基于LabVIEW的流水线产品外观检测技术研究

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(中原工学院，郑州 450007)

图像测试系统一般由图像获取与采集、图像分析与处理、结果输出与显示3部分组成。图像的获取与采集是图像数据分析与处理的前提。在LabVIEW系统中，对图像数据的获取与采集主要由以计算机为核心的硬件平台来完成。在计算机硬件平台的基础上，编写测试软件用于完成流水线产品外观检测任务，便构成了流水线产品外观检测的虚拟仪器[1]。

以往的流水线产品外观检测方法都没能很好地解决系统自动化图像采集与产品到达预定位置进行产品外观检测相结合的问题，为此，本文对流水线产品外观检测技术进行分析探讨。

1 硬件电路设计

图1是对流水线产品到达预定位置进行检测的硬件电路设计部分框图。系统的元件组成如表1所示。

图1 产品检测硬件电路设计部分框图

表1 位置检测系统组成

2 单片机程序设计

单片机的控制流程如图2所示。电路板电源开启时，光电传感器持续检测流水线预定位置是否有产品通过，当有产品到达指定位置时，发送图像采集命令字符给上位机，继电器控制的图像采集指示灯发亮。之后，等待接收上位机图像处理后的产品是否合格的信号。如果接收到的是产品合格信号，则进入流水线下一个产品的检测；若接收到的是产品不合格信号，则报警灯闪烁,进行报警并等待人工复位或者停止。若人工复位，则进入下一个流水线产品的检测，否则程序停止。

3 图像处理的具体实现

3.1 LabVIEW与单片机的通讯

该步骤主要是等待单片机发送图像采集的命令字符，当单片机发送图像采集的命令字符时，LabVIEW编写的图像采集系统就开始采集图像数据，并进行后续处理。

LabVIEW与单片机通讯的程序代码如图3所示。“VISA配置串口”主要配置VISA资源名称(串口号)、波特率、数据比特、奇偶校验码等[2-4]。它是LabVIEW与单片机通讯的关键配置[5]。“VISA打开”和“VISA关闭”是VISA通讯的常规性配置，在此不再作进一步介绍。

从图3可以看出，整个LabVIEW程序是用“生产者/消费者”架构进行编程的。“生产者”主要进行的是LabVIEW与单片机通讯，并将“VISA读取”中读出的由单片机发送来的图像采集的命令字符添加到“入队列”中；“消费者”主要进行的是图像采集和处理的任务。

图2 单片机的控制流程图

图3 LabVIEW与单片机通讯的程序代码

3.2 图像采集

流水线产品图像采集的部分代码如图4所示。在消费者循环中，首先判断“队列输出”的字符是不是控制图像采集的命令字符“1”，如果是的话，则进入图像采集和处理的程序。图4所示的图像采集程序只采集一张产品的图像，这张图像将作为后续图像匹配的产品图像模板。因此，在流水线产品外观检测时，第一个检测的产品必须是合格产品。

图4 图像采集的部分程序代码

3.3 图像模式匹配

3.3.1 图像模式匹配技术的数学思想

流水线产品的形状规则，大小一致，本文利用模式匹配技术可方便地实现产品外观检测。模式匹配技术的数学思想是互相关运算。模式匹配技术用来在图像f(x,y)中寻找匹配的子图像w(x,y)。f(x,y)和w(x,y)的相关是：

c(i,j)=∑s∑tw(s,t)f(x+i,t+j)

(1)

当i和j变化时，w在图像区中移动，得到函数c(i,j)，其最大值就是最好的匹配子图像。

为克服式(1)给出的相关函数中f和w的幅值变化过于敏感和图像噪声大等缺点，匹配过程使用相关系数归一化[6]：

(2)

3.3.2 图像匹配模式的模板学习

NI公司开发的IMAQ图像处理工具包完美地解决了图像匹配的问题，并能够实现数学形态学处理方法。LabVIEW中的“模式匹配”模块只需选中原图像的匹配区域作为模板进行学习，就可以通过编程实现新图像的模板匹配,并得到匹配的信息，如匹配的区域坐标、匹配程度等[7]。图像匹配模式的模板学习的部分程序代码如图5所示。

3.3.3 模式匹配实例

经过匹配模式的模板学习后就可进行图像的模式匹配。“IMAQ Match Color Pattern”模块就是模式匹配的最后匹配结果，“匹配数目”接线端输出的是与学习模板相匹配的区域数目，由这个节点就能知道实际的流水线产品外观是否合格。

图5 模板学习的部分程序代码

整个图像采集、图像匹配模式的模板学习和模式匹配的图像数据处理如图6所示。实验中，以矿泉水瓶是否自动封装完好为例，图6(a)是整体的图像采集图。起始时，当有矿泉水瓶经过光电传感器时，摄像头将采集一张照片用以学习，选中的学习模板区域如图6(b)所示。图6(c)是图像匹配识别的结果。实验中发现，此识别方法匹配区域的准确度非常高,而且匹配反应迅速。

(a)图像采集 (b)选择模板学习 (c)图像识别结果

4 结 语

本文对流水线产品的外观检测电路设计和图像处理问题进行了研究，提出了完整的产品外观检测解决方案。实验表明，该方法能够有效完成流水线产品的外观检测任务。

参考文献：

[1] 于祯，王秀清.基于LabVIEW与单片机串口的信号处理的研究[J].天津大学学报，2004,19(3):35-37.

[2] 樊龙龙，常远，王明亮.弹上通信系统的LabVIEW与单片机的通信技术[J].单片机与嵌入式系统应用，2011(3):29-31.

[3] 周青云,王建勋.基于USB接口与LabVIEW的数据采集系统设计[J].实验室研究与探索，2011，30(8):238-240.

[4] 蔡共宣.基于LabVIEW的单片机USB数据采集系统[J].实验科学与技术，2010,8(1)：57-59.

[5] 孙泽文.基于LabVIEW软件的数据采集与分析系统设计[J].电工电气，2010(1)：16-17.

[6] 张登科,倪旭翔,石岩.悬浮式生物芯片检测中的图像处理研究[J].光电工程，2006(6)：37-40.

[7] 兰虎，陶祖伟，段宏伟.基于LabVIEW的弧焊机器人视觉传感图像处理技术[J].实验技术与管理，2012,29(7):87-102.