嵌入式表面深度检测的研究与实现

王志强，余桂英，裘 越，，叶怀储

(1．中国计量学院计量测试工程学院，浙江杭州 310018；2．浙江省计量科学研究院，浙江杭州 310013)

0 引言

表面深度包括划痕、裂缝、刻痕、花纹、表面粗糙度等等，直接影响零件本身及配备该零件设备的使用寿命，有时会限制设备性能的发挥，甚至给安全使用带来极大的隐患[1-2]。能够在生产现场检测表面的深度，对产品质量的评定，及时调整加工工艺是非常重要的。

传统的表面深度检测方法包括触针法、白光干涉法、激光三角法以及光切法[3-6]等，多为人工测量。当前的研究多将传统方法结合机器视觉和计算机技术，实现数字化的检测[7-12]，但所开发装置通常体积较庞大，携带不便，且未考虑多检测点组网检测，以及回馈检测结果用于生产现场实时改进产品质量。

基于上述问题，故将嵌入式技术应用于深度检测，研究小型化的表面深度检测装置，以铅块刻痕为检测对象验证实际检测情况，并引入网络技术反馈检测结果，可以实现废品情况的实时掌控，同时还可以通过网络汇总检测结果至上位终端，避免了嵌入式存储小的缺点，更有利于实际生产现场的应用。

1 总体设计

系统的深度测量原理为光切原理，如图1所示，光源c发射一字线形光带，被平面a和平面b反射，由于a、b存在高低差，一字形光带被截断成两条平行光带，经组合透镜d被图像传感器e所接收，形成有阶梯差的图像，D为图像传感器上的阶梯差像素距离，可通过对D的测量得到深度值。

(a)

(b)

系统组成如图2所示，主要包括嵌入式检测仪器和上位机两部分。嵌入式检测仪器能够脱离上位机单独完成深度信息的采集和对信息的处理、检测；上位机部分通过网络与嵌入式检测仪器相连接，能够实时收集汇总嵌入式部分所得深度图像信息和测量结果，并可以同步远程监控检测仪器工作。由于引入网络技术，可以将多个深度检测仪器构成嵌入式深度检测网络，每个检测仪器针对一条流水线或一个检测点，实现生产车间多流水线监控。

图2 系统总体构成

嵌入式检测仪器由图像采集模块、图像处理模块以及网络模块构成，主要完成表面深度的图像采集、测量以及相关信息的上传。系统采用OK6410开发板搭建嵌入式平台，开发板采用ARM11S3C6410作为核心处理器，可以稳定运行在667 MHz以上，考虑设计和使用的方便，图像采集模块不使用开发板固化的CMOS接口摄像头，选用能够即插即用的通用USB摄像头。另外开发板带有100 M网口和无线wifi接口，完全满足系统各功能的需求。上位机部分安装Linux系统，在Linux环境下完成应用软件的开发。

2 功能设计与实现

Linux具有开源、内核精简、可应用于多种硬件平台的优点，故选择嵌入式Linux作为检测仪器的操作平台，另外由于嵌入式设备的资源有限，不适合安装编译器，需要首先在宿主PC机上搭建交叉编译环境，系统的开发选择CentOS5．6作为宿主机的软件平台，安装arm-linux-gcc-4．3．3交叉编译器。

嵌入式仪器部分是通过图像采集系统获得图像，并设计应用软件实现图像处理、检测。为能满足工业现场检测的要求，软件设计需考虑功能完善性、实时性、可靠性以及可扩展性，软件运行流程如图3所示，首先将USB摄像头所得视频显示在LCD显示屏上，抓拍得到深度图像，保存在嵌入式所配备的SD存储卡中，同时将图像上传至上位机，并删除SD卡中原保存的上一张图像，可以不占用嵌入式系统有限的存储，图像显示功能既可以显示本地的图片，也可以显示上位机下载的图片，最后通过图像处理和深度检测算法可得到表面深度的信息，所有功能均可通过触摸屏和网络进行控制。

图3 软件运行流程图

2．1嵌入式操控初始化设计

系统选用触摸屏的控制方式，选择4．3寸的LCD触摸液晶屏，既可以实现视频、图像及界面的显示，又可以通过触摸屏与软件进行交互。在Linux系统中触摸屏和显示屏均属于字符设备，常常被看作特殊的文件进行访问、读写，触摸屏即为/dev/input/event1文件，显示屏为/dev/fb0文件，初始化流程如图4所示，分别为触摸屏通过tslib提供的库函数编写相应的程序，检测是否有功能区域被触摸，界面的显示通过FrameBuffer提供的通用API接口实现，并应用Photoshop绘制界面图片，图片保存为JPEG格式，通过libjpeg库函数所提供的API接口实现其解压缩，所得数据拷贝至/dev/fb0显示。

图4 嵌入式深度测量软件初始化流程

2．2视频显示

视频的显示需调用图像采集模块和显示模块，即USB摄像头和LCD显示屏来完成，USB摄像头属于字符设备，文件名为/dev/video0，Linux系统利用V4L2(video for linux2)提供的应用程序接口对USB进行控制操作和读写，视频采集到的每一帧图像均为JPEG格式，通过系统配置的libjpeg库将每一帧数据拷贝到FrameBuffer显存中，所选的JPEG格式占空间小，视频显示流畅。视频采集结果如图5所示，采集图像为标准块构造的阶梯高度差。

图5 视频采集结果

图6 图像处理结果显示

2．3图像处理

如图5所示，深度检测需要将代表深度值的亮带条纹从背景中分离，故需要经过图像灰度化、阈值分割二值化以及去噪滤波等步骤，对图5处理的最终结果如图6所示。由于所配置LCD屏的分辨率为480×272，故只能分出320×240的区域用于显示图片，对于较大的图片需要缩放显示，但是会因为像素距离的改变，引入系统误差，为解决这个问题，对图像处理的设计思想是映射双显存，即将图片映射两次，分别为原始图像和压缩后图像，原始图像不显示，但每次处理都针对原始图像所映射的内存，然后将处理后图像重新映射为压缩后图像，并显示，程序设计流程如图7所示。

图7 映射双显存程序设计流程

2．4深度检测

为避免引入由于分辨率不同而引起的系统误差，深度检测亦采用映射双显存的方式，系统深度测量所采用的测量原理为光切原理，程序的实现包括参数标定和参数检测两部分，其中标定即为建立所得图像像素坐标位置与实际物体深度信息的映射关系，可以通过如图6所示的构造阶梯高度差实现，标定程序设计流程为，首先利用最小二乘法将条纹拟合为直线，然后计算两条纹的像素距离，最后根据实际尺寸建立与像素距离的映射关系。以图8所示的铅块刻痕为实际被测对象，深度检测图像如图9所示，与标定程序不同的是，利用最小二乘法将左右两条纹拟合为一条直线，然后找寻下方亮点的质心，计算质心点与直线的像素距离，结合拟合结果即可得到深度参数，并将结果传输至上位机汇总保存，如图10所示。运用该方法对铅块刻痕进行测量，标定采用标准量块构造的阶梯差，修正高度为997 μm，应用OGP光学影像仪测量铅块刻痕结果为0．92 mm，开发系统的检测结果为0．88 mm，能够实现测量的功能，测量精度有待提高。

图8 被测铅块实物图

图9 深度检测图像

2．5上位机设计

系统的检测功能已通过嵌入式检测仪器部分完成，上位机担任“管理者”的职位，通过TCP/IP协议栈实现上位机与嵌入式检测仪之间的通信，能够实时反馈生产中的废品情况，便于生产中心掌控生产情况，同时系统利用上位机保存检测图片和检测结果，避免了嵌入式本身存储空间小的问题，应用网络技术后续还可以将检测仪器布置在各个检测点，一台上位机对应一个或多个嵌入式检测仪器，对其统筹监控。在系统设计中，上位机通过命令行模式进行远程控制，其界面如图10所示，后续将应用QT工具等UI工具开发图形用户界面。

图10 上位机命令行界面

3 结束语

所设计系统包括嵌入式检测和上位机监控两部分，整个检测系统具有如下特性：(1)应用映射双显存的方式，既可以保证图片的流畅显示，又避免了分辨率压缩后引入的系统误差；(2)应用TCP/IP协议栈组建检测网络，能够实时反馈生产中的废品情况，并且便于实现统筹监控；(3)利用上位机保存检测图片和检测结果，避免了嵌入式本身存储空间小的问题。经过试验验证，系统的功能都已实现，后续将进行界面等扩展功能的完善和测量精度的提高。

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作者简介：王志强(1986—)，硕士研究生，研究方向为表面深度检测技术，嵌入式检测技术。E-mail：wzqtiger@126．com

余桂英(1965—)，教授，硕士生导师，从事光学和精密测量研究。E-mail：guiying-yu@cjlu．edu．cn