【正文】 視覺瑕疵檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 算法檢測平臺的搭建 密封圈檢測平臺為了讓相機(jī)捕捉到密封圈的圖像，我們設(shè)計(jì)了如圖 密封圈檢測平臺所示的檢測平臺，將密封圈放置在合適的光源正下方，將工業(yè)智能相機(jī)搭載光源正上方。這樣密封圈的圖像就采集到圖像識別系統(tǒng)中了，我們就可以在該嵌入式系統(tǒng)內(nèi)對該圖像進(jìn)行算法識別，判斷是否為合格產(chǎn)品。其中裂紋、暗紋等細(xì)瑕疵在紅色同軸光下比較明顯；模影等瑕疵在紅色環(huán)形光下成像明顯。圖 密封圈檢測平臺圖像經(jīng)過智能識別系統(tǒng)處理過后，會出現(xiàn)合格與次品的兩種結(jié)果，利用PLC通信，對密封圈分類裝置進(jìn)行電信號的通信[11]。在2套系統(tǒng)檢測過程中，如果有其中任意一套出現(xiàn)不合格的情況，那么在與密封圈分類裝置通信時，該產(chǎn)品便為不合格產(chǎn)品。圖 通信IO口示意圖1) 工件靜止后,PLC給DSP拍照命令，out1高電平。3) PLC接收到結(jié)果并不馬上恢復(fù)給DSP，而是等到進(jìn)料機(jī)械手到達(dá)右形成時，移位寄存器記錄并做30ms的延時后發(fā)生確認(rèn)信號個DSP，確認(rèn)信號發(fā)生的同時，要求DSP的確認(rèn)信號同時有效。 相機(jī)獲取的圖片信息系統(tǒng)在收到PLC的拍照信號后，檢測系統(tǒng)便會將當(dāng)前要檢測的密封圈圖像從相機(jī)中利用傳輸線寫入到系統(tǒng)內(nèi)存[12]，如圖 密封圈8比特BMP位圖數(shù)據(jù)所示便是把從相機(jī)寫入內(nèi)存的數(shù)據(jù)以BMP8比特位圖的形式保存出來的圖像。圖 DSP核心主板組成及聯(lián)系 嵌入式圖像處理器嵌入式核心的圖像處理器由信號采集模塊、觸摸屏模塊、處理芯片模塊以及電源模塊幾個主要部分構(gòu)成。電源模塊負(fù)責(zé)給各個模塊提供合適的工作電壓，圖像由信號采集模板輸入到處理芯片。最終的檢測結(jié)果由處理芯片模塊輸出道執(zhí)行機(jī)構(gòu)。能將基帶模擬NTSC, PAL制式，和SECAM視頻轉(zhuǎn)換成數(shù)字分量視頻。該設(shè)備包括兩個TVP5146 10bit采樣的A / D轉(zhuǎn)換器，線鎖定采樣方形像素。該設(shè)備采用得克薩斯儀器公司的專利技術(shù)，能采集嘈雜，或不穩(wěn)定的信號，并輸出一個色度產(chǎn)生頻率控制下游同步視頻編碼器。一色度陷波器也已經(jīng)推出。2) 供電模式和工作時鐘TVP5146采用雙電源供電。其工作時鐘可由芯片外接晶振提供，亦可由CPU提供，采取何種方式由芯片的工作模式?jīng)Q定。跟CPU的接口有ITU 656，以及RAW格式。 核心控制芯片TMS320DM6437TMS320DM6437是TI(德州儀器)針對數(shù)字視頻領(lǐng)域開發(fā)的支持達(dá)芬奇技術(shù)的單核DSP處理器。所配備的視頻處理子系統(tǒng)(VPSS)極大的支持了前端預(yù)處理與后端顯示，減軒DSP核負(fù)擔(dān)，配備的10/100M EMAC,減少外圍電路，使硬件小型化成為可能。并不像同為達(dá)芬奇技術(shù)的6446有1個ARM核，1個DSP核，通過貫通兩核的DSPlink實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序調(diào)用運(yùn)行于DSPside的算法codec。C64x+內(nèi)核有8個功能單元，M. S. L. ，分別主要負(fù)責(zé)乘法，加法，邏輯，地址運(yùn)算，同時也支持很多其他運(yùn)算。交叉數(shù)據(jù)通路允許某側(cè)的單元在執(zhí)行指令時將另外一邊寄存器堆中寄存器作為操作數(shù)來源同時允許向另側(cè)通往片外的數(shù)據(jù)通路傳輸數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)與代碼分開的哈佛總線結(jié)構(gòu)，同時取指令與數(shù)據(jù)，最佳狀況下，每時鐘周期可以執(zhí)行8條指令。片外搭配128M KB DDR2 SRAM。CPU可直接訪問L1，在L1D miss情況下stall等待L2數(shù)據(jù)或代碼通過DMA刷新到L1 cache，如果L2 cache miss、則消耗更多的時間等待數(shù)據(jù)或代碼從片外SRAM通過DMA刷新到L1 cache。DSP/BIOS是一個用戶可剪裁的實(shí)時操作系統(tǒng)，主要由三部分組成：多線程實(shí)時內(nèi)核；實(shí)時分析工具；芯片支持庫。操作系統(tǒng)維護(hù)調(diào)度多線程的運(yùn)行，只需將定制的數(shù)字信號算法作為一個線程嵌入系統(tǒng)即可；芯片支持庫幫助管理外設(shè)資源，復(fù)雜的外設(shè)寄存器初始化可以利用直接圖形工具配置；實(shí)時分析工具可以幫助分析算法實(shí)時運(yùn)行情況。實(shí)際應(yīng)用中需要的定制算法作為一個線程插入DSP/BIOS的調(diào)度隊(duì)列，由DSP/BIOS進(jìn)行調(diào)度。其主要由三部分組成：1) DSP/BIOS API：用戶設(shè)計(jì)的程序可通過API調(diào)用DSP/BIOS接口函數(shù)；2) DSP/BIOS 配置：創(chuàng)建的配置文件定義了程序使用的靜態(tài)BIOS對象；3) DSP/BIOS分析工具：集成在CCS上的一些DSP/BIOS分析工具可以對運(yùn)行與目標(biāo)設(shè)備上的程序進(jìn)行檢測，包括CPU負(fù)載、時間、日志、線程執(zhí)行狀態(tài)等。在非WINDOWS、LINUX系列的操作系統(tǒng)中，極少有同時支持觸摸屏和鼠標(biāo)，這是本軟件系統(tǒng)的一大特點(diǎn)。當(dāng)前我們采用的是沃特克的WAT902B型號的模擬相機(jī)，模擬的數(shù)據(jù)傳輸屏蔽線，捕捉到的圖像經(jīng)由VGA接口傳遞到觸摸屏上顯示出來[16]。前者我們選用的是維郎TZD18X，后者我們選用的是維郎HXA90D56R1X。圖 同軸光源該光源有內(nèi)部的光學(xué)鏡片經(jīng)過特殊的位置設(shè)置，使得光源的發(fā)光光路可以與相機(jī)成90176。間接的起到了棱鏡的使用效果。圖 [17]:圖 同軸光源下的密封圈 環(huán)形90度水平低角度光源維郎HXA90D56R1X如圖 :圖 該光源LED后部基板與水平面成90度，因此LED顆粒變成水平方向，光源通常為1排LED顆粒，水平照射后可以實(shí)現(xiàn)對于光滑表面的裂痕等由于凹凸造成的細(xì)微缺陷行程很好的反光效果。圖 低角度環(huán)形光源下的密封圈便是密封圈在該環(huán)形光源下的成像效果:圖 低角度環(huán)形光源下的密封圈 相機(jī)WAT902B該工業(yè)相機(jī)的特點(diǎn)就是抗噪性良好。如果圖像傳輸?shù)倪^程中參雜了過多的噪聲因素，無疑增加了識別算法的困難程度。我們選用了該相機(jī)。圖 WAT902B工業(yè)相機(jī) 本章小結(jié)本章主要交代了密封圈瑕疵檢測系統(tǒng)平臺的搭建，以及系統(tǒng)中所應(yīng)用到的各部分硬件的名稱和作用。圖像處理一般分為如下圖 圖像處理流程所示的幾個步驟[18]：圖 圖像處理流程 捕捉源圖像首先直接在相機(jī)里直接采集到的數(shù)組信息并不是灰度圖信息。在圖像處理中，顏色分量起不到太大的作用，我們可以將它去掉。對于大部分的模擬相機(jī)，單位像素是以2像素4個數(shù)字保存的，如圖 相機(jī)中圖像灰度值保存的位置所示，表示相機(jī)捕捉到的圖像的8個像素，每個像素包含的信息都是用黑色的粗框圍成的，每個2像素包含4個數(shù)據(jù)，以橫向2像素為1單位，其中藍(lán)色和綠色數(shù)據(jù)表示顏色信息，每個像素的紅色數(shù)據(jù)為灰度信息。圖 相機(jī)中圖像灰度值保存的位置 圖片預(yù)處理由于圖像在傳輸線中傳輸?shù)臅r候不可避免會出現(xiàn)干擾，所以提取出的灰度圖像要進(jìn)行濾波處理以便減小干擾。這不利于對瑕疵的識別。本系統(tǒng)用的是分角度的中值濾波法。具體算法如圖 分角度中值濾波示意圖所示，分別統(tǒng)計(jì)二維滑動窗口中綠色、藍(lán)色、灰色、紫色部分的灰度分布。窗口內(nèi)像素位置用表示，則4個一維子窗口依次表示為： 公式 ()對于每個子窗口分別進(jìn)行一維中值濾波，即對子窗口所有元素進(jìn)行排序取中值，設(shè)分別為，則最后輸出： 公式 ()則便是中心點(diǎn)的灰度值。 圖片二值化從圖 密封圈8比特BMP位圖數(shù)據(jù)中可以觀察到，密封圈表面的顏色是比周邊顏色要亮出許多的。粗略二值化時可以采用全局二值化法。如圖 密封圈二值圖所示。對于該系統(tǒng)，目標(biāo)提取實(shí)際上就是提取密封圈的圓環(huán)的過程。但是哈弗圓檢測法找圓的速度很慢，我們在哈弗圓檢測法上進(jìn)行了優(yōu)化。圖 圖像縮小過程本系統(tǒng)采用縮小16倍圖像（長寬各縮短4倍），再在縮小的圖像上進(jìn)行哈弗圓檢測法找圓，為了竟可能保留原圖的信息，縮小時先申請一個縮小圖像內(nèi)存；遍歷二值化圖片內(nèi)存，構(gòu)建一個的二維活動窗，當(dāng)窗里的灰度值為0的個數(shù)等于或超過8個時，縮小圖像相對應(yīng)的點(diǎn)的灰度值為0，反之，縮小圖像想對應(yīng)的點(diǎn)的灰度值為255。如下所示圖 二值圖縮小16倍圖像為二值化圖片內(nèi)存縮小16倍后的圖像。遍歷圖 優(yōu)化哈弗圓檢測法設(shè)外圓上的坐標(biāo)為，外圓心坐標(biāo)為，外圓半徑為，則根據(jù)圓方程可得： 公式 ()根據(jù)圓方程，我們可以構(gòu)建一個像素為的小棍，本系統(tǒng)中的值為3，在遍歷時我們可以假設(shè)每個點(diǎn)都當(dāng)做外圓心，則根據(jù)外圓的特點(diǎn)，當(dāng)滿足條件： 公式 ()為0176。每間隔15176。用類似的方法，也可以得到內(nèi)圓的圓心位置：設(shè)內(nèi)圓上的坐標(biāo)為，內(nèi)圓心坐標(biāo)為，內(nèi)圓半徑為，則根據(jù)圓方程可得： 公式 ()根據(jù)圓方程，我們同樣也可以構(gòu)建一個像素值為3的小棍，在遍歷時我們可以假設(shè)每個點(diǎn)都當(dāng)做內(nèi)圓心，則根據(jù)內(nèi)圓的特點(diǎn)，當(dāng)滿足條件： 公式 ()為0176。每間隔15176。 密封圈表面提取在二值圖中確定內(nèi)圓心與外圓心的位置后便可以根據(jù)學(xué)習(xí)中輸入的外半徑和內(nèi)半徑的長短，進(jìn)行動態(tài)計(jì)算，取出最合適的內(nèi)半徑與外半徑的值，進(jìn)行匹配。則根據(jù)圓方程可得： 公式 ()根據(jù)學(xué)習(xí)時輸入的外半徑，我們可以構(gòu)建一個像素為的動態(tài)小棍，本系統(tǒng)中的動態(tài)取值為從10取到+10，則在遍歷時我們可以得到動態(tài)外半徑，其中： 公式 ()根據(jù)圖像信息，我們同樣以類似圖 優(yōu)化哈弗的方法，統(tǒng)計(jì)在該半徑下外圓圖像實(shí)際的匹配程度。到360176。取值，即每個動態(tài)外半徑都要遍歷24個方向上的點(diǎn)，設(shè)定點(diǎn)統(tǒng)計(jì)變量當(dāng)滿足 公式 (，該動態(tài)外半徑所對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)變量加1。同理可求得自適應(yīng)的內(nèi)半徑，方法如下：設(shè)內(nèi)圓真正最合適的內(nèi)半徑值為，在學(xué)習(xí)時輸入的內(nèi)半徑值為，從上文中可知，設(shè)內(nèi)圓上的坐標(biāo)為，且已求得內(nèi)圓心坐標(biāo)為。到360176。取值，即每個動態(tài)內(nèi)半徑都要遍歷24個方向上的點(diǎn)，設(shè)定點(diǎn)統(tǒng)計(jì)變量當(dāng)滿足 公式 (，該動態(tài)內(nèi)半徑所對應(yīng)的統(tǒng)計(jì)變量加1。確定圓心的內(nèi)外徑后，就可以提取出目標(biāo)圓環(huán)，利用公式遍歷圖像，將不滿足的像素賦值為0，公式如下： 公式 ()可以得到密封圈目標(biāo)圓環(huán)的二值化圖像如圖 密封圈目標(biāo)捕捉所示。首先將灰度圖與二值圖進(jìn)行與運(yùn)算，就去掉了灰度圖上的所有背景無關(guān)項(xiàng)。OTSU法二值化是由日本學(xué)者大津提出的一種自適應(yīng)閾值確定方法，其原理是統(tǒng)計(jì)出圖片內(nèi)的灰度直方圖，根據(jù)直方圖的波谷位置分布來確定合適的閾值。但由于在密封圈表面圖像上瑕疵相對于背景像素所占的比例非常小，所以O(shè)TSU在計(jì)算閾值的過程中，瑕疵元素影響很小?？梢跃幊汤L制灰度直方圖，來描述圖像中灰度值所對應(yīng)的像素個數(shù)，其橫坐標(biāo)表示像素的灰度級別，縱坐標(biāo)表示該灰度出現(xiàn)的像素個數(shù)，通過人工觀察輸入閾值的方法，來實(shí)現(xiàn)閾值分割圖像的目的。紅線所示位置所對應(yīng)的圖像亮度值便是OTSU法計(jì)算出的閾值。遍歷圖片內(nèi)存?？蓪⒃擖c(diǎn)的灰度值賦值為0。公式如下： 公式 ()最終從得到的新二值圖像內(nèi)存數(shù)組命名為。圖 OTSU二值圖可以在上圖中看出，瑕疵的信息因?yàn)榫植慷祷年P(guān)系而被很好的保留了下來。為了要提取出這些信息，可以用區(qū)域生長法來完成[23]。就是對一個點(diǎn)的上，左上，右上，左，右，下，左下，右下一共8個方向進(jìn)行遍歷掃描，如果在該遍歷方向上也存在與當(dāng)前遍歷點(diǎn)的像素值相同的點(diǎn)時，就將該2個點(diǎn)看做都是屬于同一個瑕疵上的像素點(diǎn)。而用8連通法提取狹長縫隙的信息時就很有可能就會造成縫的“斷裂”。為了避免這一現(xiàn)象，我們將區(qū)域生長法做了如下改進(jìn)：首先定義下瑕疵的結(jié)構(gòu)體數(shù)組用來保