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摘要：提出了一種無需編程的新型機器視覺系統，該系統針對市場上現有視覺系統使用難度大、對工程師技術要求高等問題，基于嵌入式系統的穩定性、便攜性，配合工具可配置的軟件開發框架設計了一款小巧且功能豐富的標準視覺產品。該產品已經投入市場，可應用于目標檢測、定位引導、測量等多種場景，取得了良好的市場反饋。本文將給出該系統的詳細硬件框架以及軟件設計思路。
關鍵詞：嵌入式系統；DSP；機器視覺；智能相機
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概述
機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷，其可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設計信息以及及加工控制信息集成，因此，在現代自動化生產過程中，人們將機器視覺系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質量控制等領域[ 朱正德. 機器視覺：質量監控的第三只眼——機器視覺在發動機廠裝配線上的應用[C]., 2010: 56-58.]。由于其具有高精度、非接觸、穩定等特點，在國內外工業領域得到了廣泛的應用，大大提高了產品質量和生產線的自動化程度[ 段峰, 王耀南, 雷曉峰, et al. 機器視覺技術及其應用綜述[C]., 2002, 19(3): 59-61.]。
總體而言，國內在機器視覺產品研究開發上與國外相比還有一定差距，目前國內在機器視覺產品研究開發水平上仍處于一個比較低水平[ 劉曙光, 劉明遠. 機器視覺及其應用[C]., 2000, 21(4): 11-15.]。普遍采用的是國外產品。目前應用主要集中在檢測、定位、運動控制、機器人等幾個領域。而在近2年，在運動控制、生產流水線、診斷、測試、數控設備等幾個領域對于機器視覺的應用需求增長最為迅速。對于機器視覺軟件的研究也正進一步深入。隨著行業應用越來越多，要求越來越高，目前市場上的機器視覺系統已經較難滿足行業需求，普遍存在開發難、使用難、銷售難等弊端。這些缺點主要表現在系統的標準化程度不夠高，針對每一個客戶都需要投入大量開發人力，且開發出的系統復用性弱，用戶體驗不好，后期維護難度大、成本高。因此開發出一款無需編程，配置簡單，提供軟硬件配置且銷售簡單的機器視覺系統十分必要。
本文介紹一種無需編程的新型機器視覺系統，針對上述市場現狀，其有以下優點：1、可配置的，無需編程，達到像家用電器一樣簡單易用；2、提供一種通用的應用平臺，包含眾多的單元機器視覺工具；3、不是基于某種智能相機或通用視覺系統開發的應用系統，它集底層開發和應用開發于一身；4、進行了垂直整合，把核心系統與應用工藝進行了整合；5、模塊化，為設備制造商、最終用戶后裝提供配套；6、系統銷售模式簡單化；7、系統成本結構進行優化，是具有明顯價格優勢的產品。下面從硬件、軟件兩個方面介紹該系統的詳細設計思路。
1 硬件框架
該系統基于圖像分析技術對設備作業過程進行監視、測量，采用特征提取、模板比對的方式，將現場實時采集到的圖像與正常工況的標準圖像進行比較，實現捕捉異常、分析判斷、報警停機的功能。標準的模板是基于對正常工況下的影像進行分析，提取特征，比對時只是對模板的特征（組合）與現場實時圖像中相應的特征進行比較，借以判斷是否有異常發生。這種監測方法并不能取代自動設備所具備的自診斷功能，但對防止作業過程走偏 ，防止次品的產出，甚至設備遭受破壞等具有良好的效果。產品由以下幾個主要部分構成：
1.基于DSP/ARM的核心處理器
2.光學鏡頭、圖像傳感器、前端處理及接口（即攝像機部分）
3.FPGA充當圖像處理的加速器和外設接口邏輯
4.GPIO和串行通訊
5.以太網通訊
圖1 系統硬件框架
如圖1所示，其中DSP/ARM處理器采用TI OMAP4460 CPU[ 陳曉霜, 吳蒙. 基于OMAP遠程視頻監控系統的研究與實現[C]., 2015, 25(4): 177-180.]，其ARM Cortex－A9主頻達到1.8GHz，內置DSP，這比迄今為止大多數的智能相機硬件平臺性能水平都高；相機分辨率以1280x1024為主，同時也支持5百萬象素或以上的相機；儲存器支持NOR FLASH和NAND FLASH，同時可以擴展SD卡；FPGA作為外設的邏輯擴展設備，主要由兩個作用：負責圖像數據的緩沖和預處理，再送往DSP處理器進行對應的算法處理；通訊方面支持以太網和串口，可以方便和機械手、PLC等設備連接；I/O設置上配備GPIO（通用輸入輸出），連接現場發送過來的觸發信號（輸入，觸發拍照），和發送到設備的控制信號（輸出）。
此外，該系統可提供兩種形式的產品：
視覺平板。具備視覺應用所需各種功能接口的硬件平臺，其特點如下： LCD顯示器及觸摸屏功能（大屏幕）；內置高性能的處理器（ARM架構）；相機接入；I/O接口：RS-232, USB, 10/100/1000 Ethernet；網絡通信功能：WiFi；加密保護。
圖2 視覺平板Vpad
智能相機。具備如下特點：小巧: 體積小、重量輕, 工業等級產品；板上相機；I/O：GPIO； 網絡連接：Ethernet, WiFi；加密保護等。如圖3所示。
圖3 智能相機VDSR
2 軟件技術
系統中的ARM處理器主要負責資源管理、邏輯控制，搭載Angstrom Linux系統，并集成機器視覺所需功能模塊的驅動。系統軟件開發的具體內容包括：USB攝像頭、GPIO、液晶觸摸屏、RS-232等的驅動實現，Angstrom Linux系統的移植。Angstrom Linux是一種運行與嵌入式平臺的發行版桌面系統，里面集成了大部分系統工具和庫文件，包括軟件開發和算法開發用到的QT和opencv[ 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的機器視覺圖像處理技術實現[C]., 2010: 54-57.]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品中應用。底層模塊的驅動程序則通過linux官方內核中修改移植實現。
應用層軟件開發基于Ubuntu系統，采用QT進行軟件的界面設計和邏輯設計。Ubuntu是一款基于linux的免費開源桌面PC操作系統，其可以方便地配置和嵌入式平臺上類似的環境，如QT和opencv。該系統的軟件設計目標是無需編程、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集成化的軟件平臺vdStudio中，包括定位、測量、檢測、標定等常用工具。結合圖形化用戶界面，用戶可以輕松選擇和配置每一個工具，且界面都基于用戶習慣而設計，簡單易學易用。此外，系統支持脫機運行，實現一次配置，永久運行。如圖4所示。
圖4 用戶圖像界面
3 算法研究
算法是機器視覺系統的核心，相對于系統其他部分，算法對視覺功能貢獻最大、最關鍵。從市場份額上看，以核心軟件算法為基礎的標準機器視覺系統銷售量幾乎占到整個機器視覺行業的一半，可見算法和軟件的重要性。如果算法不好，視覺功能就沒法實現，或者雖能實現功能，但性能上不具有競爭力。算法本來很不錯，但軟件編制得不好也會直接影響視覺系統功能優化及性能指標。算法及軟件系統是一個以標準系統為產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，也是決定本項目成敗的關鍵因素之一。除了自己在一些細分領域中研發自己的算法外，通過合作及分成模式，我們能將國際上優秀的軟件和算法找來為己所用也是提升產品的重要路徑。
該系統軟件設計上采用了多種優秀的設計模式，使得在具體使用的時候可以靈活選擇何種算法。其中有自主研發的VD300 SDK（軟件開發包），包括CG算法、基面矯正、圖像拼接、掃描控制等算法函數庫；基于opencv開發的算法SDK，包括模板匹配、測量、blob檢測等工具；通用的機器視覺函數庫IPT（Image Processing Toolset)等。
4 結束語
該系統可以直接使用的視覺電器，不需要經過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，沒有技術集成環節，節省的成本還可以讓利給用戶，降低產品售價。用戶獲得的是所需的功能，不需要了解過多的技術細節，銷售時只要找準目標用戶，說明產品的功能，盯住競爭優勢，普通銷售業務員無需太強的技術背景都能勝任。
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