三轴影像测量仪的开发与研制

一、 图像采集卡的选择

仪表盘的外形尺寸为220mm×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图像采集卡，配合SONY 1394 CCD彩色摄像机(分辨率为1024×768), 这样视觉系统的视场范围FOV=118mm×88.5mm，像素精度pixel accuracy= 118÷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采集、处理、判断、文件I/O和用户使用界面，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：



通过计算机系统与PLC系统协同工作，各司其职，充分发挥各自的特长，使系统的性能得以优化。

四、 图像采集

NI提供两种标准的图像采集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buffer0为系统实时图像缓冲区；buffer1"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：  



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幅采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。



图2 Middle area Function LED mode image  

以下仅给出中部检测图像和数据，请参考图2-图7



图3 Middle area Function mode measure data



图4 Middle area Night mode image



图5 Middle area Night mode measure data



图6 Middle area Day mode measure data