圖像處理系統(tǒng)在自動(dòng)化設(shè)備中用作位置反饋的一種方法
1. 在自動(dòng)化設(shè)備中應(yīng)用圖像處理系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)
自動(dòng)化設(shè)備為了獲得準(zhǔn)確的位置精度，通常采用兩種方法，一種是采用滾珠絲桿加交流伺服電機(jī)組成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng);另一種是采用位置傳感器，如：光柵尺、磁柵尺，以及高級(jí)控制器組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。這兩種方法技術(shù)成熟，但成本較高。
我們采用國(guó)產(chǎn)圖像卡、鏡頭、臺(tái)灣產(chǎn)攝像頭和PC機(jī)，再加上滑動(dòng)絲桿、步進(jìn)電機(jī)和多軸運(yùn)動(dòng)控制器等元器件構(gòu)成位置反饋控制系統(tǒng)。PC機(jī)通過(guò)處理圖像信息，檢測(cè)工件平面位置，控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。
采用這種結(jié)構(gòu)我們成功的開(kāi)發(fā)出多種自動(dòng)化設(shè)備，如：自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)、自動(dòng)超聲波焊機(jī)等。其特點(diǎn)是：設(shè)備的精度高、成本低;由于有圖像顯示，調(diào)節(jié)點(diǎn)膠針頭、超聲波焊針和工裝的初始位置十分方便，對(duì)工裝的一致性要求也不高。
2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與定位方法
下面以自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)為例介紹該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖1為該設(shè)備的外形，圖2為該設(shè)備的系統(tǒng)框圖。
圖1 自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)外形
PC機(jī)通過(guò)攝像頭、圖像卡采集工件的平面圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理后，得到工件的當(dāng)前位置;PC機(jī)通過(guò)RS-232串行端口，將運(yùn)動(dòng)指令發(fā)送給多軸運(yùn)動(dòng)控制器，控制器控制X-Y平臺(tái)、Z軸平臺(tái)運(yùn)動(dòng)以及點(diǎn)膠閥的開(kāi)關(guān)。[1]
攝像頭固定在機(jī)架上不動(dòng)，其放大倍數(shù)也是固定的，所以，圖像上的像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)工件上的長(zhǎng)度是一定的，計(jì)算像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，就能推算出距離及位置。
在正常工作之前，要將圖像系統(tǒng)和X-Y平臺(tái)位置、點(diǎn)膠針頭建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系。如圖3所示，將X-Y平臺(tái)從其原點(diǎn)開(kāi)始移動(dòng)，使工裝上的第一個(gè)工件出現(xiàn)在攝像頭拍攝的畫(huà)面中央， 系統(tǒng)軟件記錄下X-Y平臺(tái)的初始位置(X0，Y0);調(diào)整固定在Z軸平臺(tái)上的點(diǎn)膠針頭的位置，使其落在圖像畫(huà)面的針頭定位框內(nèi)，從而針頭和攝像頭的相對(duì)位置就確定了。
正常工作時(shí)，系統(tǒng)軟件控制X-Y平臺(tái)從原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到第1個(gè)工件位置;抓取工件圖像，通過(guò)模板匹配技術(shù)，獲取工件當(dāng)前位置;和理想位置比較后，調(diào)整X-Y平臺(tái)位置，消除誤差，并運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)膠啟始位; Z軸下降到點(diǎn)膠高度，然后打開(kāi)點(diǎn)膠閥開(kāi)始點(diǎn)膠; X-Y平臺(tái)按點(diǎn)膠軌跡運(yùn)動(dòng);關(guān)點(diǎn)膠閥，Z軸抬起，完成一個(gè)工件的點(diǎn)膠過(guò)程。
然后，X平臺(tái)平移距離d，第2個(gè)工件進(jìn)入圖像畫(huà)面，取圖像、調(diào)整位置、點(diǎn)膠;如此重復(fù)，完成5個(gè)工件的點(diǎn)膠過(guò)程。
3. 模板匹配算法的改進(jìn)
模板就是一幅已知的小圖像。模板匹配就是在一幅大圖像中搜尋目標(biāo)，已知該圖中有要找的目標(biāo)，且該目標(biāo)同模板有相同的尺寸、方向和圖像，通過(guò)一定的算法可以在圖中找到目標(biāo)，確定其坐標(biāo)位置。
如圖4所示，模板T( m ′ n個(gè)像素)疊放在被搜索圖S( W ′ H個(gè)像素)上平移，模板覆蓋被搜索圖的那塊區(qū)域叫子圖Sij。I，j為子圖左上角在被搜索圖S上的坐標(biāo)。搜索范圍是：
一種算法是衡量T和Sij的誤差，其公式為：
E( i, j )為最小值處即為匹配目標(biāo)。為提高計(jì)算速度，取一個(gè)誤差閾值E0，當(dāng)E( i, j )> E0時(shí)就停止該點(diǎn)的計(jì)算，繼續(xù)下一點(diǎn)計(jì)算。
為了提高模板匹配處理速度，設(shè)計(jì)了二次匹配誤差算法，即：
第一次匹配是粗略匹配。取模板的隔行隔列數(shù)據(jù)，即四分之一的模板數(shù)據(jù)，在被搜索圖上進(jìn)行隔行隔列掃描匹配，即在原圖的四之分一的數(shù)據(jù)內(nèi)匹配。由于數(shù)據(jù)量大幅度減少，匹配速度顯著提高。
為了合理的給出一個(gè)誤差閾值E0，設(shè)計(jì)了一個(gè)確定誤差閾值E0的準(zhǔn)則：
E0 = e0 * (m+1)/2 * (n+1)/2
式中：e0為各點(diǎn)平均的最大誤差，一般取40～50即可;
m，n為模板的長(zhǎng)和寬。
第二次匹配是精確匹配。在第一次誤差最小點(diǎn)( imin，jmin )的鄰域內(nèi)，即在對(duì)角點(diǎn)為( imin-1, jmin-1), ( imin+1, jmin+1)的矩形內(nèi)，進(jìn)行搜索匹配，得到最后結(jié)果。
表1是無(wú)閾值誤差法、有閾值誤差法、二次匹配誤差法這三種模板匹配算法對(duì)兩幅圖像進(jìn)行模板匹配的結(jié)果比較：
結(jié)果表明：被搜索圖越大，匹配速度越慢;模板越小，匹配速度越快。誤差法閾值的大小對(duì)匹配速度影響大，和模板的尺寸有關(guān)。改進(jìn)后的二次匹配誤差法的速度大幅提高。
圖5是自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)的PC機(jī)界面。為了提高匹配速度，被搜索圖由藍(lán)色框決定，大小可調(diào);黃色框?yàn)槟０?，及工件的右下?紅色框?yàn)楣ぜ庋?。從圖中可看出，工件偏向右側(cè)，說(shuō)明位置有誤差，但圖像系統(tǒng)通過(guò)辨識(shí)工件的右下角，確定了工件的準(zhǔn)確位置。點(diǎn)膠將在紅色框內(nèi)進(jìn)行。
4.二次匹配誤差法的主要代碼
#define AvEthreshold 40 // 各點(diǎn)平均誤差
int Ethreshold; // 誤差閾值
//計(jì)算誤差閾值
Ethreshold=AvEthreshold*((lTemplateHeight+1)/2)*((lTemplateWidth+1)/2);
// 第一次粗略匹配，找出誤差最小位置(nMaxHeight，nMaxWidth)
// 僅使用模板中隔行隔列的數(shù)據(jù)，在被搜索圖中隔行隔列匹配
nMinError = 99999999;
for (i = 0; i < lHeight - lTemplateHeight +1; i=i+2)
{
for(j = 0; j < lWidth - lTemplateWidth + 1; j=j+2)
{
nError = 0;
for (m = 0; m < lTemplateHeight; m=m+2)
{
for(n = 0; n < lTemplateWidth; n=n+2)
{
// 指向被搜索圖像倒數(shù)第i+m行，第j+n個(gè)象素的指針
lpSrc = (char *)lpDIBBits + lLineBytes * (i+m) + (j+n);
// 指向模板圖像倒數(shù)第m行，第n個(gè)象素的指針
lpTemplateSrc = (char *)lpTemplateDIBBits + lTemplateLineBytes * m + n;
pixel = (unsigned char)*lpSrc;
templatepixel = (unsigned char)*lpTemplateSrc;
nDelta=(int)pixel-templatepixel;
if (nDelta<0) // 做絕對(duì)值運(yùn)算
{nError = nError-nDelta;}
else{nError = nError+nDelta;}
}
if (nError>(Ethreshold)) break; // 誤差大于閾值，進(jìn)入下一點(diǎn)計(jì)算
}
if (nError < nMinError) //與最小誤差比較
{
nMinError = nError; // 記錄最小誤差及其坐標(biāo)
nMaxWidth = j;
nMaxHeight = i;
}
}
}
