基于OpenCV和嵌入式的工業(yè)圖像檢測系統(tǒng)

引 言

當(dāng)下，用機(jī)器代替人工，用科技代替勞動力已成為勢不可擋的潮流。為提高工業(yè)自動化檢測系統(tǒng)的檢測效果，降低工廠雇傭工件檢測員的開銷，本文開展了基于 OpenCV 的嵌入式工業(yè)檢測系統(tǒng)的研究。本文提出了一種基于 OpenCV，利用嵌入式微處理器進(jìn)行圖像采集與傳輸實(shí)現(xiàn)工件劃痕檢測的方案。該方案使用最新的 OpenCV 開源庫， 開發(fā)出基于OpenCV 的圖像處理軟件，并利用網(wǎng)口向圖像處理軟件傳輸數(shù)據(jù)。符合系統(tǒng)構(gòu)建簡單、工作穩(wěn)定、可擴(kuò)展性強(qiáng)、檢測精度高等工業(yè)自動化檢測目標(biāo)。

1 系統(tǒng)整體概述

該系統(tǒng)由圖像采集嵌入式設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備和處理圖像的計(jì)算機(jī)設(shè)備組成。嵌入式設(shè)備具有生產(chǎn)成本低、處理效率高、耗電低等優(yōu)點(diǎn)，符合工業(yè)生產(chǎn)需求 ；圖像傳輸主要采用以太網(wǎng)并輔以 RS232串口通信的方式，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時高效、可靠性高的圖像傳輸功能；圖像處理軟件采用最新的 OpenCV 計(jì)算機(jī)視覺開源庫，將 Qt 開源庫與其巧妙融合，提高了圖像處理的速度和精度。最后將處理結(jié)果傳送到云服務(wù)器，完成系統(tǒng)架構(gòu)。系統(tǒng)組成框圖如圖 1所示。

                                                                                                                                                     圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 圖像采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)主要使用當(dāng)前較為前沿的嵌入式 ARM Cortex-M4 系列芯片，使用 STM32F407ZGT6 的DCMI 接口連接 OV5640 攝像頭模塊，從工業(yè)對零件劃痕檢測的實(shí)際需求出發(fā)，構(gòu)建較為完整的工業(yè)圖像采集傳輸系統(tǒng)。此圖像采集傳輸系統(tǒng)包含攝像頭采集模塊和以太網(wǎng)傳輸模塊。圖像采集傳輸系統(tǒng)基于嵌入式 STM32F407ZGT6 的自制高度電磁兼容和信號完整性，使用OV5640 攝像頭模塊在合適的環(huán)境下采集 JPEG 格式的圖像。圖像傳輸系統(tǒng)將圖像采集模塊采集到的圖片傳輸至基于 OpenCV 圖像邊緣檢測的上位機(jī)。以以太網(wǎng)通信為主， 串口通信為輔，方便快捷地進(jìn)行圖像傳輸。

2.1 攝像頭采集模塊

本系統(tǒng)中，該攝像頭模塊采用 8 位數(shù)據(jù)輸出接口，其自帶 24MHz有源晶振， 無需外部提供時鐘， 整個模塊只需3.3 V供電即可正常使用，且該模塊支持自動對焦和閃光燈功能。電壓攝像頭模塊通過 SCCB總線實(shí)現(xiàn)圖像輸出分辨率的額配置、閃光燈的開關(guān)、自動對焦、調(diào)節(jié)色彩飽和度、亮度設(shè)置、設(shè)置自動銳度、啟動持續(xù)對焦等功能。直接輸出壓縮后的JPEG圖片數(shù)據(jù)。輸出 JPEG格式的圖片源源不斷地傳入 DMA 中，可利用 JPEG 格式提取提取圖片?？刹扇∪缦聝煞N方式 ：

(1) 嵌入式端提取好單張圖片并發(fā)給上位機(jī) ；

(2) 嵌入式端不斷發(fā)送圖片數(shù)據(jù)流給上位機(jī)，讓上位機(jī)提取。

實(shí)際上，方式（1）在嵌入式端提取了圖片，再按單張發(fā)給上位機(jī)，且為了圖片的數(shù)據(jù)安全有效，上位機(jī)需再次提取， 導(dǎo)致嵌入式端的提取多此一舉。因此，本設(shè)計(jì)采用第二種方案。

2.2 以太網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)除了使用 IEEE 802.3-2002 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)外設(shè)，還采用 μC/OS-III 配合 LWIP 的設(shè)計(jì)，便于各類任務(wù)高效有序運(yùn)行。其中，LWIP 是一種輕量級TCP/IP 協(xié)議棧，可不依賴操作系統(tǒng)運(yùn)行，特別是能夠在保持 TCP 協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對 RAM 的使用，節(jié)約了資源，尤其適用于嵌入式終端。μC/OS-III 是一個可裁剪、可固化、可剝奪的多任務(wù)系統(tǒng)，無任務(wù)數(shù)目限制，是在 μC/OS-II上改進(jìn)的μC/OS 第三代內(nèi)核，其中斷時間極短，不僅解決了同時等待多個內(nèi)核對象的同步問題，且加入了時間戳控制，大大提升了ARM 處理器的運(yùn)算速度。為提升網(wǎng)絡(luò)傳輸速度與時延，更好地滿足實(shí)時性的要求，本設(shè)計(jì)最終選樣在 μC/OS-III上運(yùn)行 LWIP 協(xié)議棧的設(shè)計(jì)方案。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng) μC/OS 任務(wù)包括網(wǎng)絡(luò)傳輸任務(wù)、LWIP 連接任務(wù)、按鍵檢測任務(wù)、LCD 顯示任務(wù)、LED 閃爍任務(wù)和開始任務(wù)等，使用操作系統(tǒng)節(jié)省了系統(tǒng)資源，降低了功耗，更有利于嵌入式設(shè)備的持久運(yùn)行。緩沖區(qū)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D 2 所示。

                                                                                                                                          圖 2 緩沖區(qū)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒?

3 圖像輪廓檢測處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本次上位機(jī)采用QT5.7（MinGW5.3版）設(shè)計(jì)，并利用OpenCV計(jì)算機(jī)視覺庫作為圖像處理方案。通過在 Qt軟件框架下調(diào)用OpenCV函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn) PC端圖像邊緣檢測。本系統(tǒng)通過使用OpenCV3“內(nèi)核”與“插件”相結(jié)合的架構(gòu)形式， 大大提高了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文中設(shè)計(jì)的圖像檢測算法涉及邊緣檢測、尋找輪廓和圖像的矩等內(nèi)容。Canny邊緣檢測算子是一種最優(yōu)的邊緣檢測算法，在實(shí)際編程中直接調(diào)用 Canny 函數(shù)即可。本系統(tǒng)采用變分法，滿足了低錯誤率、高定位性、最小響應(yīng)三大標(biāo)準(zhǔn)，并使用OpenCV庫提供的findContours 函數(shù)在二值圖像中尋找輪廓。最終界面設(shè)計(jì)如圖 3所示。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器代替人工檢測工件劃痕的功能，可作為工業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的一個節(jié)點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)代工業(yè)自動化的實(shí)際需求，將圖像檢測技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)巧妙結(jié)合，大大降低工業(yè)生產(chǎn)的檢測環(huán)節(jié)人力使用成本，并提出了一種全新的工業(yè)生產(chǎn)自動化產(chǎn)品檢測環(huán)節(jié)的解決方案，提高了產(chǎn)品檢測的精度與速度。在未來的工業(yè)生產(chǎn)自動化過程中，可采用選擇路由器網(wǎng)線傳輸或 WiFi 傳輸?shù)确绞?，搭建物?lián)網(wǎng)多節(jié)點(diǎn)檢測系統(tǒng)， 利用主機(jī)總控機(jī)制，建立一個大型的基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和圖像檢測技術(shù)的工件檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正的工業(yè)生產(chǎn)自動化。

圖 3 最終界面設(shè)計(jì)