三轴影像测量仪的开发与制造
一、选择图像采集卡
仪表板的外形尺寸为220mm×82mm，测量精度要求不小于0.13mm。综合检测精度，检测速度和成本要求，系统选择NI 1394图像采集卡，搭配SONY 1394 CCD彩色摄像机（分辨率为1024×768)，因此视觉系统的视场FOV = 118mm×88.5mm，像素精度= 118÷1024 = 0.1152mm /像素，完全满足系统测量的尺寸精度要求。
二、扫描区域划分
根据仪表板的大小，目标特征的相关性以及视觉系统FOV的范围，仪表板分为三个检测区域：左，中和右。有4个位置加上开始位置。相机在X / Z轴上移动，被测仪表板在Y轴上移动，X / Y轴的移动完成了镜头与目标的对准，Z轴的移动完成了对镜头的聚焦目标。在每个检测位置收集的图像均以中间LED窗口的中心，即AUTO LED，OFF LED和Defrost LED作为图像的坐标原点。
三、系统总体结构设计
计算机系统用于完成图像的采集，处理，判断，文件I / O和用户界面，并与上位机同时通过串口控制PLC； PLC系统完成运动控制和I / O控制。计算机系统的框图如下：
上方链接的参数设置：波特率：115200； 7个数据位；平价； 2个停止位。
PLC的系统框图如下：
计算机系统和PLC系统协同工作以履行各自的职责，并充分发挥各自的优势来优化系统性能。
四、图像获取
NI提供了两个标准的图像采集vi程序，用户可以直接调用它们：
1。单帧图像获取1394快照获取：即，每次仅获取一帧图像。在该系统的自动测量过程中，要测量三个区域，每个区域具有三种照明模式，因此总共需要运行9个单帧图像采集程序。
2。连续图像采集1394-grab-acquire：即连续实时图像采集。在该系统的移动位置设置模块中，需要实时观察镜头与被测目标的相对位置和焦点，然后保存每个位置，因此采用连续图像采集模式。
五、图像处理
如上所述，在自动测量过程中，总共收集了9帧图像，每个图像对应于一个图像处理程序，以完成目标特征的测量和判断。步骤如下：
1。打开图像缓冲区
在图像处理中，图像需要多次转换，因此需要打开多个图像缓冲区来存储图像数据。本系统总共设置了100个图像缓冲区，即图像缓冲区0〜缓冲区99，其中缓冲区0为系统的实时图像缓冲区。 buffer1〜buffer51分别存储彩色原始图像，强度层，红色层，绿色层，蓝色层，遮罩层，覆盖层等作为历史图像数据，可以与测量结果数据进行比较；其余的是临时图像缓冲区。为了避免与历史图像缓冲区发生冲突，请向下使用buffer99。该系统仅使用12个临时缓冲区，即不使用buffer99〜buffer88和buffer52〜buffer87。
2。找到原点并建立坐标系
选择图像上不变的特征，使用“匹配图案”或“检测对象”定位原点并建立坐标系。对于这三个检测区域，中间LED窗口的中心，即AUTO LED，OFF LED和Defrost LED，是图像的坐标原点。
3。定义投资回报率区域
可以根据测试目标的不同形状使用不同的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区域均基于坐标原点。
4.测量
通过提取彩色图像（所有具有8位深度的图像）的强度平面，红色平面，绿色平面和蓝色平面，分别测量强度分量强度，颜色分量R / G / B和镭目标投资回报率区域。雕刻图案匹配分数，位置坐标等
强度/ R / G / B的范围是0〜255，共有256个灰度。
模式匹配的总分是1000分，该分表明目标与标准模型的匹配程度。除了对三组字符进行模式匹配测量外，还进行了OCR字符识别，即分别需要识别AUTO，ECON和OFF。
位置坐标需要进行坐标系转换。对于图像，默认坐标原点位于图像的左上角，并且测得的直接位置数据是相对于此原点的，与步骤2.中定义的原点不同，坐标系方向也为不同。请参考下图：
变换后的坐标仍以像素为单位，需要乘以像素精度并将其转换为mm单位，这样对产品检查很有用。
5。结果输出界面
测量结果包括放置在Table容器中的图像和数据。表的第一页用于存储图像。该图像使用二维数组作为容器，分为9行5列，并存储45张图像，其中包括9张收集的图像和36张提取的组成层。从表的第二到第十一页的10页用于存储测量数据，分别以10个表的形式输出，对应于测量数据的全局比较和9个采集图像的重要特征。每个页面上都有一个布尔显示控件，用于指示当前页面的综合判断结果。
图2中间区域功能LED模式图像
下面仅显示中心部分的图像和数据，请参考图2-图7
图3中部功能模式测量数据
图4中间区域夜间模式图像
图5中间区域夜间模式测量数据
图6中区Day模式下的测量数据
6。任务序列的优化设计
两个相邻的图像采集之间需要完成几个任务，包括图像处理，写入全局变量，图像输出，测量结果输出，光源切换，位置移动等。这些任务的执行时间不同。优化这些任务的顺序可以显着提高程序的执行速度。
在捕获图像之前，所有运动都必须是静态的，并且光源要稳定。从计算机发送至PLC的运动触发信号和光源切换触发信号的指令完成时间约为10ms，图像
处理，图像输出，测量结果输出以及全局变量写入的完成时间约为100毫秒。可以通过读取PLC中的标志来确定移动是否完成，但是光源是否稳定发光只能取决于加电后的延迟时间。我们的经验是，LED光源从开机到稳定发光至少需要500毫秒的延迟。在产品测试中，需要9个光源切换和4个位置移动。如果使用延迟方法，检测速度将大大降低。因此，我们不是在采集图像后立即处理图像，而是首先进行光源切换或运动触发以进行下一个图像采集，然后对这次采集的图像进行相对耗时的图像处理，这相当于切换光源或延迟处理运动触发器，但不会占用额外的时间开销。请参阅下面的流程图：
7.重叠式广告
叠加层是叠加在图像上的特殊层，用于显示ROI定义范围，坐标系定义和部分图像处理信息。在该系统中，在不同位置，不同光源下收集的3张图像具有相同的坐标系和像素精度。不必每次都进行相同的处理，只需将第一个图像上的叠加层转移到其他两个图像上就可以了。使用我们编写的Overlay传递vi，可以提取任何图像缓冲区的Overlay并将其传递给指定的图像缓冲区。参照图2、图4、图6，以此方式传输每个图像左上角红色框中的原点坐标位置和像素精度文本信息以及图像中心位置的坐标系标记方法。
8。 ROI和Mask的组合应用
使用ROI定义感兴趣的区域，使用遮罩遮罩不感兴趣或已测量的区域，并将ROI与遮罩相结合可以使一些复杂的测量变得简单而有效。在图6中，必须测量产品的裸露表面是否有划痕。将ROI和Mask组合后，可以分两步完成。请参考图8、图9。
图8中部区域Day模式mask1
图9中部区域“白天”模式蒙版2
9。全局功能比较
在9个图像处理子例程中，需要对部分测量数据进行全局比较，并对产品进行评估
整个区域的发光亮度是一致的，因此有必要将感兴趣的数据写入每个图像处理子例程中的全局变量，最后在主程序中处理这些全局变量，请参见图10。
图10全局比较参数
六、文件I / O
包括公差设置，读取和测量数据存储在内，有许多数据，因此使用表文件方法以二维数组的形式访问数据。在图像处理程序中判断测量数据时，只需读取与公差设置有关的子阵列。将时间字符（精确到第二个字符）插入到测量数据的文件名中，以避免重复文件名。
七、主机链接和串行通讯
执行上层链接通信时，计算机和PLC使用命令（命令）和响应（响应）进行发送和接收。在一次通信中发送的一组数据称为帧，而发送帧的权利称为发送权。上位机拥有发送权。发送命令后，PLC将自动返回响应。由于PLC的响应需要时间，因此必须在两个命令之间插入一个延迟。框架的格式如下：
@ |计算机ID |标题|文本| FCS |终端
FCS称为帧检查序列，它将8位数据从帧的开头转换为FCS之前的数据，转换为2个字符的ASCII码，主要用于检查数据错误。 FCS的计算采用了之前VB中开发人员编写的程序，并且使用LabVIEW中的Instrument I / O助手将命令的传输直接发送到串行端口，非常简单。仪器I / O助手提供了三种类型的命令，包括写入，查询和解析，读取和解析。
八、开放性和可伸缩性
该系统开发用于视觉检查帕萨特和速腾两种型号的温度控制仪表板。但是，在软件和硬件的设计中充分考虑了系统的开放性和可伸缩性，并且仅需要替换图像处理。子程序和每个区域的位置设置可以检查任何二维平面上的图像信息。同时，在Z轴上安装了接触式探头或非接触式激光测距传感器，以完成Z轴方向上的尺寸测量。三轴行程X，Y，Z为200mm×200mm×150mm。
所选的PLC上有4个脉冲输出，并且所选的光学镜头可以连续变焦。通过这种方式，可以在Zoom中添加步进电机和传动机构，以实现变倍的检测，并且可以以高倍率来测量尺寸精度和对图像质量有较高要求的区域。
同时，该系统还具有4个AD输入和2个DA输出，这为扩展更复杂，更灵活的系统提供了必要的硬件资源。
九、结论
该项目软件的预计开发时间为三个月，实际上不到两个月就完成了。该机器目前运行非常稳定和高效，并赢得了客户的好评。 NI Vision丰富的图像处理功能以及LabVIEW灵活且易于使用的编程环境是我们成功的主要原因之一。
作者以前主要使用VB和C ++进行程序开发，这是我第二次将LabVIEW用于项目。相比之下影像测量仪，LabVIEW图形化编程语言使程序员不必过多关注代码和功能格式，而将精力集中在功能设计和结构设计上，从而节省了宝贵的开发时间。此外，LabVIEW的帮助功能和大量示例程序对于程序员学习和提高自身水平非常方便。简而言之影像测量仪，我们相信LabVIEW作为测试和测量领域的首选开发平台是当之无愧的。
