在焊縫別算法中應用多核技術
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摘要：介紹了一種以多核處理器為主控制器的智能化焊接的計算機控制系統(tǒng)，通過對多核處理器的內部結構的分析，改進了傳統(tǒng)自動焊機中使用的多處理器系統(tǒng)，消除了數(shù)據(jù)在PCB板上傳輸時所帶來的延遲，加快了運算速度，對多核處理器和與之相應的軟件技術進行了深入分析。
關鍵詞：多核處理器；延遲；多維圖像；焊縫識別；智能自動焊
概述
機器視覺技術是智能自動化焊接的核心技術之一。近年來，隨著計算機硬件技術的發(fā)展和智能自動化技術在焊接行業(yè)中的大量應用，機器視覺系統(tǒng)得到了長足的發(fā)展和應用。在企業(yè)的生產一線得到了大規(guī)模的推廣應用。對整個控制系統(tǒng)而言，視覺系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、響應時間短的要求，因而，從設計的角度講，不論是對圖像處理的軟件算法，還是硬件器件和線路的組成都有著苛刻的要求。傳統(tǒng)的電路構成是以多處理器系統(tǒng)為核心來獲得較強的運算能力，且軟件算法與這一硬件結構相適應。多核處理器的出現(xiàn)，對多處理器系統(tǒng)的結構提出挑戰(zhàn)，是其完美的升級替代方案，如再對軟件算法設計進行改進，則可使系統(tǒng)性能得到質的提高，以下將對這一系統(tǒng)的硬件構成、原理、和算法設計進行闡述。
1系統(tǒng)構成
1．1多處理器系統(tǒng)
在焊接生產中，有幾種場合要用到圖像識別技術，如工件位置識別（零件結構組裝中的位置識別和定位焊焊縫的起始焊接位置識別），焊縫識別（包括焊縫在工件上的空間位置和自身的三維形狀識別），焊接溫度場的識別（焊接工件上的焊縫和熱影響區(qū)的溫度場的測量及計算，多采用紅外非接觸測量）。在這些應用中，圖像干擾因素多，成像質量差。如弧光干擾，強電場（引弧脈沖中和維弧脈沖產生）干擾，強磁場（焊接電流形成）干擾等。為了獲得好的“視覺測量”效果，通常對干擾嚴重的圖像丟棄不用，并選用高分辨率的攝像機和高的圖像采樣率，將多種探測方式（可見光攝像機、紅外攝像機、激光測量成像儀等）得到的圖像分別運算后再綜合。在多處理器系統(tǒng)中，為了減輕主處理器的負擔，往往將單一圖像矢量化后再送至主控制器中進行綜合，這樣傳輸數(shù)據(jù)有一定滯后性，如將多種位圖數(shù)據(jù)直接送主控制器，則主控制器無法在極短的響應時間內完成運算。改進后多處理器的系統(tǒng)結構如圖2所示，其中的改進方法是將多個傳感器獲得的圖像直接存入系統(tǒng)公用的RAM區(qū)中，形成多維圖像數(shù)組。例如，圖像的第一分量可能為亮度陣列，第二分量可能為紅色光陣列，第三分量可能為藍色光陣列，第四分量可能為紅外光陣列（紅外攝像機對溫度場測量獲得的），第五分量可能為激光測量圖像（X，Y，Z），等等。這樣，在多核CPU內可以對RAM中的多維圖像做一次性處理，從而減小了上下級處理器的傳輸所帶來的延遲（這種延遲是PCB板上線路帶來的延遲，而不是芯片內部的延遲），加快了系統(tǒng)的響應速度。在A系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)經(jīng)過多級處理器分別處理，在時間上存在著較大的延遲。B系統(tǒng)中雖共享數(shù)據(jù)區(qū)，但多個處理器之間的協(xié)作耗時巨大，在某種程度上減小了多處理器所帶來的優(yōu)勢。處理器協(xié)作的耗時與處理器的個數(shù)N的2次方成正比，這種耗時隨處理器的個數(shù)N急劇直線上升，因而在實際應用中較少應用。在上述2種系統(tǒng)中，處理器之間的總線都是在PCB電路板上的銅箔實現(xiàn)的。都存在著較大的板級延遲時間，當前的處理器的運算速度（也就是處理器的內頻）都可達幾百兆赫茲到幾個吉赫茲之間，運算速度很快。但處理器的外部頻率不能過高（這是由電路板的銅箔的長度決定的），PCB電路板上的數(shù)據(jù)總線之間是以處理器的外頻工作的。大多數(shù)的工業(yè)處理器的外頻只有幾十兆赫而已，因而，PCB板上的總線的傳輸?shù)乃俣瘸蔀檎麄€系統(tǒng)的瓶頸。
1．2多核處理器
可以看到，在結構上，多核處理器的結構與傳統(tǒng)多處理器系統(tǒng)的改進后的方案相似。但根本區(qū)別在于：（1）多核處理器的總線是在芯片內部實現(xiàn)的，是以處理器的內頻工作的，速度可達幾百兆到幾個吉；（2）多核處理器內部的各個處理器之間的協(xié)作是由硬件完成的，在各個核工作的同時由專用的控制電路完成，因而，軟件在協(xié)作方面的耗時極少。傳統(tǒng)的多處理器系統(tǒng)是由軟件完成協(xié)作關系，這樣，多核處理器就能更有效地利用內部的各處理器去完成圖像分析的相關運算，宏觀上表現(xiàn)為處理器的運算速度更快。從算法角度講，多核處理器能避免重復運算。多維圖像可以優(yōu)先處理在同一方向分量矩陣，這樣，數(shù)據(jù)有較多的相關性，運算容易簡化，參與運算的數(shù)據(jù)的絕對值較小。處理器計算小數(shù)值的數(shù)據(jù)所用的時鐘周期數(shù)少、用時短、易獲得較快的運算速度。在同樣的集成電路工藝下，多核處理器較多處理器系統(tǒng)有較明顯的運算速度的優(yōu)勢。多核處理器的優(yōu)勢還體現(xiàn)在對焊接過程中所得到的原始多維圖像的處理的適應性上。多維圖像以多維數(shù)組的形式存在共用的RAM中，各個內核都能以平等的方式訪問數(shù)組中的各個數(shù)據(jù)，這樣，在數(shù)據(jù)的訪問上更為靈活。由于多個內核都處于平等的位置上，所以，可以集中運算分散控制。多核處理器具有出色的多任務處理能力，因此，在焊接視覺系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集、圖形運算、反饋控制能達到一種較好的均衡狀態(tài)。這樣對于關鍵運算工作圖2改進后的多處理器系統(tǒng)結構圖3RAM中多維數(shù)組量的分派就會更為的靈活。例如，可以選擇其中2個核完成一個算法，其他的每一個核完成一個算法，使各個內核的運算能力得到充分的發(fā)揮。從以上對焊接圖像處理算法的特點分析可以看出，多核處理器，較多處理器系統(tǒng)更能適應焊接過程中圖像識別的要求。
2結語
焊接技術在不斷地發(fā)展，從最初的簡單光電焊縫識別發(fā)展到后來的焊件組配圖像視覺，從平面圖像的簡單識別到三維圖像的建模，再到焊縫多維圖像的應用。智能自動化焊接技術在實際生產中的應用將會更深入地發(fā)展下去。處理器技術的不斷進步以及與硬件結合相適應的新的數(shù)學運算模型和控制機理的建立，為這一發(fā)展提供了持續(xù)的動力。本文綜述了多核處理器和多維圖像型在智能焊機視覺系統(tǒng)中的應用與改進過程。在工廠車間的實際運行中，獲得了良好的效果，焊機的抗干擾能力、對各種環(huán)境的適應能力以及焊機的檢測速度和生產速度得到了顯著提高，達到了預期的改進效果。
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作者：劉飛 黃燕梅 張秀珍 單位：張家口職業(yè)技術學院 宣化鋼鐵機械制造有限責任公司