摘要：提出了一種無需編程的新型機(jī)器視覺系統(tǒng)，該系統(tǒng)針對市場上現(xiàn)有視覺系統(tǒng)使用難度大、對工程師技術(shù)要求高等問題，基于嵌入式系統(tǒng)的穩(wěn)定性、便攜性，配合工具可配置的軟件開發(fā)框架設(shè)計(jì)了一款小巧且功能豐富的標(biāo)準(zhǔn)視覺產(chǎn)品。該產(chǎn)品已經(jīng)投入市場，可應(yīng)用于目標(biāo)檢測、定位引導(dǎo)、測量等多種場景，取得了良好的市場反饋。本文將給出該系統(tǒng)的詳細(xì)硬件框架以及軟件設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；DSP；機(jī)器視覺；智能相機(jī)

中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：

1  概述

    機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷，其可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，人們將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。由于其具有高精度、非接觸、穩(wěn)定等特點(diǎn)，在國內(nèi)外工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度。

    總體而言，國內(nèi)在機(jī)器視覺產(chǎn)品研究開發(fā)上與國外相比還有一定差距，目前國內(nèi)在機(jī)器視覺產(chǎn)品研究開發(fā)水平上仍處于一個(gè)比較低水平。普遍采用的是國外產(chǎn)品。目前應(yīng)用主要集中在檢測、定位、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人等幾個(gè)領(lǐng)域。而在近2年，在運(yùn)動(dòng)控制、生產(chǎn)流水線、診斷、測試、數(shù)控設(shè)備等幾個(gè)領(lǐng)域?qū)τ跈C(jī)器視覺的應(yīng)用需求增長最為迅速。對于機(jī)器視覺軟件的研究也正進(jìn)一步深入。隨著行業(yè)應(yīng)用越來越多，要求越來越高，目前市場上的機(jī)器視覺系統(tǒng)已經(jīng)較難滿足行業(yè)需求，普遍存在開發(fā)難、使用難、銷售難等弊端。這些缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化程度不夠高，針對每一個(gè)客戶都需要投入大量開發(fā)人力，且開發(fā)出的系統(tǒng)復(fù)用性弱，用戶體驗(yàn)不好，后期維護(hù)難度大、成本高。因此開發(fā)出一款無需編程，配置簡單，提供軟硬件配置且銷售簡單的機(jī)器視覺系統(tǒng)十分必要。

    本文介紹一種無需編程的新型機(jī)器視覺系統(tǒng)，針對上述市場現(xiàn)狀，其有以下優(yōu)點(diǎn)：1、可配置的，無需編程，達(dá)到像家用電器一樣簡單易用；2、提供一種通用的應(yīng)用平臺，包含眾多的單元機(jī)器視覺工具；3、不是基于某種智能相機(jī)或通用視覺系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，它集底層開發(fā)和應(yīng)用開發(fā)于一身；4、進(jìn)行了垂直整合，把核心系統(tǒng)與應(yīng)用工藝進(jìn)行了整合；5、模塊化，為設(shè)備制造商、最終用戶后裝提供配套；6、系統(tǒng)銷售模式簡單化；7、系統(tǒng)成本結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，是具有明顯價(jià)格優(yōu)勢的產(chǎn)品。下面從硬件、軟件兩個(gè)方面介紹該系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)思路。

2  硬件框架

    該系統(tǒng)基于圖像分析技術(shù)對設(shè)備作業(yè)過程進(jìn)行監(jiān)視、測量，采用特征提取、模板比對的方式，將現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集到的圖像與正常工況的標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)捕捉異常、分析判斷、報(bào)警停機(jī)的功能。標(biāo)準(zhǔn)的模板是基于對正常工況下的影像進(jìn)行分析，提取特征，比對時(shí)只是對模板的特征（組合）與現(xiàn)場實(shí)時(shí)圖像中相應(yīng)的特征進(jìn)行比較，借以判斷是否有異常發(fā)生。這種監(jiān)測方法并不能取代自動(dòng)設(shè)備所具備的自診斷功能，但對防止作業(yè)過程走偏，防止次品的產(chǎn)出，甚至設(shè)備遭受破壞等具有良好的效果。產(chǎn)品由以下幾個(gè)主要部分構(gòu)成：

基于DSP/ARM的核心處理器

光學(xué)鏡頭、圖像傳感器、前端處理及接口（即攝像機(jī)部分）

FPGA充當(dāng)圖像處理的加速器和外設(shè)接口邏輯

GPIO和串行通訊

以太網(wǎng)通訊

圖1系統(tǒng)硬件框架

    如圖1所示，其中DSP/ARM處理器采用TIOMAP4460CPU，其ARMCortex－A9主頻達(dá)到1.8GHz，內(nèi)置DSP，這比迄今為止大多數(shù)的智能相機(jī)硬件平臺性能水平都高；相機(jī)分辨率以1280x1024為主，同時(shí)也支持5百萬象素或以上的相機(jī)；儲(chǔ)存器支持NORFLASH和NANDFLASH，同時(shí)可以擴(kuò)展SD卡；FPGA作為外設(shè)的邏輯擴(kuò)展設(shè)備，主要由兩個(gè)作用：負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)的緩沖和預(yù)處理，再送往DSP處理器進(jìn)行對應(yīng)的算法處理；通訊方面支持以太網(wǎng)和串口，可以方便和機(jī)械手、PLC等設(shè)備連接；I/O設(shè)置上配備GPIO（通用輸入輸出），連接現(xiàn)場發(fā)送過來的觸發(fā)信號（輸入，觸發(fā)拍照），和發(fā)送到設(shè)備的控制信號（輸出）。

    此外，該系統(tǒng)可提供兩種形式的產(chǎn)品：

    視覺平板。具備視覺應(yīng)用所需各種功能接口的硬件平臺，其特點(diǎn)如下：LCD顯示器及觸摸屏功能（大屏幕）；內(nèi)置高性能的處理器（ARM架構(gòu)）；相機(jī)接入；I/O接口：RS-232,USB,10/100/1000Ethernet；網(wǎng)絡(luò)通信功能：WiFi；加密保護(hù)。

圖2視覺平板Vpad

    智能相機(jī)。具備如下特點(diǎn)：小巧:體積小、重量輕,工業(yè)等級產(chǎn)品；板上相機(jī)；I/O：GPIO；網(wǎng)絡(luò)連接：Ethernet,WiFi；加密保護(hù)等。如圖3所示。

圖3智能相機(jī)VDSR

3  軟件技術(shù)

    系統(tǒng)中的ARM處理器主要負(fù)責(zé)資源管理、邏輯控制，搭載AngstromLinux系統(tǒng)，并集成機(jī)器視覺所需功能模塊的驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)軟件開發(fā)的具體內(nèi)容包括：USB攝像頭、GPIO、液晶觸摸屏、RS-232等的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，AngstromLinux系統(tǒng)的移植。AngstromLinux是一種運(yùn)行與嵌入式平臺的發(fā)行版桌面系統(tǒng)，里面集成了大部分系統(tǒng)工具和庫文件，包括軟件開發(fā)和算法開發(fā)用到的QT和opencv庫，且其可以通過在線編譯的方式選擇自己需要的工具庫，自定義程度高，非常適合在資源短缺的嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用。底層模塊的驅(qū)動(dòng)程序則通過linux官方內(nèi)核中修改移植實(shí)現(xiàn)。

    應(yīng)用層軟件開發(fā)基于Ubuntu系統(tǒng)，采用QT進(jìn)行軟件的界面設(shè)計(jì)和邏輯設(shè)計(jì)。Ubuntu是一款基于linux的免費(fèi)開源桌面PC操作系統(tǒng)，其可以方便地配置和嵌入式平臺上類似的環(huán)境，如QT和opencv。該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)目標(biāo)是無需編程、簡單配置、模塊化，因此將所有可能用到的視覺工具集成到一個(gè)集成化的軟件平臺vdStudio中，包括定位、測量、檢測、標(biāo)定等常用工具。結(jié)合圖形化用戶界面，用戶可以輕松選擇和配置每一個(gè)工具，且界面都基于用戶習(xí)慣而設(shè)計(jì)，簡單易學(xué)易用。此外，系統(tǒng)支持脫機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)一次配置，永久運(yùn)行。如圖4所示。

圖4用戶圖像界面

4  算法研究

    算法是機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心，相對于系統(tǒng)其他部分，算法對視覺功能貢獻(xiàn)最大、最關(guān)鍵。從市場份額上看，以核心軟件算法為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺系統(tǒng)銷售量幾乎占到整個(gè)機(jī)器視覺行業(yè)的一半，可見算法和軟件的重要性。如果算法不好，視覺功能就沒法實(shí)現(xiàn)，或者雖能實(shí)現(xiàn)功能，但性能上不具有競爭力。算法本來很不錯(cuò)，但軟件編制得不好也會(huì)直接影響視覺系統(tǒng)功能優(yōu)化及性能指標(biāo)。算法及軟件系統(tǒng)是一個(gè)以標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)為產(chǎn)品的視覺公司最重要的積累。在市場競爭中，算法是否有競爭力往往起到十分關(guān)鍵的作用。除了已有的積累，如何能獲得更多的算法軟件資源為我所用，也是決定本項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵因素之一。除了自己在一些細(xì)分領(lǐng)域中研發(fā)自己的算法外，通過合作及分成模式，我們能將國際上優(yōu)秀的軟件和算法找來為己所用也是提升產(chǎn)品的重要路徑。

    該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)上采用了多種優(yōu)秀的設(shè)計(jì)模式，使得在具體使用的時(shí)候可以靈活選擇何種算法。其中有自主研發(fā)的VD300SDK（軟件開發(fā)包），包括CG算法、基面矯正、圖像拼接、掃描控制等算法函數(shù)庫；基于opencv開發(fā)的算法SDK，包括模板匹配、測量、blob檢測等工具；通用的機(jī)器視覺函數(shù)庫IPT（ImageProcessingToolset)等。

5  結(jié)束語

    該系統(tǒng)可以直接使用的視覺電器，不需要經(jīng)過ASP的集成，不需要編程序，像家用電器一樣，通過閱讀使用說明書就能輕松上手。從廠家到用戶，沒有技術(shù)集成環(huán)節(jié)，節(jié)省的成本還可以讓利給用戶，降低產(chǎn)品售價(jià)。用戶獲得的是所需的功能，不需要了解過多的技術(shù)細(xì)節(jié)，銷售時(shí)只要找準(zhǔn)目標(biāo)用戶，說明產(chǎn)品的功能，盯住競爭優(yōu)勢，普通銷售業(yè)務(wù)員無需太強(qiáng)的技術(shù)背景都能勝任。

參考文獻(xiàn)

 朱正德. 機(jī)器視覺：質(zhì)量監(jiān)控的第三只眼——機(jī)器視覺在發(fā)動(dòng)機(jī)廠裝配線上的應(yīng)用[C]., 2010: 56-58.
段峰, 王耀南, 雷曉峰, et al. 機(jī)器視覺技術(shù)及其應(yīng)用綜述[C]., 2002, 19(3): 59-61.
劉曙光, 劉明遠(yuǎn). 機(jī)器視覺及其應(yīng)用[C]., 2000, 21(4): 11-15.
陳曉霜, 吳蒙. 基于OMAP遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[C]., 2015, 25(4): 177-180.
蘇慧娟, 于正林, 張桂林, et al. 基于OpenCV的圖像處理[C]., 2014: 18-19.
王福斌, 李迎燕, 劉杰, et al. 基于OpenCV的機(jī)器視覺圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)[C]., 2010: 54-57.