机器人智能视觉感知与深度学习应用
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1.4.3 喷码识别系统硬件选型

在设计完成喷码识别系统的功能和实现路线之后,需要完成系统硬件平台的搭建。由于硬件的选型以及硬件系统将直接影响采集图像的稳定性,进而对喷码识别算法的性能造成影响。

1.图像处理单元

目前有许多针对人工智能场景部署算法的嵌入式平台,比传统工控机有更强的算力优势,使得深度学习算法在嵌入式平台上的运行速度得到极大的提升。英伟达公司生产的开发板Jetson TX2是适合于深度学习算法部署的嵌入式平台,计算能力大概是NVIDIA GTX1080的五分之一。Jetson TX2嵌入式开发平台延续了Jeston系列体积小、功耗低的特点,产品实物如图1-11所示,主要参数配置如表1-1所示。

图1-11 NVIDIA Jetson TX2开发板

表1-1 Jetson TX2硬件参数配置

Jetson TX2出厂时已经自带了Ubuntu操作系统,该系统基于Debian发行版和GNOME桌面环境。其背后有强大的社区和专业团队的支持,稳定性高,因此很适合在嵌入式开发板上运行。但一般开发过程中会选择对开发板进行刷机,以便获取到最新的JetPack版本(Jetson Development Pack)。JetPack是一个一体化的软件包,其中包含了NVIDIA Jetson嵌入式平台所有的软件开发工具,并自动更新安装最新的驱动,使得主板的硬件功能和接口充分发挥作用,同时减少了因为软件之间的兼容性而导致程序易崩溃的风险。JetPack SDK构建了AI应用程序最全面的解决方案,除了有深度学习库、GPU计算,还支持BSP、计算机视觉和多媒体处理等功能,其工作模式如表1-2所示。

表1-2 Jetson TX2中的5种工作模式

为了满足喷码识别系统的离线化和实时性,从性能和软件开发的方面考虑,本案例采用NVIDIA Jetson TX2作为喷码识别系统的核心,完成对喷码图像的处理和识别功能。

2.相机和光源的选型

图像的采集是机器视觉系统中的一个重要环节,其中工业相机和光源起到了关键的作用。在有合适的相机和合理的光照条件下,能够很方便地获取到高质量的图像,减少后续的许多预处理操作,提升检测和识别精度。因此在使用工业相机进行检测等任务时,要根据实际情况做出合理的选型。工业相机的选择一般从以下几个方面考虑。

(1)感光元件

感光元件是相机的核心,也是最关键的技术。感光元件是利用光电器件的光电转换功能,将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。目前市场上工业相机的核心成像部件主要分为两种:一种是CCD(Charge Coupled Device)元件,它的使用相对更加地广泛;另一种是CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件。CCD的优势在于成像质量好,抗噪声能力强且不受磁场的影响,但是价格相对昂贵。在达到相同分辨率的条件下,CMOS价格要比CCD便宜许多,还有功耗低、帧率高等优点,但是CMOS器件产生的图像质量相比CCD来说要低一些。考虑到图像的质量对本例检测算法的重要性,CCD相机作为本系统的首选。

(2)分辨率和色彩模式

相机所能够捕捉到的图像的细节度称为分辨率,用像素来衡量。相机的像素越高,拍摄出来的图像中的细节就越多。如分辨率大小为640×480的相机可以拍摄出307 200个像素点信息。分辨率越大,图像就越清晰,能够获取的信息也就越多。但图像保存所需的存储空间也就越大,在数据的传输和后期的处理过程中所要花费的时间也就越长。低分辨率的相机以损失图像更多的细节为代价,来换取占用存储空间小、传输快、处理快等优势。

工业相机的类型可以分为彩色相机和黑白相机两种。彩色相机捕获的图像与人的肉眼所能看到的一样,其图像中每个点的像素值是由三个基色分量:红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)叠加而成的,分量值介于0~255之间。黑白相机采集到的图像称为灰度图像,它保存的信息相对彩色图像较少。灰度图像的主要特点在于它只包含图像一个通道的信息,而彩色图像包含三个通道的信息。灰度图像中每个点的像素值通常用8个二进制数表示,这样可以有256级灰度。因此,在相同分辨率的情况下,灰度图像所占用的存储空间更小,传输时间也更短。考虑到本系统主要关注喷码字符形态、位置和对算法处理速度上的要求,不需要太高分辨率的相机,灰度图像也可满足要求。

(3)数据传输接口

数据传输接口是相机传递图像信息的重要手段,在工业上常用的接口主要有4种,分别是USB 2.0、USB 3.0、Camera Link和千兆以太网(Gigabit Ethernet,GigE)。

①USB 2.0:USB 2.0接口是早期在工业相机上广泛使用的数字接口之一。该接口开发周期短、成本低,目前已广泛应用于计算机和嵌入式系统等设备中,成为硬件厂商的必备接口;但缺点是传输速率最高只有60 MB/s,传输距离近,信号容易衰减等。

②USB 3.0:USB 3.0接口在USB 2.0的基础上进行了改进,增加了并行模式的物理总线和新的传输协议,以此充分发挥5 Gbps的高速带宽优势;但其传输距离近、信号容易衰减等问题依然存在。

③Camera Link:该接口的传输速度比USB 3.0更快,但需要额外购买图像采集卡,不便携,且成本过高。

④千兆以太网:千兆以太网接口是目前工业相机上的主流选择。该接口通过连接千兆以太网卡便可实现信号的传输工作,不仅传输速率高,而且用户可以通过网线实现长距离的图像传输任务。

综合以上各个因素的考虑,本系统最终选择了Baumer工业相机,型号为VLG-02C,如图1-12所示为选型相机的实物图。其分辨率为656×490像素,有彩色和黑白两种模式,支持GigE长距离传输方式,信息传输速度可达千兆比特。最大帧率可达160 FPS,远超工业现场对实时检测性的需求。具体的相机参数见表1-3。

表1-3 Baumer VLG-02C工业相机参数

有了相机还需要光学镜头将待测物体的图像聚焦映射到相机靶面上,与靶面像素相对应。光学镜头对于系统中图像的视野范围和成像质量起到了关键性的作用。选择与Baumer工业相机VLG-02C相匹配的镜头,能充分发挥相机的性能。根据所需要的视野范围和工作距离的考虑,最终选用了焦距为8 mm的Computar镜头,如图1-12所示,靶面尺寸2/3英寸,光圈范围F1.4~F16,C型接口。

喷码字符识别的过程中需要有均匀的光照环境,良好的光照环境有利于高质量图像的采集,减少图像的预处理步骤,也有助于提高算法识别的准确率。LED光源具有光照范围广、稳定性强和使用年限长等优势,在工业界得到了广泛使用。因此,本设计选用了图1-13a所示的LED条形光源。为了使瓶身上的喷码字符清晰且亮度均匀,采用了4个LED条形光源均匀分布在饮料瓶周围,打光方式如图1-13b所示。

图1-12 工业相机和镜头实物图

图1-13 LED条形光源与打光方式