基于分形理論的高效機器視覺檢測系統

前言
現代工業的發展對工業制件、材料等產品的表面質量提出了越來越高的要求，同時對制件表面的檢測、識別和評定也提出了更高的要求, 對表面加工微觀特性的評定從定性綜合評定階段轉向了定量、標準化參數評定階段。然而這些參數的測量與評定的難度大，生產過程中的相關檢測過程增加了生產成本。
以生產質子交換膜燃料電池氣體擴散層核心材料TLG-23的生產線為例，該材料的生產加工要經過初加工、成型、碳化、催化和PTFE處理五種工序，每一種加工過程的優劣都直接影響著最終產品的質量。傳統的生產流程是每個工序加工完一定量之后，對該材料進行取樣然后送到檢測試驗室進行測定，在測定的過程中試驗環境的微小改變都會對試驗測定結果造成嚴重的影響，這樣的生產方式嚴重的影響了生產效率，產品遠遠不能滿足市場需求。
因此尋求一種表面微觀特性檢測的高效的解決方案成為了當前迫切需要解決的問題。針對上述存在的一系列問題，我們利用NI公司的虛擬儀器技術，設計了一個對生產材料表面進行分形特性分析的視覺檢測系統，成功實現了產品的在線檢測。
系統硬件平臺的構成
NI的虛擬儀器技術使用成熟的計算機技術和模塊化的高性能硬件為我們系統的實現提供了強有力的支持。PXI系統能提供最佳的性能，Compact Vision System（CVS） 系統是NI公司PAC（可編程自動控制器）系列產品中專門用于視覺采集檢測的產品，提供了最為堅固的硬件結構。 整個檢測系統是一個利用NI CVS和PXI產品建立起來的高性能集成化實時系統，其中PXI系統由嵌入式實時PXI控制器PXI- 8146 RT和PXI機箱等模塊組成，在本系統中承擔著控制中心的重要作用；實時緊湊視覺系統使用了CVS-1450，在本系統中擔當前端工業現場的圖像采集和測量系統地初步處理的任務。分布在多個生產流程的CVS系統通過1394攝像頭采集數據并進行前端處理，之后通過工業以太網將數據傳輸給PXI控制中心。（如圖1所示）

圖1基于分形理論的機器視覺檢測系統的組成

系統軟件平臺的實現
本檢測系統的軟件主要使用了NI公司的可視化圖形編程軟件LabVIEW7.1完成，其友好的界面、方便快捷的編程方式和功能豐富強大的函數庫為這一復雜的視覺檢測系統的開發提供了支持。檢測軟件在控制中心端運行，利用PXI的強大性能，完成對圖像的分型分析，得到相應檢測參數結果，提供用戶監控和操作界面。
整個檢測系統的靈魂在于其軟件算法使用了當前備受關注的分形理論。目前分形理論成功的應用于描述工程表面呈現出的隨機性、無序性、自相似性、自仿射性和多尺度性等。由此使得工業加工和生產表面微觀特性的識別與評定應用到了工程實際。在系統的構建過程中采用Weierstrass-Mandelbrot分形函數（如公式1所示），通過功率譜識別表面形貌

最終構建起來的機器視覺檢測系統通過計算加工制件表面分形維數等特征參數結合結構函數來分析表面形貌的變化過程。系統的核心算法用到了基于分數布朗增量場模型，并通過多重分形譜來對表面進行深度分析。軟件中的核心算法分形特性參數的計算已經是通過Visual C++ 6.0編寫好的，而LabVIEW是一個開放性的軟件平臺，它提供了各種工具來實現和外部代碼或程序的交互，因此可以很方便的將現有的分形特性參數計算算法的動態鏈接庫文件裝載到 LabVIEW中。
系統性能測試與驗證
我們將整個系統投放到了質子交換膜燃料電池氣體擴散層核心材料的TLG-23生產線上，使用LabVIEW開發的檢測控制軟件是在PXI平臺上運行的，圖2顯示的是2005年6月29日的一次實時測試的界面。

圖2 基于分形理論的機器視覺檢測系統在TLG-23生產線上的測試界面
在生產線的工業網絡上還有其它自動化生產設備，CVS和PXI構成的檢測系統可以和它們無縫連接，在整個的測試過程中可以保證實現實時在線檢測，這樣不僅省去了以前耗時復雜的檢測過程，大大的提高了生產效率,目前TLG-23的產量由以前的單生產線100張/天提高到了835張/天。同時檢測的準確率也大大提高，圖3是近期的生產測試報告，從檢測的結果分析其完全符合實際生產需要，達到了設計要求。

系統優勢
1.滿足工業環境的需要
雖然現有的攝像機能完成大部分的圖像采集工作，但是采用這些傳統圖像采集構建的視覺檢測系統一旦工作在較為苛刻的工業生產現場時（如高溫、電磁干擾嚴重等工況下），就會出現檢測錯誤，甚至不能工作的情況。在我們的TLG-23生產線上有大量的工序是在高溫、高壓等苛刻工況下進行的，在測試系統設計的初期階段，曾經試用傳統攝像機采集，但在TLG-23生產線進行測試時，由于在生產流程中的碳化過程是在極其苛刻的生產溫度下進行的，導致該工作現場的視覺系統完全不能正常的工作。而在分形理論中，必須最大限度的保證現場視覺采集系統穩定性和精度，才能大大提高該機器視覺檢測系統的檢測準確性。后來采用得NI的CVS 1450系統，由于此系統是專門針對工業應用惡劣的溫度、電磁干擾、噪聲、震動等環境設計的，能夠在極端溫度下正常工作，系統在整個碳化過程中采集到的圖像都沒有因為現場的高溫發生圖像變形、模糊等現象。
2．強大的擴展性與二次開發能力
由于采用了NI的虛擬儀器技術，使得本系統擁有強大的靈活性、集成性和堅固性，能夠和現今絕大多數的自動化設備進行通信，可以在不淘汰現有生產控制設備的情況下引入這一先進的視覺系統。
在硬件方面，可以在不改變我們現有生產線上的自動化控制設備的情況下， 只需在軟件的設置中選用不同的配置和選項，將原來的自動化控制設備接入我們的工業網絡中，達到協同工作，在一定的程度上節約了我們的生產成本，同時擴展了我們系統的應用領域。
如果是對于一個全新的生產線，我們則可以選用NI的FieldPoint分布式I/O來替代PLC等設備，這些FieldPoint分布式 I/O不僅結合了PLC的可靠性和PC的功能，而且能在最為惡劣的工作條件下提供精確的測量和控制。同時這些FieldPoint分布式I/O還可以和 Compact Vision系統和PXI控制中心的通信上保持一致，通過友好的LabView軟件設計的用戶面板達到共同監測測量數據。
而在軟件方面，系統通過結構函數來區分不同的材質表面。在系統運行前可以對系統進行配置，選擇加工方式（如拋光、研磨、精車、電鍍等），更具靈活性，可以使檢測系統應用在更多的工業材料生產現場，其操作界面友好、維護方便、易于升級。由于該系統有著廣泛的應用范圍，目前還在另一種材料WHQ- TJ-4G的生產線上用于產品的測試，其測量分析的結果也完全滿足設計要求。今后也可以應用于磁盤涂層和不銹鋼零件等高精度工程材料的生產檢測中。

結論
基于分形理論的高效機器視覺檢測系統使用NI的CVS視覺系統、PXI控制器和LabVIEW7.1進行系統的軟硬件平臺的構建。該檢測系統應用分形理論，成功的將對工程表面形貌的識別和評定應用到了工程實際，取得了令人滿意的效果，可以說有了此系統的在線檢測，從根本上改變了某些特殊產業的原有生產模式，使得以往一直制約原有生產系統聯網的環節得到了解除，實現了真正的生產自動化。其突出優點在于：①檢測系統采用簡潔的總線形網絡結構；②系統結構具開放性、可擴充性；③具有強大的人機交互界面，維護簡便；④擁有強大的二次開發能力，應用范圍廣泛；⑤從系統的穩定性和建設費用等多方面綜合考慮，有效的保證了系統的可靠性；⑥便于和NI的其他軟硬件結合起來，構建功能更加強大、完整的工業控制測量系統，便于形成標準化。