引 言

當下，用機器代替人工，用科技代替勞動力已成為勢不可擋的潮流。為提高工業(yè)自動化檢測系統(tǒng)的檢測效果，降低工廠雇傭工件檢測員的開銷，本文開展了基于 OpenCV 的嵌入式工業(yè)檢測系統(tǒng)的研究。本文提出了一種基于 OpenCV，利用嵌入式微處理器進行圖像采集與傳輸實現(xiàn)工件劃痕檢測的方案。該方案使用最新的 OpenCV 開源庫， 開發(fā)出基于OpenCV 的圖像處理軟件，并利用網(wǎng)口向圖像處理軟件傳輸數(shù)據(jù)。符合系統(tǒng)構建簡單、工作穩(wěn)定、可擴展性強、檢測精度高等工業(yè)自動化檢測目標。

1 系統(tǒng)整體概述

該系統(tǒng)由圖像采集嵌入式設備、網(wǎng)絡傳輸設備和處理圖像的計算機設備組成。嵌入式設備具有生產(chǎn)成本低、處理效率高、耗電低等優(yōu)點，符合工業(yè)生產(chǎn)需求 ；圖像傳輸主要采用以太網(wǎng)并輔以 RS232串口通信的方式，實現(xiàn)了實時高效、可靠性高的圖像傳輸功能；圖像處理軟件采用最新的 OpenCV 計算機視覺開源庫，將 Qt 開源庫與其巧妙融合，提高了圖像處理的速度和精度。最后將處理結果傳送到云服務器，完成系統(tǒng)架構。系統(tǒng)組成框圖如圖 1所示。

                                                                                                                                                     圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 圖像采集傳輸系統(tǒng)設計

本設計主要使用當前較為前沿的嵌入式 ARM Cortex-M4 系列芯片，使用 STM32F407ZGT6 的DCMI 接口連接 OV5640 攝像頭模塊，從工業(yè)對零件劃痕檢測的實際需求出發(fā)，構建較為完整的工業(yè)圖像采集傳輸系統(tǒng)。此圖像采集傳輸系統(tǒng)包含攝像頭采集模塊和以太網(wǎng)傳輸模塊。圖像采集傳輸系統(tǒng)基于嵌入式 STM32F407ZGT6 的自制高度電磁兼容和信號完整性，使用OV5640 攝像頭模塊在合適的環(huán)境下采集 JPEG 格式的圖像。圖像傳輸系統(tǒng)將圖像采集模塊采集到的圖片傳輸至基于 OpenCV 圖像邊緣檢測的上位機。以以太網(wǎng)通信為主， 串口通信為輔，方便快捷地進行圖像傳輸。

2.1 攝像頭采集模塊

本系統(tǒng)中，該攝像頭模塊采用 8 位數(shù)據(jù)輸出接口，其自帶 24MHz有源晶振， 無需外部提供時鐘， 整個模塊只需3.3 V供電即可正常使用，且該模塊支持自動對焦和閃光燈功能。電壓攝像頭模塊通過 SCCB總線實現(xiàn)圖像輸出分辨率的額配置、閃光燈的開關、自動對焦、調(diào)節(jié)色彩飽和度、亮度設置、設置自動銳度、啟動持續(xù)對焦等功能。直接輸出壓縮后的JPEG圖片數(shù)據(jù)。輸出 JPEG格式的圖片源源不斷地傳入 DMA 中，可利用 JPEG 格式提取提取圖片。可采取如下兩種方式 ：

(1) 嵌入式端提取好單張圖片并發(fā)給上位機 ；

(2) 嵌入式端不斷發(fā)送圖片數(shù)據(jù)流給上位機，讓上位機提取。

實際上，方式（1）在嵌入式端提取了圖片，再按單張發(fā)給上位機，且為了圖片的數(shù)據(jù)安全有效，上位機需再次提取， 導致嵌入式端的提取多此一舉。因此，本設計采用第二種方案。

2.2 以太網(wǎng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)除了使用 IEEE 802.3-2002 標準發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的以太網(wǎng)外設，還采用 μC/OS-III 配合 LWIP 的設計，便于各類任務高效有序運行。其中，LWIP 是一種輕量級TCP/IP 協(xié)議棧，可不依賴操作系統(tǒng)運行，特別是能夠在保持 TCP 協(xié)議主要功能的基礎上減少對 RAM 的使用，節(jié)約了資源，尤其適用于嵌入式終端。μC/OS-III 是一個可裁剪、可固化、可剝奪的多任務系統(tǒng)，無任務數(shù)目限制，是在 μC/OS-II上改進的μC/OS 第三代內(nèi)核，其中斷時間極短，不僅解決了同時等待多個內(nèi)核對象的同步問題，且加入了時間戳控制，大大提升了ARM 處理器的運算速度。為提升網(wǎng)絡傳輸速度與時延，更好地滿足實時性的要求，本設計最終選樣在 μC/OS-III上運行 LWIP 協(xié)議棧的設計方案。本設計中系統(tǒng) μC/OS 任務包括網(wǎng)絡傳輸任務、LWIP 連接任務、按鍵檢測任務、LCD 顯示任務、LED 閃爍任務和開始任務等，使用操作系統(tǒng)節(jié)省了系統(tǒng)資源，降低了功耗，更有利于嵌入式設備的持久運行。緩沖區(qū)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒倘鐖D 2 所示。

                                                                                                                                          圖 2 緩沖區(qū)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒?

3 圖像輪廓檢測處理系統(tǒng)設計

本次上位機采用QT5.7（MinGW5.3版）設計，并利用OpenCV計算機視覺庫作為圖像處理方案。通過在 Qt軟件框架下調(diào)用OpenCV函數(shù)庫，實現(xiàn) PC端圖像邊緣檢測。本系統(tǒng)通過使用OpenCV3“內(nèi)核”與“插件”相結合的架構形式， 大大提高了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性。文中設計的圖像檢測算法涉及邊緣檢測、尋找輪廓和圖像的矩等內(nèi)容。Canny邊緣檢測算子是一種最優(yōu)的邊緣檢測算法，在實際編程中直接調(diào)用 Canny 函數(shù)即可。本系統(tǒng)采用變分法，滿足了低錯誤率、高定位性、最小響應三大標準，并使用OpenCV庫提供的findContours 函數(shù)在二值圖像中尋找輪廓。最終界面設計如圖 3所示。

4 結 語

本系統(tǒng)實現(xiàn)了機器代替人工檢測工件劃痕的功能，可作為工業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的一個節(jié)點，結合現(xiàn)代工業(yè)自動化的實際需求，將圖像檢測技術和物聯(lián)網(wǎng)通信技術巧妙結合，大大降低工業(yè)生產(chǎn)的檢測環(huán)節(jié)人力使用成本，并提出了一種全新的工業(yè)生產(chǎn)自動化產(chǎn)品檢測環(huán)節(jié)的解決方案，提高了產(chǎn)品檢測的精度與速度。在未來的工業(yè)生產(chǎn)自動化過程中，可采用選擇路由器網(wǎng)線傳輸或 WiFi 傳輸?shù)确绞?，搭建物?lián)網(wǎng)多節(jié)點檢測系統(tǒng)， 利用主機總控機制，建立一個大型的基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和圖像檢測技術的工件檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)真正的工業(yè)生產(chǎn)自動化。

圖 3 最終界面設計