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基于NI EVS-1464 与 PXI System的产线皮带中心位置偏移检测
主要软件: Driver Software>>NI-IMAQ for IEEE-1394
主要软件版本: 2.1
主要软件修正版本: N/A
次要软件: Driver Software>>NI-DAQmx
硬件: Image Acquisition (IMAQ)
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问题:
产线上经常需要对产品的优劣做出高效率的判断，然后对不满足要求的产品做出调整。这里有一家生产条纹带子的厂家。 产线带子会由机械带着水平移动，比如每次平移150mm，镜头对准红色框出的“有纹路”和“无纹路”的交界点（附近）,见图1。
如果以镜头中心为带子交界点的理想位置，但事实上总会有一些水平位置的偏差。
客户需求：图像采集系统可以在10ms以内准确的识别出产线上带子的偏移量；进一步，在可能的情况下，输出一个模拟控制信号用来控制调整带子位置恢复到镜头中心点，而识别出带子偏移量加上输出模拟信号的时间总和控制在10ms以内。 
图1. 待测样本
解答:
验证说明
硬件
1、EVS平台
EVS-1464 (Intel Core Duo 1.66 GHz,2GB RAM, Real-Time)
IEEE 1394 (firewire) camera (Basler scA1600-14fm)
IEEE 1394 (firewire) camera (Basler scA1600-14fm)
Computar 16mm 焦距镜头
2个台灯光源
2、PXI平台(带模拟输出)
PXIe-1071机箱
PXIe-8108控制器(2.53 GHz dual-core Intel Core 2 Duo T9400, Real-Time)
IEEE 1394 (firewire) camera (Basler scA1600-14fm)
Computar 16mm 焦距镜头
PXIe-6251(M系列多功能数据采集板卡，用来输出模拟波形)
SHC68-68-EPM Cable(电缆)、BNC-2120(接线盒)、示波器
PXI-8252(IEEE 1394接口板卡)
2个台灯光源
注：EVS平台这里是验证客户的第一个需求在10ms以内准确的识别出产线上带子的偏移量；PXI平台加上模拟输出的功能是验证客户的进一步的需求识别出带子偏移量加上输出模拟信号的时间总和控制在10ms以内。
软件环境
1、EVS平台
LabVIEW 2010, MAX 5.0 , NI-IMAQ驱动, Vision Acquisition 2010, Vision Assistant 2010
2、PXI平台
LabVIEW 2010, MAX 5.0 , NI-IMAQ驱动, Vision Acquisition 2010, Vision Assistant 2010、NI-DAQmx
图2. EVS实验平台
图3. PXI实验平台
验证
数据源的设置
实验中，由于没有找到现成的环形光源，所以使用两个台灯相对放置的方式，尽量避免待测物体影子对测量效果的影响。通过调整相机高度以及镜头的焦距，使得待测物能够清晰的通过MAX的远程系统显示出来。在MAX中，可以看到，相机分辨率可以选择为1626×1236（默认），1600×1200，1280×960，640×480等等，考虑到本验证主要考虑的因素是采集以及处理的速度，所以分辨率较低且帧率较高的设置，总体时间消耗应该更小，但是因为考虑到过于小的分辨率会导致待测物移动距离的限制，移动后可能移出镜头可视区域，所以可以选用640×480的配置，帧率选择为30fps（已为最大值，后面将有不同设置时间消耗的比较）。
图像处理算法（EVS与PXI一样）
客户的要求是计算出“交界点”偏移镜头中心位置横坐标的量值，所以考虑为只需要获得交界点位置的横坐标就可以了，后续只需要把这个横坐标减去镜头中心位置的横坐标，而镜头中心位置的横坐标已经得知了（比如640×480的图片，整个横轴为640个像素，所以中心处为320个像素）。交界点位置横坐标可以使用“模板匹配函数”加上“设定坐标系”这两个步骤得到，“设定坐标系”可以轻松获得当前模板中心位置，也就是交界点的横坐标。为了尽可能减小算法复杂性，不再使用图像效果处理的步骤，步骤如下图所示：
图4. 图像处理步骤
A．获取图像
B．待测物体交界点处模板匹配
C．将参考坐标系设定在模板上，从而获得当前坐标值
为了计算从获取图像到处理图像的时间，使用如下图的编程方式实现：
图5. EVS程序框图
注：Time表示当前的循环所使用的时间
Offset表示交界点横坐标偏移量，单位为像素
Vision Acquisition的模式设置为640×480 Mone8 30fps。
使用Vision Acquisition是因为其在调整相机分辨率方面想对比较方便，同时经过测试（在1626×1236分辨率下测试），使用Vision Acquisition与直接编程的方式时间上基本无差别。
图6. PXI_Vision程序框图
注：PXI平台下图像获取以及处理的算法同EVS下情况
PXI平台下将原来的EVS处理算法后将模板匹配的“交界点”当前偏移量作为模拟电压信号送入下方一系列的模拟输出程序中(这里我设置的是输出偏移量为模拟输出正弦波的幅值)。因为偏移量可能会因为Vision系统不准确的计算，导致输入到模拟输出板卡-PXIe6251的信号大于该板卡输出的范围(正负10V之间)，所以在这里使用一个条件结构，将模拟输出的控制量限制在5V以内，确保板卡的正常工作（10V以内即可，主要考虑不在满状态下运行）。
开发流程
A．VBAI或Vision Assistant交互式地进行算法建模。
B．将程序转化为LabVIEW的VI放在EVS-1464终端或者PXI的RT系统上面运行。
C．初步获得运行时间的初步参数后，在范例“Benchmark Project”上面进行准确的时间标定。
图7. 运行消耗时间标定 测试结果
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EVS-1464(5000,Mean Time) |
Collect Data and Dispose(ms) |
Collect Data(ms) |
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640×480 30fps |
33.83453 |
33.3465 |
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800×600 15fps |
66.68049 |
66.66596 |
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1024×768 15fps |
66.66751 |
66.66686 |
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1280×960 15fps |
66.66843 |
66.66757 |
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1600×1200 7.5fps |
133.33627 |
133.33062 |
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1626×1236 14fps(test) |
71.62509 |
71.62465 |
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EVS-1464(5000,Mean Time) |
Collect Data and Dispose(ms) |
Collect Data(ms) |
|
640×480 30fps |
33.83453 |
33.3465 |
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640×480 15fps |
66.66674 |
66.6656 |
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640×480 7.5fps |
133.33432 |
133.33385 |
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640×480 3.75fps |
266.66823 |
266.66735 |
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640×480 1.88fps |
533.33509 |
533.33401 |
表3. PXI_Vision在帧速为30fps下处理5000次取平均时间
PXI_Vision_AO(5000,Mean Time)
Collect Data and Dispose(ms)
Collect Data(ms)
640×480 30fps
33.34685
33.3346
图8. Pattern Match前后对比
从表1与表2中可以看出，整个系统消耗时间主要由帧速决定，受分辨率的影响很小，所以实验前认为的分辨率与帧速共同决定的观点并不正确。另外一方面，在相同帧速以及相同相机分辨率情况下，软件算法对于图像模板的识别以及处理计算时间消耗在us级别（最大的为500us），产生这种结果的原因考虑是因为算法简化的效果，另外就是在RT系统下运行达到的us级别的精度。综合上面情况可以看出，软件识别方面完全可以满足10ms规定时间内完成“交界点”位置的测量。
注：在本案例中，测试了grab方式与ring方式对测试结果的影响，发现效果并不明显，说明此案例中由于相机帧速的局限，将时间消耗主要定格在帧速影响上面（30fps对应的相机采集消耗时间为33.33ms）。如果使用帧速率较高的相机，可以通过使用ring的方式进一步提高相机的采集速度。IEEE1394相机可以通过提高packet size的大小来提高图像从相机到主机的传输速度，但是packet size的大小与所选择的模式有关。
在本案例中，由于只使用了一台相机，如果使用多台相机同步采集的话，就要考虑带宽限制的因素，不能在帧速上面要求过高，而有可能需要降低帧速率来平衡各个相机对带宽的占用率方面。
从表3中可以看出，对于PXI_Vision系统，软件算法加上控制模拟电压输出，共计的消耗时间仍达到了us的级别的精度。
图9. 示波器显示的模拟输出波形图
程序界面
图10. EVS-1464上测试时的程序界面——image processing-time fix.vi
图11. PXI_Vision上测试时的程序界面——image processing-time fix.vi
4 结论
本次实验主要因为相机帧速的影响，导致采集到处理的时间被限制在30ms左右，不能进一步提高，所以不论是EVS还是PXI_Vision需要改进的方面是在硬件上，使用帧速更高的相机（在100fps以上）可以实现客户的要求，即采集到处理的时间加起来在10ms以内。PXI_Vision即使加上了模拟输出的编程控制，仍然将时间的消耗控制在us的级别。另外，实验中由于没有环形光源，采集的图像效果不是很好，如果做更高要求的图像分析，考虑使用更好的专用光源。
软件上，考虑程序的对于客户的可读性，使用快速VI，测试时发现在RT系统下运行，将Vision Acquisition更改为代码编写的程序，对于系统时间影响不大。对于以后进一步提高相机采样速度，可以考虑使用Ring的方式。
使用Snap抓取图片也经过了测试，由于第一次开启相机需要过多的时间，所以该方式被放弃。相关链接:
附件:
Vision_Test Belt+AO_HaixiangBao.zip
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报告日期: 05/27/2012
最近更新: 06/27/2012
文档编号: 5XQKEOSN