基于OpenCV與USB工業(yè)相機(jī)零件檢測系統(tǒng)的圖像處理研究

摘要：針對OpenCV庫函數(shù)在Linux平臺下不能直接獲取非V4L接口的USB工業(yè)相機(jī)視頻流和IplImage結(jié)構(gòu)的圖像不能直接顯示于Qt控件中的問題，提出了一種新的解決方法：共享數(shù)據(jù)流法，并在Qt集成開發(fā)環(huán)境下完成共享數(shù)據(jù)流法的程序代碼編寫；最后通過與原有方案的實驗對比，驗證了共享數(shù)據(jù)流法的可行性和優(yōu)越性，為實現(xiàn)高速高精度機(jī)械零件檢測系統(tǒng)打下良好的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：圖像處理；OpenCV；USB工業(yè)相機(jī)；Linux

中圖分類號：TN919—34；TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004—373X（2012）18—0128—05

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)日益俱進(jìn)，其應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在機(jī)械零件檢測方面，由于它具備非接觸式測量、測量精度高、測量速度快等特點，在許多場合已經(jīng)逐步代替了傳統(tǒng)測量方式[1]。而開源計算機(jī)視覺庫OpenCV是研究機(jī)器視覺必不可少的資源，因此出于成本、穩(wěn)定性、移植性、開發(fā)周期等原因，人們開始在各種平臺上運用OpenCV研究開發(fā)機(jī)器視覺應(yīng)用軟件，近些年來，基于Linux平臺較為熱門[2]。

在Linux平臺下OpenCV的使用還存在著局限性，首先是獲取視頻流函數(shù)cvCreateCameraCapture（），只支持IEEE1394和V4L接口的視頻設(shè)備（IEEE1394和V4是在linux內(nèi)核中視頻設(shè)備的API接口）。但目前支持V4L接口的USB工業(yè)相機(jī)并不多，因此采用USB工業(yè)相機(jī)的開發(fā)者，面對OpenCV的強(qiáng)大資源只能嘆為觀止；其次是OpenCV的Highgui庫不支持Qt的后臺開發(fā)，IplImage結(jié)構(gòu)圖像不能通過函數(shù)cvShowImage（）直接顯示到開發(fā)軟件控件中。針對這兩個問題，目前較為通用的解決方法就是圖像格式的轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換法占用較多的軟硬件資源，處理速度也較慢。因此，本文基于USB工業(yè)相機(jī)硬件平臺和Qt，OpenCV軟件平臺，提出了一種新的研究方法，并通過實驗驗證了其可行性。

1硬件系統(tǒng)平臺

本文使用的硬件平臺框架圖如圖1所示。該平臺采用德國ISD公司的UI—2440工業(yè)相機(jī)，該相機(jī)采用USB接口取代傳統(tǒng)的板卡式與上位機(jī)連接，降低成本，數(shù)據(jù)傳輸速度快，即插即用，方便操作，支持Window，Linux等操作系統(tǒng)。平臺還采用了步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用戶可以準(zhǔn)確、方便地控制工作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用戶可以準(zhǔn)確、方便地控制工作臺的升降位置，從而實現(xiàn)相機(jī)物距的準(zhǔn)確定位。在本文中主要基于該硬件平臺對圖像采集、處理與顯示的研究。

軟件應(yīng)用程序的開發(fā)是在PC機(jī)上完成的，PC機(jī)上的開發(fā)環(huán)境是Ubuntu11.10。Ubuntu操作系統(tǒng)具有源碼開放、軟件完全免費、系統(tǒng)穩(wěn)定、安全可靠、可裁剪、移植性好等顯著優(yōu)點，近些年來，越來越受到企業(yè)及個人用戶的青睞[2]。本設(shè)計還需要在Ubuntu下安裝Qt、OpenCV和ueyeSDK等軟件工具包。

本設(shè)計應(yīng)用程序主要以O(shè)penCV庫和Qt集成開發(fā)環(huán)境為核心，負(fù)責(zé)處理視頻數(shù)據(jù)采集、處理與圖像顯示。

開放源代碼的計算機(jī)圖像處理庫OpenCV（IntelOpenSourceComputerVisionLibrary）是由一些C函數(shù)和C++類所組成的庫，用來實現(xiàn)圖像處理及計算機(jī)圖像算法。OpenCV具有以下優(yōu)點：

（1）OpenCV庫為開源的免費軟件，開發(fā)者不僅可以對其源代碼進(jìn)行修改，還可以添加自主研發(fā)的類庫，以提高軟件開發(fā)的靈活性，節(jié)約開發(fā)成本；

（2）OpenCV庫提供了豐富的圖像處理函數(shù)，開發(fā)者無需再花大量的時間自己編寫，可以縮短開發(fā)軟件周期，提高了開發(fā)效率；

（3）OpenCV庫中大部分函數(shù)都經(jīng)過匯編優(yōu)化，基于OpenCV開發(fā)的應(yīng)用軟件具有較高的運行效率[3]。

Qt是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮?，很容易擴(kuò)展，并且允許真正地組件編程。Qt具有優(yōu)良的跨平臺特性、面向?qū)ο?、豐富的API、大量的開發(fā)文檔等優(yōu)點。本設(shè)計應(yīng)用程序主要基于Qt開發(fā)[4]。

3圖像采集與顯示關(guān)鍵技術(shù)

目前，在Linux平臺下對非V4L和IEEE1394接口的攝像設(shè)備使用OpenCV，許多學(xué)者主要以圖2中的方案（文中稱轉(zhuǎn)換法）進(jìn)行處理[5]。

首先，利用相機(jī)的SDK開發(fā)包中的相關(guān)函數(shù)直接從相機(jī)中讀取圖片[6]，將其轉(zhuǎn)換成IplImage結(jié)構(gòu)，然后調(diào)用OpenCV相關(guān)函數(shù)進(jìn)行處理，再將其轉(zhuǎn)成QImage格式在Qt控件中顯示。從采樣到顯示，圖像要經(jīng)過2次格式轉(zhuǎn)換。這樣的轉(zhuǎn)換過程，運算量增加，不但占用較多的CPU和內(nèi)存資源，而且也會使得圖像的顯示頻率降低，造成采樣數(shù)據(jù)因不能及時顯示而丟失或是降低采樣頻率來響應(yīng)顯示頻率；更重要的是在圖像轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)流總存在著或多或少的丟失，影響原有圖片的質(zhì)量，最終降低檢測系統(tǒng)的測量精度。