0 引言

　　隨著工業(yè)4.0的到來，自動化技術(shù)開始越來越多地在制造業(yè)市場中使用，而機(jī)器視覺在自動化技術(shù)領(lǐng)域中具有舉足輕重的地位。作為近年來制造業(yè)中的關(guān)鍵技術(shù)，機(jī)器視覺在線檢測技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)被推上了風(fēng)口浪尖。然而，基于機(jī)器視覺的高速在線檢測技術(shù)成為了制約制造業(yè)發(fā)展的瓶頸。學(xué)者周文舉發(fā)表的文獻(xiàn)[1]對機(jī)器視覺的在線高速檢測系統(tǒng)作了比較前沿的描述。

　　近年來，國內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)大量引進(jìn)機(jī)器視覺在線檢測技術(shù)，試圖用機(jī)器取代工人來節(jié)約生產(chǎn)成本。機(jī)器視覺在線檢測系統(tǒng)一般都是安裝在生產(chǎn)線作業(yè)流程當(dāng)中，故其檢測速度必須大于等于高速生產(chǎn)線現(xiàn)有的運(yùn)行速度?，F(xiàn)有的高速拍照技術(shù)也已經(jīng)很成熟，但在線檢測技術(shù)卻面臨著如下問題：(1)速度達(dá)不到要求；(2)高速視覺檢測軟件運(yùn)行不穩(wěn)定；(3)漏檢誤檢率高。

　　本文針對現(xiàn)有的機(jī)器視覺在線檢測系統(tǒng)所遇到的問題，巧妙利用計算機(jī)的數(shù)據(jù)緩存機(jī)制[2]解決由計算機(jī)操作系統(tǒng)本身、負(fù)載差異和用戶操作所帶來的干擾問題。本設(shè)計以高速雪糕棒質(zhì)量在線檢測[3]應(yīng)用為案例講述詳細(xì)的設(shè)計方法。此設(shè)計方法不局限于雪糕棒質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)，還可以擴(kuò)展到其他領(lǐng)域產(chǎn)品的高速在線檢測系統(tǒng)中。

1 高速在線檢測系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

　　1.1 總體架構(gòu)

　　本文使用高速雪糕棒質(zhì)量在線檢測系統(tǒng)作為一般的高速視覺在線檢測系統(tǒng)模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中A、B、C、D分別為檢測雪糕棒的正面、左側(cè)、右側(cè)和反面攝像機(jī)。本系統(tǒng)以多攝像機(jī)在線檢測為例，同樣適用于單攝像機(jī)。

　　1.2 工作原理

　　系統(tǒng)運(yùn)行時，機(jī)器生產(chǎn)出來的雪糕棒直接落入到圖1所示的儲箱中。儲箱下方是帶等間距凹槽的鏈條，儲箱中的雪糕棒自動落入到凹槽中，電機(jī)帶動鏈條運(yùn)動，將堆積的雪糕棒轉(zhuǎn)成流水線上等間距排列的雪糕棒，多余的雪糕棒由掃棒器掃回到儲箱中。光電傳感器正對著鏈條上凹槽的凹陷處，一個凹槽對應(yīng)一根雪糕棒，故每經(jīng)過一根雪糕棒，光電傳感器就會產(chǎn)生一個脈沖。4個攝像機(jī)的外觸發(fā)線并聯(lián)后連接到光電傳感器的信號輸出端，由一個脈沖同時觸發(fā)4個攝像機(jī)拍照。固定4個攝像機(jī)的位置，使得觸發(fā)時刻流水線上雪糕棒正好落入到攝像機(jī)的視場中心。攝像機(jī)采集圖像完成后通過USB3.0數(shù)據(jù)線把數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)。計算機(jī)接收到數(shù)據(jù)后開啟多線程并行處理4攝像機(jī)的圖像，并將處理結(jié)果存儲在結(jié)果緩存器中等待輸出。當(dāng)雪糕棒運(yùn)動到第一個氣泵時，從結(jié)果緩存器中取出當(dāng)前雪糕棒4個面的檢測結(jié)果，合并后輸出。輸出端由4個電磁閥分別彈出U(次優(yōu))、B(良)、C(中)和D(差)4個等級的雪糕棒，沒有缺陷的雪糕棒跟隨流水線落入到最末端的J(最優(yōu))級容器中。

2 干擾源分析

　　計算機(jī)運(yùn)行高速在線檢測軟件時，計算機(jī)硬件和軟件等環(huán)境因素有時會掩蓋算法本身的優(yōu)劣。所使用的操作系統(tǒng)、編譯器、運(yùn)行框架等軟件的不同，可以影響它們的結(jié)果。即使是同一臺電腦、同一種操作系統(tǒng)，CPU使用率和內(nèi)存占用情況不一樣，也會造成細(xì)微的差異。在高速視覺在線檢測系統(tǒng)中，這些微小的差異直接影響程序的穩(wěn)定性。本文總結(jié)出3種影響程序穩(wěn)定性的干擾源。

　　2.1 系統(tǒng)本身的干擾

　　Windows操作系統(tǒng)的多線程一直被認(rèn)為存在著很多問題，例如多線程的不確定性和沒有保障性，各個線程的運(yùn)行完全是以不可預(yù)料的方式和速度推進(jìn)。有時同一個程序運(yùn)行了N次，其結(jié)果也存在著一定的差異。用同一個算法進(jìn)行1 000次運(yùn)算所得到的時間曲線圖如圖2所示。從圖中可以看出系統(tǒng)本身的干擾導(dǎo)致檢測時間的波動達(dá)到±5.5 ms。

　　2.2 負(fù)載干擾

　　當(dāng)負(fù)載差異[4]較大時，檢測時間也會有一定的差異。在高速在線檢測系統(tǒng)中，目標(biāo)的檢測時間存在一般估計量，但是程序運(yùn)行過程中難以保證每次的檢測時間都不會超過一般估計量。隨機(jī)抽取1 000根雪糕棒進(jìn)行檢測，并對檢測時間進(jìn)行統(tǒng)計，得到系統(tǒng)本身干擾和負(fù)載干擾疊加的檢測時間曲線如圖3所示。從圖中可以看出系統(tǒng)干擾和負(fù)載干擾導(dǎo)致檢測時間波動達(dá)到±22 ms。

　　2.3 其他進(jìn)程干擾

　　當(dāng)檢測軟件正在運(yùn)行時，系統(tǒng)突然打開一個進(jìn)程，新的進(jìn)程會搶占CPU和內(nèi)存資源，使得當(dāng)前檢測時間突變。在雪糕棒在線檢測過程中，打開另一個進(jìn)程所帶來時間突變的曲線如圖4所示。從圖中可以看出其他進(jìn)程的開啟導(dǎo)致檢測時間整體升高了。

　　在高速視覺在線檢測系統(tǒng)[5]中，不管是由系統(tǒng)本身、負(fù)載差異還是用戶操作所帶來的干擾都是不可忽略的。這就決定了在高速視覺在線檢測系統(tǒng)中必需要有一種軟件抗干擾方法[6，7]可以緩解這些干擾，為高速視覺在線檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)提供保障。

3 抗干擾方法的設(shè)計

　　通常的軟件抗干擾方法[8]有擴(kuò)頻技術(shù)、剔除異常數(shù)[9]、延時技術(shù)[10]等，擴(kuò)頻技術(shù)主要解決通信上的干擾問題，剔除異常數(shù)要耗費(fèi)大量CPU資源排除異常，延時技術(shù)會耗費(fèi)大量的時間。常用的軟件抗干擾方法無法滿足現(xiàn)在的高速視覺在線檢測系統(tǒng)。為此本文設(shè)計了基于計算機(jī)緩存機(jī)制的高速視覺在線檢測系統(tǒng)的軟件抗干擾方法。數(shù)據(jù)緩存機(jī)制可以有效地減少多線程運(yùn)算的擁塞，減輕計算機(jī)的負(fù)載，加快整個系統(tǒng)的運(yùn)行速度。通過部署結(jié)果緩存器，可以進(jìn)一步提高高速視覺在線檢測系統(tǒng)的性能。

　　本設(shè)計中光電傳感產(chǎn)生的脈沖同時觸發(fā)4個攝像機(jī)采集圖像，圖像采集完成后送入到計算機(jī)內(nèi)存中，4個攝像機(jī)對應(yīng)4個線程分別對各自的圖像進(jìn)行運(yùn)算。運(yùn)算的結(jié)果存儲在由拍照幀數(shù)作為地址偏移量的存儲器中。對于同一根雪糕棒，跟隨流水線先后分別經(jīng)過A、B、C和D 4個攝像機(jī)。當(dāng)經(jīng)過最末端的D攝像機(jī)并且D攝像機(jī)所對應(yīng)的線程運(yùn)算完畢時，一根雪糕棒4個面的檢測結(jié)果均已存儲在結(jié)果緩存器中。從圖1中可以看出，最末端攝像機(jī)與最前端電磁閥之間存在著一定的距離，雪糕棒檢測完成后還需要在鏈條上運(yùn)動這段距離才到達(dá)輸出端。本設(shè)計就是利用這一段的物理距離和計算機(jī)的緩存機(jī)制實現(xiàn)的抗干擾方法。顯然在這里檢測末端與輸出前端的距離與緩沖時間是成正比的，該距離可以在機(jī)械設(shè)計時改變。在此用雪糕棒的數(shù)量來衡量這段距離。檢測末端與輸出前端之間的雪糕棒數(shù)量n只需滿足如下數(shù)學(xué)關(guān)系即可：

　　式中，i表示雪糕棒序號，ti表示第i根雪糕棒的檢測時間，T表示一根雪糕棒的平均檢測時間。由式(1)可知，當(dāng)n=1時，有t1<T，緩沖時間為(T-ta)；當(dāng)n=2時，有t1+t2<2T，緩沖時間為2(T-ta)；當(dāng)n=3時，有t1+t2+t3<3T，緩沖時間為3(T-ta)。由此可知n越大緩沖時間越大，但是n增大的代價是計算機(jī)存儲空間和流水線長度的浪費(fèi)。由大量的雪糕棒樣本統(tǒng)計得到結(jié)果，每根雪糕棒的平均檢測時間ta=51.43 ms，產(chǎn)生干擾脈沖幅值大于2ta的概率為0.6%。雪糕棒生產(chǎn)廠商要求檢測的速度為15根/s，算得檢測時限T=66.66 ms。平均一根雪糕棒有Td=T-ta=15.23 ms的緩沖時間。計算機(jī)緩存的作用相當(dāng)于是把每次的緩沖時間都收集起來，供給干擾脈沖消耗。同時，雪糕棒的檢測時間參差不齊，緩存機(jī)制使得各次的檢測時間可以互補(bǔ)，處理時間短的線程把CPU騰讓出來供給處理時間長的線程使用。程序設(shè)計中，使用計數(shù)器對攝像機(jī)采集的幀數(shù)進(jìn)行計數(shù)，每次開啟線程時把計得的幀數(shù)傳遞到線程處理函數(shù)中，線程處理完成后把結(jié)果存儲到以傳入的幀數(shù)為地址偏移量的循環(huán)隊列中。如此一來，檢測時間短的結(jié)果數(shù)據(jù)先入隊，檢測時間長的結(jié)果數(shù)據(jù)后插隊。未使用緩存和使用緩存的檢測時間對比如圖5所示。未使用緩存時，對單次的最長檢測時間M感興趣，使用緩存后，只對多次檢測的平均檢測時間N感興趣。緩存的使用實現(xiàn)了各次耗時不等檢測的時間互補(bǔ)，合理利用了各次檢測的時間余量。經(jīng)過緩沖時間后，最終輸出的是與單次檢測時間長短無關(guān)的結(jié)果序列，從而使得系統(tǒng)具備了抗干擾能力。

4 實驗結(jié)果與性能分析

　　抗干擾方法測試：從工業(yè)現(xiàn)場隨機(jī)抽出一部分雪糕棒，分別運(yùn)行未使用緩存和使用緩存的程序做了測試。測試過程中雪糕棒運(yùn)行速度從1根/s逐步提升到19根/s，通過多次測試并對結(jié)果觀察統(tǒng)計得到的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

　　從實驗結(jié)果看出，當(dāng)雪糕棒的運(yùn)行速度在10根/s以內(nèi)時，平均檢測時間小于規(guī)定檢測時間，未使用緩存和使用緩存的程序運(yùn)行結(jié)果都不存在漏檢現(xiàn)象；當(dāng)速度超過10根/s后未使用緩存的測試結(jié)果開始出現(xiàn)漏檢，而使用緩存的程序還是正常運(yùn)行;當(dāng)檢測速度提升至15根/s時，未使用緩存的程序出現(xiàn)了嚴(yán)重的漏檢現(xiàn)象；當(dāng)檢測速度在17根/s以內(nèi)，使用緩存的程序均不會出現(xiàn)漏檢現(xiàn)象；當(dāng)速度提升至18根/s時，使用緩存的程序檢測結(jié)果也開始出現(xiàn)了漏檢現(xiàn)象。該實驗證明，緩存機(jī)制在高速視覺在線檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用對程序運(yùn)行的穩(wěn)定性有很大的改善。

5 結(jié)論

　　本文所設(shè)計的基于計算機(jī)緩存機(jī)制的軟件抗干擾方法充分利用了空間換取時間思想，最終使得雪糕棒在線檢測系統(tǒng)的檢測速度從原來的10根/s提高到了17根/s，檢測速度提高了70%。由此可知，本文所設(shè)計的軟件抗干擾方法對系統(tǒng)本身、負(fù)載差異以及用戶操作所帶來的干擾具有一定的抵抗力，為一般的高速視覺在線檢測系統(tǒng)的高速、穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

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