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                    嵌入式處理器的圖像劃痕檢測系統設計

                    添加時間:2018/07/25 來源:科技經濟導刊 作者:顧橋磊 宋宇飛 孟祥興
                    為了更好地實現工業自動化的目的, 本設計根據實際的工業檢測需求, 給出了一種基于最經典的嵌入式處理器實現圖像劃痕檢測的方案, 該方案使用網口傳輸, 網口傳輸速率滿足實時傳輸圖像的需求, 因此能很好地實現傳感器與人機交互界面互聯。
                      以下為本篇論文正文:

                      摘要:如今, 工業自動化已在國內外引起非常大的關注, 人們對生產效率以及質量的要求越來越高;诖, 現給出一種以嵌入式芯片為核心, 配合攝像頭、網絡接口等外設搭建基于嵌入式的圖像采集傳輸系統。從嵌入式微處理器的網絡傳輸和圖像處理進行論述, 總結實際設計中的經驗和高效的設計方法, 并對未來工業自動化檢測系統給出進一步展望, 構建出小型物聯網機器視覺系統的雛形。

                      關鍵詞:嵌入式; 圖像采集; 圖像處理; 圖像傳輸;

                      本系統的研發主要是基于用機器代替人工進行檢測符合當前社會發展的趨勢, 能有效地解決用工荒、成本高等問題的基礎上。為了更好地實現工業自動化的目的, 本設計根據實際的工業檢測需求, 給出了一種基于最經典的嵌入式處理器實現圖像劃痕檢測的方案, 該方案使用網口傳輸, 網口傳輸速率滿足實時傳輸圖像的需求, 因此能很好地實現傳感器與人機交互界面互聯。

                      1、系統架構

                      本設計主要是基于當前較為前沿的嵌入式ARM Cortex-M4系列芯片, 從工業對零件劃痕檢測的實際需求出發, 構建了較為完整工業圖像檢測系統。此系統包含采集、傳輸和處理三大子系統。圖像采集系統基于嵌入式STM32F4的自制PCB, 利用攝像頭在合適的光照背景條件下采集JPEG格式的圖像。圖像傳輸系統將嵌入式端數據傳輸至基于Qt的上位機, 主要傳輸方式為以太網通信, 輔助傳輸方式為串口通信。圖像處理系統利用了PC機強大的處理性能, 采用Open CV算法實現劃痕識別, 并檢測出劃痕長度。

                      2、系統設計

                      2.1、攝像頭采集模塊

                      在本系統中, 使用STM32F407ZGT6的DCMI接口連接OV5640攝像頭模塊, 該模塊采用8位數據輸出接口, 自帶24M有源晶振, 無需外部提供時鐘, 模組支持自動對焦功能, 且支持閃光燈, 整個模塊只需提供3.3V供電即可正常使用。該攝像頭模塊通過SCCB總線, 編程實現了圖像輸出分辨率的額配置、閃光燈的開關、自動對焦、調節色彩飽和度、亮度設置、設置自動銳度、啟動持續對焦等功能。同時加入DMA的雙緩沖機制, DMA雙緩沖的原理是嵌入式首先接收來自攝像頭的JPEG數據流, 在內存1中存儲, 當內存1存滿, 自動切換到內存2, 同時程序讀內存1的數據到外部SDRAM;當內存2存滿, 又切回內存1, 這時候程序讀內存的數據到外部SDRAM。發生中斷時, 暫時結束圖像數據采集, 迅速讀取未被讀取的數據到外部的SDRAM。這樣就完成了一次JPEG圖像數據的采集。

                      2.2、圖像處理模塊

                      本次上位機采用Qt 5.7 (Min GW 5.3版) 聯合Open CV設計。上位機的功能是連接下位機并接收嵌入式端的圖片數據, 利用Open CV提供的find Contours算法尋找圖片中的輪廓, 對圖片進行處理后顯示結果。界面設計基于Qt的Main Window類。在此基礎上設計了菜單欄, 進行了窗的設計與布局, 最終利用Qt的布局管理器實現了界面設計。本上位機主要實現的功能有:接收下位機傳輸的數據并提取, 實時顯示攝像頭傳過來的圖片, 顯示上位機和下位機的連接狀態和時間, 對圖片進行處理并得出劃痕的有無和長度, 打開PC機原有圖片進行處理, 保存處理前圖片和處理后圖片等。

                      3、測試結果與分析

                      本系統的測試用紙箱構建了一個背景純黑的環境以便防止外界光線干擾, 然后通過在白紙上用記號筆畫上一道線來模擬物品上的劃痕。我們測試時首先通過網口連上嵌入式終端, 連接上以后一段時間攝像頭區域會顯示實時拍攝到的圖像, 當我們按下下方的拍照鍵時, 即可在圖片區域看到此刻拍到的圖片, 然后按下檢測按鍵就可以在處理結果的地方看到物品的清晰輪廓和明顯的劃痕, 上位機下方可以顯示劃痕的實際長度。當我們對劃痕用尺子測量后, 還可以通過輸入上位機下方空格處的偏移量來校準劃痕長度檢測的誤差, 下方的最小劃痕還可以用來消除不必要的噪聲。經過多次試驗本系統的測量誤差滿足實際工業自動化檢測的要求, 并且網絡通信速率符合實時監測的要求, 能夠較準確地判斷誤差的長度。

                      4、結語

                      該系統中的嵌入式端作為工業生產的物聯網中一個最簡單的節點, 考慮到了現代工業生產自動化的實際需求, 將圖像檢測與無線數字通信系統強大的功能結合。但是此系統還不是終結, 今后的設計過程中, 可以采用多節點的方式將各個嵌入式端與PC機端進行互聯。并且在通信方式上也有多種選擇:一種是采用路由器接多根網線的方式, 另一種采用生活中常用的Wi-Fi方式。利用主機控制下位機的基本手段, 形成一個基于工業互聯網的工廠零件物流控制系統, 最終實現一個小型完善的工業物聯網優化系統。

                      參考文獻
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                      [2]莊嚴, 王驍.嵌入式C/C++系統工程師實訓教程[M].北京:清華大學出版社, 2011.
                      [3]陸文周.Qt5開發及實例 (第2版) [M]北京:電子工業出版社, 2015.
                      [4]毛星云.Open CV3編程入門[M].北京:電子工業出版社, 2015.
                      [5]岡薩雷斯, 伍茲.阮秋琦譯.數字圖像處理 (第3版) [M].北京:電子工業出版社, 2011.

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