基于LabVIEW的按键丝印自动检测系统

黄捷

（福建星网锐捷通讯股份有限公司 福建省福州市 350000）

每个公司都需要对出厂的产品进行质量控制，出厂前需要进行产品外观及性能检查。特别是带按键的产品进行按键丝印的检测，如果按键位置装错或者丝印缺失等，都会引起客户的投诉，轻责需要批量返工，重则需要进行大额赔偿，进而客户对公司的品质失去信心。目前大多制造工厂依然使用人工目视检测的方法,这样不但效率底下，而且漏检、误判等现象时有发生。一方面人工成本不断提升，另一方面是对品质的高度要求，所以使用自动化设备替代人工目视检查的需求尤为突出[1]。

LabVIEW 是由美国NI 公司开发，专为工业生产中的测试、测量和控制应用而设计的图形化系统工程软件，可快速访问硬件和数据信息，使用内置控件可快速的制作出美观且实用的测试软件界面。

HALCON 是德国MVtec 公司开发的一套完善的标准的机器视觉算法包，拥有应用广泛的机器视觉集成开发环境。它节约了产品成本，缩短了软件开发周期——HALCON 灵活的架构便于机器视觉的快速开发。

1 系统设计

系统软件，使用LabVIEW 软件编写框架，核心的机器视觉及缺陷检测由Halcon 实现后被LabVIEW 调用。

系统硬件（如图1），主要包括升降系统，工业相机+镜头，LED 光源。

根据按键丝印可能出现的缺陷，例如缺失，按键装错，丝印被污染等，需要选择高分辨率工业相机，配合无畸变广角镜头，光源需要无频闪，亮度可调，关照均匀的白色LED 环形光源。

系统工作过程（焦距与光源已提前设置好）：

（1）待测物放置于测试平台上。

（2）工业相机采集高清图像。

（3）计算机通过USB 接口读取时时图像。

（4）软件进行图像处理与缺陷检测，并对缺陷位置进行标注，同时后台进行数据统计[2]。

2 图形采集

图形采集方式有两种方式，一是通过LabView 视觉模块的NIIMAQDx 模块中提供了获取图像的各种子VI，包括打开相机，配置相机，启动采集，获取图像，关闭相机等子VI 模块，通过对这些字VI 模块的调用及编程实现对图形进程采集。

另一种是调用相机公司提供的DLL 的动态链接库文件，使用LabView 提供的调用库函数节点（Call Library Function Node.CLFN）通过对该节点的配置实现DLL 的调用，调用时需根据该相机的SDK 文档正确调用相应的函数，并进行函数输入输出的参数配置，进而实现图像采集的功能。

3 图像预处理

在图像采集过程，由于各种原因总会引入一下干扰信息，而在图像分析中，图像信息的准确度直接影响识别算法的设计与检测效率，因此在图像分析（特征提取、分割、匹配和识别等）前，需要进行预处理。图像预处理的主要目的是去除图像中不关注的信息，重点关注有用的真实信息，增强目标信息的可检测性、最大限度地简化数据，从而提高图像分析（匹配，识别等）的可靠性和高效性[3]。

匹配模板的生产过程也就是图像特征值的提取过程。特征值提取是整个图像识别的重要环节。由于是配合生产使用，不但要求准确度，生产效率也是要重点考虑的。本系统检测重点是按键丝印，所以需要将感兴趣的区域（也就是ROI）确定出来，ROI 的确定，LABVIEW 提供了一个方便的VI（IMQA ConstrctROI），可以手动确定ROI 区域，然后使用IMAQ xtract 进行图像分割，分割后才能进行下一步模板的建立。

4 Halcon创建模板，及模板匹配

模板匹配[1]是一项用于图像中快速定位已知参量或基准模式，是一项关键技术[2]。以及其模板匹配可以提供一个图像中的特定特征值是否存在，以及数量和位置。通过使用图像的特征值与待测图像进行匹配，该部分的完成是整个系统核心部分[3]。

Halcon 中提供的匹配有基于组件匹配、基于灰度值匹配、基于形状匹配。这三种匹配的方法各具特点，分别适用于不同的图像特征，但都需要先创建模板，再寻找模板。在目标检测过程中，常用的方法就是设置一个模板，以窗口滑动的方式遍历整幅待检测的图像进行匹配。

创建模板的函数：create_shape_model(Template::NumLevels, AngleStart, AngleExtent,AngleStep,Optimization,Metric,Contrast, MinContrast : ModelID ) 。

Template：要建立模板原始图形，要使用图形特征鲜明的图形，但又不能太大。

NumLevels：金字塔的层数，金字塔分层法能有效的提高图像匹配效率，一般设为auto，算法会自动计算金字塔的层数。

AngleStart：匹配起始角度。

AngleExtent：匹配的角度范围。

AngleStep：配旋转角度的步长，一般设为auto，算法将会基于模板的大小自动定义一个合适的角度步长。

Optimization：创建模板的方法，一般设为auto，算法将会自动确定模型的点数。

Metric：匹配模板的条件, 设为 'use_polarity'，图像中的目标必须和模型具有一样的对比度。

Contrast：对比度，测量目标与背景之间和目标不同部分之间局部的灰度值差异。

MinContrast：将模板从图像的噪声中分离出来。

ModelID：输出模板句柄。

模板创建好后，就可以用实时采集到的图像，来进行模板匹配。就是在时时图像中找出最佳匹配的模板，函数返回找到图像的位置和旋转角度。

模板匹配函数：find_shape_model(Image::ModelID, AngleStart, AngleExtent, MinScore, NumMatches, MaxOverlap, SubPixel, NumLevels, Greediness : Row, Column, Angle,Score) 。

Image：被搜索的图像。

ModelID：模板句柄，由create_shape_model（）生成。

AngleStart：搜索起始角度。

AngleExtent：搜索角度范围，必须与创建模板时的有交集。

MinScore：最小匹配值，也就是相似度，当相似度大于此设置值时才会输出结果。

NumMatches：输出的匹配的最大个数。

MaxOverlap：目标存在重叠时设置，本系统不允许目标重叠，顾设置为0

SubPixel：计算精度的设置，决定是否精确到亚像素级，设为’interpolation’，这个模式速度较快，设为’least_square’,’ lease_square_high’，精度更高，但这样会增加额外的时间，因此，这需要在效率与精度进行妥协，本次由于图像特征明显，顾设为’interpolation’。

NumLevels：搜索时金字塔的层数，一般与create_shape_model（）相一致。

Greediness：贪婪度，搜索启发式，0-1 之间，在大多数情况下，在能够匹配的情况下，尽可能的增大其值，本次设置为0.8。

Row, Column, Angle, Score：输出匹配位置的行和列坐标、角度、相似度得分。

本系统使用的是基于形状匹配，为了达到较好的效果，做了许多测试，根据实际情况做了一些设置加快搜索匹配：

1，MinScore 值可配置，在系统中实时设置，值越大，速度越快。

2，限定搜索ROI 的区域，限定允许的旋转范围和大小范围，本次图像的ROI 区域较多，但是相对位置与角度都不变，只要找到一个，其他图像可以根据坐标轴计算，确定其位置与角度。

5 LabVIEW联合Halcon

通过研究，目前LabView 调用Halcon 的方法有两种,但都需要 调 用halcon.dll，halcondotnet.dll，hdevenginedotnet.dll，这 三 个DLL 文件。

图2：构建halcon 创建模板函数图

一种是labview 使用.Net 构造器节点，调用hal，依据已经写好的halcon 程序，依次构建相关的halcon 算子，达到调用halcon的目的，实现相关的halcon 功能，如图2，为构建halcon 的创建模板函数[4]。

另一种是labview 先构建halcon 运行环境，然后直接调用HDevEngine，也就是直接调用运行使用halcon 已经写好的程序，就不需要像第一种方法那样重复进行算子构建。

第一种方法过程相对复杂，无论是BUG 修改还是后续程序的升级都相对繁琐，但胜在程序的保密性好。

第二种方法过程简单，halcon 程序可以直接在文档修改，但是halcon 程序文档不是加密文件，故保密性较差，但由于是公司内部使用，本系统采用第二种方法。

6 总结

本文介绍了利用LabView 软件平台，通过调用外部Halcon 的机器视觉功能，结合自带的VISION 实现对按键丝印的自动化检测，实际投入生产实践表明，此检测系统能满足公司按键丝印检测要求，有效的提升检测效率。