光管夜视仪支架光应力切换运动装置和发光强度探测器等监测与记录分系统不仅实时识别记录影像增强器目镜处产生的黑斑亮点闪光和忽明忽暗等故障还记录与故障图像对应的试验环境参数最后再对这些试验数据进行分析处理给出对影像增强器质量的合理评价考虑系统的实时性的要求和效率监测与记录分系统设计为分布式结构由四台图像机和一台管理机经HUB连接为星型网络每台图像机上安装
的图像采集卡PCI-1407与CCD摄像机连接以配合故障图像识别与处理软件监测记录相应影像增强器目镜处的故障图像为了解决故障图像实时存盘问题每台图像机上还安装了磁盘阵列控制器管理机上安装有多动能数据采集卡PCI-6024E以配合管理机软件监测记录试验过程中的各项参数控制光机部分的光应力切换电应力开关增减等控制箱和适配器是光机分系统和检测与记录分系统的接口它一方面将来自监测与记录分系统的控制信号转换为运动机构可识别的信号另一方面将光机部分和其它部分的试验参数转换为监测与记录分系统可识别的电信号这样两个分系统便形成一个整体
系统工作时操作人员首先在管理机上对试验条件如所需要的电应力进行设置然后管理机协调通过网络上各进程间的通讯整个系统进行自检确保各设备准备就绪自检完成后管理机按照操作员设置的试验条件对试验条件进行自动设置后才开始进行试验在试验循环的每个工作循环中各图像机首先在不出现故障由算法和操作人员目测保证的情况下获得标准图像此后与图像机所联接的CCD摄像机不断将影像增强器目镜处的图像转换为标准的视频信号输入到图像采集卡图像采集卡对视频信号进行分解采集后将其转换为数字信号并输送计算机进行处理图像机上的故障图像识别与处理软件对数字图像信号进行实时处理并识别图像中是否存在故障如果存在故障便保存否则继续判断下一帧管理机在试验过程中对每帧图像对应的试验环境参数进行同步监测并将它们记录到数据库中每个工作循环结束后管理机控制施加到影像增强器的电应力关闭确保影像增强器休息同时控制光机分系统的运动机构改变光阑和透过率板绪如此重复直到完成整个试验为止 开发过程中用虚拟仪器开发底层的故障识别程序,并利用开发状态数据管理模块用DataSockect编写数据通讯和系统软件模块分别安装在管理机和图像像机的软件和配置完全相同如果展只需要将按图像的配置要求配到网络中即可 系统使用的技术特点 可靠性检测系统有以下技术a) 系统在非常规光源下进影像增强器用于对微弱的外其目镜处物像的亮度大约几十个勒问题的办法是在不同的照度下用Vision编写程序自动调整图像采进行 b) 系统有很强的实时性 按照指标要求系统要在80ms进行光应力切换以保证下一个工作循环开始前光应力准备就的多个试验循环
开发平台NI LabVIEW5.0 PDS和机器视觉软件开发平台NI IMAQ Vision 5.0再结合NI SQL ToolKit快速开发大部分软件模块为了提高软件的处理速度用VC++6.0LabVIEW的CIN接口将用C语言编写的程序嵌入整合到软件系统中用Power Builder 6.0和MS SQL Server 7.0LabVIEW与NI 管理模块这些机上并且各图要对系统进行扩置的计算机连接
特点这些技术特点有效的保证了系统的正常运行
行工作
界光线进行放大克斯左右图像的噪声非常大对故障识别带来了很大难度解决LabVIEW和IMAQ 集卡的黑白电平和CCD暴光系数保证故障提取在较高的信噪比下
内进行图像采集预处理故障识别图像存储等一系列操作
对实时性要求很高主要采用两个办法解决实时性问题一是采用磁盘阵列技术一是用VC编写故障识别软件按照要识别的故障黑斑亮点闪光和忽明忽暗灰度阈值依次降低面积阈值依次增加的特征系统中用灰度和面积作为特征参数进行故障识别用VC编写程序使故障图像和标准图像相减后的结果进行一次腐蚀再按照所设置的阈值识别故障将编写的程序编译成.lsb格式用CIN接点嵌入到LabVIEW程序中经测试此程序对一帧故障图像进行识别一般需要30ms完全满足系统的要求
c) 图像高速流盘
系统中采用的另外一个提高系统实时性的手段是RAIDRedundant Array of Independent Disks简称磁盘阵列技术RAID按照不同的存储性能数据安全性和存储成本有RAID0 到6 七种基本的级别和一些基本RAID级别的组合形式RAID0有时也称作Stripe或Striping可以让多个磁盘并行的执行系统的某个数据请求把连续的数据分散到多个磁盘上存取这样就有效解决了磁盘I/O与CPU处理速度之间的瓶颈问题系统中每台图像机上的硬盘组都通过RAID接口卡连接到系统中来提高系统的实时性
d) 分布式同步数据采集与控制
整个系统由一台管理计算机和四台图像机协同完成计算工作在工作过程中有严格的时序关系在笔者用NI DataSocket编写的通信模块中发信者每发出消息给受信者必须得到受信者的确认后才进行后续工作这种机制很好的保证了整个系统协
图2 含有黑斑和亮点的故障图像
调工作另一方面为了便于事后区分从属故障要求保存每一幅故障图像时同时记录对应的系统状态为此采取同频同相和同时启动的同步机制同频是指图像采集和状态采集的频率相同同相是指将从任一图像采集卡解析出的同步视频信号连接到其他三个CCD的同步输入端保证四个CCD送到图像采集卡的视频信号相位相同另外图像采集卡和数据采集卡的触发端子连接在一起并且都工作在触发状态下任一图像采集卡发出触发信号后整个系统开始动作
图2为经过算法处理后记录下来的含有黑斑和亮点的故障图像
结论
在将虚拟仪器技术与机器视觉技术结合起来实现整个系统的过程中为了提高系统的实时性故障识别部分用VC++来完成编写完成的算法被编译为虚拟仪器开发平台LabVIEW的CIN接口支持的格式后嵌入整个软件系统经过测试使用这种软件整合方式和算法后系统对故障图像进行处理的时间加上图像采集与存盘的时间总共耗时不超过40毫秒完全满足指标的要求同时利用虚拟仪器开发平台来完成其擅长的控制功能开发者只需要专注与系统功能的完整性而不必考虑复杂的细节这就极大的发挥了虚拟仪器的性能使系统有很强的灵活性和扩展性并节省了开发所应支付的费用提高了系统的性能价格比
参考文献
[1] K.R.Castleman数字图像处理电子工业出版社1998.9
[2] National Instruments,Measurement and Automation Catalogue, 2000
[3] National Instruments ,IMAQ Vision Users Manual1999
[4] National Instruments ,LabVIEW 5.0 Users Manual1999
[5]何斌马天予等Visual C++数字图像处理人民邮电出版社2001.4
英文摘要
The design and implementation of Virtual Instrument Based quality inspecting machine vision system for image intensifier is discussed, and the key technology is introduced. The combination of the virtual instruments and machine vision technology not only provided a method of automatic quality inspection for image intensifier, but also gained the system high expandability and flexibility. |
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