计算机科学与技术毕业论文-计算机硬件检测系统图像处理软件开发

计算机硬件检测系统图像处理软件开发第一章绪论PAGE8PAGE5计算机硬件检测系统图像处理软件开发摘要制造业是我国的重要产业支柱之一，为我国的经济发展提供了基础支撑。在科技快速发展的21世纪，计算机技术应用到各行各业，为各行各业的发展提供了有效助力。将计算机技术应用在制造业能够有效提升生产效率，因此对智能制造进行研究也必将成为我国学者未来的研究重点。机器制视觉技术的一个重要应用就是对生产线上的产品进行快速的视觉检测，检查产品外观是否存在瑕疵，在发现产品存在瑕疵时自动进行相应的处理，从而提升生产企业的生产效率。目前在食品、医疗、化工等行业，机器视觉技术都已经得到了较为广泛的普及应用，加速了我国制造行业的智能化进程。在本课题的研究中，笔者将基于工厂的实际发展状况及发展需求，设计具有较高可行性的图像处理软件，借助该系统可以对生产线上的产品外观进行拍摄，将拍摄的图像与标准数据进行对比核验，以此来检查产品的外观合格程度。研究的重点在于对图像处理软件的数据处理系统部分进行设计，数据处理系统主要包含相机管理、数据管理、信息管理、参数管理及运行管理五个模块，这五个模块的协调沟通能够有效完成生产线产品外观检测工作。在完成图像处理系统的开发后，本文还对系统的各个方面进行了逐项测试，确保设计开发的系统能够稳定运行。关键词：计算机硬件检测系统、图像处理软件、设计开发目录TOC\o"1-3"\h\u22602第一章绪论 3214651.1研究背景与意义 3185171.2研究现状 3132041.3研究内容 4238561.4研究方法 43588第二章系统开发相关技术概述 5254742.1Qt相关特性 562182.2GigEVision 5211442.3JSON数据格式 528782第三章软件开发需求分析 7278083.1系统需求概述 77943.2相机管理方面的需求分析 8148273.3数据管理方面的需求分析 852263.4消息管理方面的需求分析 9325223.5参数管理方面的需求分析 10112663.6运行管理方面的需求分析 1133283.7非功能性方面的需求分析 1126375第四章系统设计 139934.1系统设计概述 1317124.2相机管理模块的设计 1391144.3数据管理模块的设计 1521844.4消息管理模块的设计 15255194.5参数管理模块的设计 16157684.6运行管理模块的设计 174658第五章系统测试 19164045.1软件测试的目的与原则 19315625.2测试分类 19254115.3测试用例 1926103第六章结论 2122524参考文献 23第一章绪论1.1研究背景与意义近现代以来，我国的制造业得到快速的发展，在庞大的土地面积和巨大的人口基数背景下，我国的制造业规模得以走在世界的前列，制造业的快速发展也为我国的经济提供了重要的资金支撑。研究调查显示，至2020年我国已经发展出48种工业制造大类，覆盖721种细分工业的制造生产[1]。尽管我国的制造业相当发达，但与西方发达国家相比，我国的制造业有覆盖面广但缺乏高精尖制造技术的特点，明显缺乏产品创新能力，资源的利用率较低[2]。而在科技快速发展的社会背景下，人口基数和土地面积的优势将越来越不明显，因此如果持续发展传统的制造行业，而不尝试提升我国制造行业的技术水平，就可能会使我国的综合实力与发达国家之间的差异越来越大，不利于我国的未来长期发展。因此，我国就要尝试助力制造行业的创新发展，推动智能制造的研发改革。制造行业的创新发展不仅意味着将智能产品应用在制造行业中，还意味着创新研发更先进科学的制造工艺及生产设备。2013年，德国提出了“工业4.0”的概念，“工业4.0”指的是基于物联信息系统推进制造行业的产品智能化、装备智能化、服务智能化、生产方式智能化、管理智能化[3]。2015年我国发布了“中国制造2025重大战略发展规划”，详细提出了未来十年中国制造行业的发展方向及发展内容，指出我国的制造行业应逐渐向新时代的高科技智能制造行业转变，通过不断的科技创新使我国能够在世界制造领域取得更高的地位。由于我国人口基数较大，人工劳动力成本相对较低，且我国的科研起步时间和科研水平落后于西方发达国家，因此在目前我国制造行业中，仍有很多企业选择借助人工完成产品外观的检测工作。相对于自动化检测来说，人工检测的失误几率更大一些，且人工检测的速度难以提升。而将自动化检测应用在制造行业的生产管理中，能够有效降低检测失误几率，提升检测速度，减少企业的用人成本。因此对工业检测系统进行研究具有现实意义[4]。1.2研究现状在科学技术快速进步的背景下，世界早已进入智能时代，计算机技术正在逐渐渗透到我们的日常生活及学习工作中，满足人们在学习、生活、娱乐等各方面的需求。在这样的社会背景下，计算机技术与制造行业进行融合发展也是必然的。“工业4.0”概念的提出标志着世界的工业时代进入了一个新的发展时期，世界各国都开始对精准高效的机器视觉进行深入研究。目前美国、日本、德国三国在机器视觉方面取得了更多的研究成果，三个国家垄断了全球机器视觉70%的市场。美国是世界上最早开始研究机器视觉的国家，时至今日，美国已经在机器视觉领域拥有了大量的研发专利及先进科研设备，康奈士、邦纳等视觉研究公司都是美国的[5]。在亚洲，日本则是机器视觉领域研发最为先进的国家，有基恩士、索尼等机器视觉设备生产企业。德国的MVtec公司开发了Halcon，这是一套非常先进的机器视觉集成开发平台，也是当前世界上公认的最完善的机器视觉开发平台。在国内的机器视觉研究现状中，由于传统的模板匹配算法无法满足当前我国制造业生产的检测需求，因此我国的企业都会选择基于金字塔分层搜索策略结合Sobel算子计算边缘点的方法向量对生产线上的产品外观进行检测[6]。相对于西方发达国家来说，我国的制造行业覆盖面更广，这意味着我国智能制造行业有很多还未开发的潜在市场。目前我国对机器视觉的研究主要分为两个方面，分别是智能相机和私人电脑视觉系统。但由于我国的科研水平不足，在科研环境艰难的背景下，很多企业会将发展重心着落于技术含量较低的设备生产上，很少会尝试高新开发高端技术，因此，我国的科研创新还有大的进步空间[7]。2015年，我国发布了“中国制造2025重大战略发展规划”，与此同时，我国加大了对科研创新的资金投入和相关政策扶持，相信在不久的未来，我国便能很快完成从制造大国向制造强国的转变。1.3研究内容本文主要对制造行业的工业检测图像采集系统开发进行研究，从不同模块的需求入手分析目前我国视觉检测工作中存在的不足之处，并提出相对应的解决方案，尝试开发具有更强可行性的图像处理系统。1.4研究方法在本次研究的过程中，本文主要使用到了文献研究法、定性分析法、功能分析法等研究方法。在本次论文开始研究前，笔者借助知网、期刊杂志等渠道搜集了与本次研究相关的理论内容，构建了系统的研究框架，为本文的写作提供了理论基础。在研究的过程中，对研究对象进行了“质”的分析，通过对搜集到的各种材料进行思维加工来分析调整理念，提升设计质量。功能分析法是社会调查常用的分析方法之一，功能分析法的应用为本次研究提供了丰富有效的研究资料。第二章系统开发相关技术概述第二章系统开发相关技术概述2.1Qt相关特性1991年，Qtcompany发布了Qt开发框架，Qt是一个C++通用程序开发框架，适用于Windows、手机端等各类主流平台[8]。Qt内包含网络库脚本、引擎、音视频技术等各类开发应用程序所需需要使用的技术模块，时至今日，全球至少有100多万的用户使用过Qt进行程序的开发应用。Qt的特点在于Qt有良好的跨平台特性，与此同时Qt的原对象系统及信号槽机制也是其独有的，这些优点为用户的应用开发提供了便利。2.2GigEVisionGigEVision是自动化成像协会制定的一项通信协议，适用于可以应用在以太网上的视觉应用程序，该通信协议的制定完善了高性能视觉应用程序开放传输平台的定义。由于GigEVision具有优异的通用性与兼容性，因此目前在工业相机领域，GigEVision协议有着广泛的应用[9]。相对于TCP/IP协议来说，GigEVision协议具有支持巨帧传输、传输效率比较高、CPU占比率较低的优点。2.3JSON数据格式JSON数据格式是一种可以统一传递数据的轻量级格式，具有语法简洁、代码可读性高、数据可扩展性强等特点，在网络数据交换间有广泛的应用，目前大多数语言都支持进行JSON解析。在Qt5中有支持对JSON数据进行解析修改的高效接口，Qt5也能以二进制格式将数据保存为JSON文件，使用户可以在需要访问文件时以较快的速度打开文件。计算机硬件检测系统图像处理软件开发第三章软件开发需求分析第三章软件开发需求分析第三章软件开发需求分析3.1系统需求概述在机器视觉的研究过程中，研究重点是视觉检测的研究，研究目标则是使视觉机器能够在生产线工作时准确对生产线上产品进行色彩、形状、污渍等外观方面的详细检测。目前，我国的视觉检测系统多是服务于大型企业，在大型企业确定购入视觉检测系统后，由设计人员将制造企业生产的产品细节特征输入系统作为参照依据，与此同时，根据制造企业的生产要求调整视觉检测系统的配套设施及检测算法，确保能够为制造企业提供检测速度快、检测效果精准的视觉检测系统[10]。高质量的检测系统需要花费较多的人力成本与物力成本，这也就使得我国视觉检测系统的定价普遍偏高，一些中小型企业很难负担得起视觉检测系统的成本。在本课题的研究中，便将软件开发的需求定位在适用于中小型企业的、能够通用于多数检测要求的视觉检测系统。在研究的过程中发现，目前我国的制造行业视觉检测装置多是只能对一条产线的产品进行检测，如果企业需要引进视觉检测装置，那么就需要为每一条生产线配备一套检测设备，不仅加大了企业的经成本支出，而且在更换生产产品时都需要重新对每条生产线上的检测设备进行数据调整[11]。因此在本次设计中尝试开发可以同时对4条生产线进行数据采集的视觉检测装置（如图3.1）。图3.1视觉检测装置示意图3.2相机管理方面的需求分析软件检测的对象是图像数据，在软件开发时，将本系统的需求定位为可以同时对4条生产线进行数据采集，因此视觉检测装置就需要配备多台相机完成数据采集工作，这就需要对相机进行分组管理，基于生产情况对相机进行合理配置，监控相机完成图像数据采集工作[12]。相机管理的需求主要包含三个方面，分别是对相机进行分组管理、对图像获取进行管理、对枚举相机进行管理（如图3.2）。图3.2相机管理需求示意图相机枚举管理的意义在于使系统能够通过网络获取到系统连接的工业相机的相关参数，供用户基于相机的相关参数进行生产操作。确保相机枚举功能能够正常运行的前提条件是相机能够正常工作，且与数据处理软件建立了连接。在用户打开软件后或刷新相机列表后，数据处理软件会进行查询操作，将各相机的基本参数提供给用户查看[13]。分组管理功能的意义在于能够基于一套图像检测装置检测不同生产状况的生产线，满足同时监测多条生产线的生产需求。在不同生产线的生产产品不一致时，各组相机能够基于其配置参数独立完成图像采集工作，多个组别之间的相机能够独立运行，从而保证图像检测效率。图像获取功能是相机管理中最基础的需求，图像获取的功能主要表现在获取图像和封装数据两个方面。在收费管理人员发布数据采集命令后，检测软件会命令相应组别的相机基于设定好的参数获取图像信息，同时按照规定格式完成原始数据的封装，为其他模块的工作提供原始数据信息。3.3数据管理方面的需求分析在软件运行时，系统需要将相机采集到的图像数据及处理结果保存下来，数据管理的内容主要包括共享内存管理和处理结果管理。在进行共享内存管理时，需要对储存空间进行合理的分配，定期整理内存空间，回收使用完成的空间，在空间不足时自动扩容，从而确保处理结果能够得到有效的储存利用[14]。在对处理结果进行管理时，系统需要完成图像的转码工作，对转码后的图像进行预处理，同时记录检测的数量和所需的时间。数据管理模块的需求如图3.3。图3.3数据管理需求示意图3.4消息管理方面的需求分析用户在系统上选定相关的需求后，系统的控制界面会将用户的命令传递给数据处理软件，这就是前后端信息交流过程，对前后端消息进行管理能够提升软件运行的流畅度，为客户提供更优质的使用体验[15]。软件运行的过程中，不同模块之间会产生交互，如果想要使不同模块之间能够协调配合实现最佳工作效果，就要对消息通信机制进行管理，使各个模块之间能够顺利完成消息的发送、绑定、接收等操作。消息管理模块的需求如图3.4。 图3.4消息管理需求示意图在视觉检测软件中，不同模块之间不能相互访问，因此在系统控制界面发布控制命令后，消息管理模块会将控制命令传递给相机管理模块，相机管理模块会向运行管理模块传递命令信息，同时数据管理模块中的图像数据会为运行管理提供数据信息，参数管理为运行管理提供运行工具，最后运行管理将结果信息传递给消息管理模块，消息管理模块再将处理结果传递给信息控制界面。在视觉检测装置运行中，消息传递的流程如图3.5。 图3.5消息传递流程示意图3.5参数管理方面的需求分析参数管理的内容主要包含对相机及系统需要使用的各项参数进行管理，该模块的运行应满足以下需求：首先，确保在系统运行的过程中，相关参数可以实时调整，在系统关闭后，运行参数则可以保存在本地中，在系统再次打开后，可以重新读取本地内的运行参数，并基于本地内存储的运行参数为软件的运行提供算法支持，其次，参数还应具备一定的可拷贝性，用户可以将一台设备中的参数拷贝到其他设备中运行[16]。综上，参数管理方面的需求用例图如图3.6。图3.6参数管理需求示意图3.6运行管理方面的需求分析系统的数据处理工作主要包含图像转码处理和检测工具处理两部分，图像转码处理指的是将相机采集到的原始图像转换为RGB格式图片，使用户能够在系统控制页面预览相机采集的图像。检测工具处理指的是对图像数据的整合及后台辅助工具的相关参数进行算法管理，在软件运行的过程中，参数管理模块会为运行管理模块提供处理工具参数，数据管理模块则会为运行管理模块提供原始图像数据。运行管理模块的需求示意图如图3.7。图3.7运行管理需求示意图3.7非功能性方面的需求分析除去以上对相机、参数、运行等功能性方面的需求外，对系统的非功能性方面也存在一定的需求。非功能性需求主要包含性能需求和稳定性需求两个方面，性能需求指的是视觉检测装置的检测速度大于工厂流水线的生产速度，稳定性需求指的是在生产的过程中，视觉检测装置能够使用较长的时间，确保外在因素对视觉检测装置的使用影响较小。第四章系统设计第四章系统设计第四章系统设计4.1系统设计概述视觉检测系统主要由两个方面组成，前端的系统控制界面为用户提供操作服务，使用户能够在操作界面上下达指令，对系统运行情况进行监控，调整系统的各项参数；后台的数据处理部分则为客户提供图像采集、图像转码、数据管理，消息管理、运行管理等各方面的操作。在开发系统前端的控制界面时，使用了QML进行开发，同时将前端控制界面分为开始界面、配置界面和监视界面[17]。在开发系统后端的数据处理部分时，则是基于QtC++进行开发，逐一完成各个模块的详细设计。视觉检测系统的大概框架如图4.1。图4.1视觉检测系统框架示意图4.2相机管理模块的设计工业相机会将拍摄到的图像数据传递给处理机，从而为系统提供处理数据。在设计相机管理模块时，应该对工业相机进行分组控制，使用户能够及时获取到相机的各项参数，在下达数据采集命令后也能及时得到所需的目标图像，相机管理模块的设计框架如图4.2。一般情况下，可以将相机的状态分为4类：在主动采集状态时，相机管理模块会基于采集命令主动进行图像数据的采集；在空闲状态时，相机管理模块停止进行图像数据的采集；在回调采集状态，相机会在每次接收到触发信号后收集并传回一帧图像；在相机配置状态，相机会停止工作，同时对采集参数进行调整。相机的各种状态如图4.3。相机枚举功能的意义在于用户可以在系统启动后或手动刷新相机信息时后获取相机的各项参数，相机枚举功能的运行流程图如图4.4。在用户下达相机枚举命令后，系统会自动查找知网内GigE协议设备，如果相机数量小于0，那么会自动通知前端UI，操作界面显示相机列表为无。如果枚举数量相机大于0，那么就会逐一对每一台相机创建句柄，判断相机的可访问性。如果相机不可访问，系统会自动访问下一台相机，在打开相机设备后，系统会获取传输最佳包的大小，批量获取设备信息，然后关闭设备并保存机柄，与管理组进行绑定。在得到所有相机的参数信息后，相机列表自动进行整理并呈现在用户的操作界面。图4.2相机管理模块设计框架示意图图4.3相机的四种状态示意图图4.4相机枚举功能运行示意图4.3数据管理模块的设计一般来说，生产线的生产速度很快，这就意味着图像检测设备会在短时间内接收大量的图像数据，数据管理模块的意义正是对大量的图像数据进行合理管理。在数据管理模块中，共享内存会对一块较大的内存区域进行维护，将内存区域分为多个block，同时会向其他模块提供内存分配和内存释放两个接口。当其他模块通过内存分配接口申请到未分配的block后，这块空间就会用来储存相应的图像数据，在内存空间使用完成后就会立即被释放。如果其他模块没有查找到未分配的block，共享内存就会自动扩容，向系统申请新的内存空间，并从新的内存空间中选择未分配的block作为图像数据的储存空间。处理结果管理是数据管理模块的另一个主要内容，处理结果主要有转码图像、预处理结果和算法处理结果三类。4.4消息管理模块的设计在软件开发的过程中采用了Qt的元对象机制，强化了消息管理模块，提升了用户交互的便捷性。用户在下达图像预览命令时，前台的控制界面会向数据处理软件发送图像转码命令，相机管理模块会完成图像的采集及转码，在相机管理模块将转码完成的消息转送给采集线程后，采集线程会控制系统刷新图像界面，用户即可看到最新的图像。这是图像预览过程中的一次消息循环，如果接下来用户还需要进行图像预览，那么这一消息循环就会不断进行。在用户下达停止消息预览的命令后，前端页面会通知数据处理软件停止图像的采集与转码。在这一过程中信息循环的过程如图4.5。图4.5图像预览信息循环示意图4.5参数管理模块的设计特殊管理模块负责对系统中的相机参数及运行参数进行管理，为系统的运行提供算法支持。在对相机参数进行配置时，首先，用户应进入某一相机的配置界面，查看该相机的实时画面和相关参数，接下来选中参数列表中的某一项参数并调整其目标数值。相机的参数主要有基本参数、3a参数和采集参数三类，参数的形式有文本形式、肯定或否定形式、数字化形式，但需要注意的是，所有参数都有一定的范围。用户在对参数进行修改完成后，系统会将修改好的参数以命令的形式发送给相机，相机在接收到命令后会自动调整参数，并判断参数是否成功调整完成。如果相机能够成功调整参数，那么操作页面将会自动返回到显示实时画面和相机参数的界面，如果相机没有成功调整参数，那么操作界面依旧显示原有的参数。在设置参数成功后，用户需要在本地保存各项参数，然后刷新操作界面即可完成相机参数的配置流程。配置相机参数的流程图如图4.6。图像监测系统配备有矫正、色彩调整、距离、轮廓和圆形5个图像检测工具，在系统运行的过程中，用户可以配置每一个工具的参数，从而调整工具的使用效果。此外，系统会以组为单位对检测工具进行管理，每一个组内都会有一个检测模板作为参考依据，用户可以基于组内的检测模板添加不限量的检测工具。图4.6相机参数配置流程示意图4.6运行管理模块的设计在软件运行的过程中，运行管理模块需要负责对所有的原始图像数据进行处理，转换原始图像的格式，使用户可以在操作页面预览图像，转换图像格式的流程示意图如图4.7。运行管理模块还会对工具进行预处理，系统控制前端会向消息管理模块发送预处理命令，运行管理模块从消息管理模块处接收到相关信息后就会进入工具预处理流程。系统可以从工具预处理信息中找到目标工具的工具ID，获取工具的相关参数。如果预处理的工具为初次创建，将会以缺省参数进行填充。工具预处理的流程示意图如图4.8。图4.7图像转码流程示意图图4.8工具预处理流程示意图第五章系统测试第五章系统测试5.1软件测试的目的与原则对软件进行测试的目的是避免软件在正式投入使用后出现严重缺陷，给生产使用造成巨大的损失，因此在软件正式投入使用前，需要对软件进行详细的测试，检查软件运行过程中是否存在bug和缺陷，从而提升软件的可行性，确保软件能够为客户带来更好的使用体验。软件测试应遵循以下原则：1软件测试的目的是找出软件运行中的bug，而不是验证软件的正确性。2软件测试工作越早开始越好。3重点对与预期不符的数据进行测试。4软件设计人员应请同事对自己的软件进行测试检查，避免个人主观意识影响检测水平。5在测试的过程中应不断对测试用例进行修改完善。6在测试的过程中还应该考虑到经济性原则，避免造成较大的经济损失。5.2测试分类软件测试主要可以分为单元测试、集成测试、系统测试和验收测试四个阶段。首先，在单元测试阶段，测试人员会对软件中的单元进行逐一测试，单元测试是软件测试中最为详细深入的测试方式。其次，在集成测试阶段，测试人员会对多个单元的组合应用模式及效果进行测试，检查多个单元是否可以组合运行，集成测试的重点在于检查不同单元之间的部件和接口是否正确。接下来，在系统测试，主要检查计算机的硬件、网络、外设等配置是否正确，检查系统是否能够满足用户的应用需求。最后，在验收测试阶段，设计师和用户按照任务书对软件进行检验测评，该阶段是软件测试中的最后一个阶段。5.3测试用例系统测试是一项繁杂的工作，因此在此仅详细阐述相机管理模块的测试流程。测试情况如表5.1。表5.1测试用例表测试模块相机管理模块前置条件相机与系统连接正常测试内容用例描述预测结果实际结果相机枚举启动软件，进入相机界面，查看相机的参数信息相机列表能够正确显示所有相机及其参数同预测结果相机加入组选择一个相机，并将该相机加入某个组相机组列表中出现新加入的相机同预测结果相机移出组在某组中选择相机，并选中移除选项相机组列表中不再有已移除的相机同预测结果相机预览选择一个相机，右键选中预览功能图像显示区域出现实时画面同预测结果第六章结论第六章结论在本课题的研究中，笔者尝试开发一套能够同时监控4条生产线的图像数据处理软件。在开发的过程中，笔者基于我国图像监测装置研发的发展现状，分析了目前我国机器视觉发展中存在的问题，尝试设计出用高效科学的图像处理软件，助力我国制造行业的智能发展。在本文的写作过程中，笔者首先简述了系统开发所需要使用的相关技术，接下来从相机管理、信息管理等方面分析了系统开发的所有需求，基于开发需求完成了图像处理软件的开发设计，最后经过系统的测试，确定此套图像处理软件能够持续稳定的运行，希望这套图像处理软件能够为我国中小型制造企业的发展提供助力。由于笔者的水平有限，在本论文的写作过程中，可能存在着一些不足之处，在未来，笔者会对该课题进行持续的研究，希望能够设计开发出更优