機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成及優(yōu)缺點(diǎn)解析

在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗(yàn)、生產(chǎn)監(jiān)視及零件識(shí)別應(yīng)用，例如零配件批量加工的尺寸檢查，自動(dòng)裝配的完整性檢查，電子裝配線的元件自動(dòng)定位，IC上的字符識(shí)別等。通常人眼無法連續(xù)、穩(wěn)定地完成這些帶有高度重復(fù)性和智能性的工作，其它物理量傳感器也難有用武之地。

由此人們開始考慮利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像，而后經(jīng)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進(jìn)行數(shù)字化處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。這樣，就把計(jì)算機(jī)的快速性、可重復(fù)性，與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機(jī)器視覺的概念。

一個(gè)成功的機(jī)器視覺系統(tǒng)是一個(gè)經(jīng)過細(xì)致工程處理來滿足一系列明確要求的系統(tǒng)。當(dāng)這些要求完全確定后，這個(gè)系統(tǒng)就設(shè)計(jì)并建立來滿足這些精確的要求。

機(jī)器視覺的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：

■精度高

作為一個(gè)精確的測量儀器，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的視覺系統(tǒng)能夠?qū)σ磺€(gè)或更多部件的一個(gè)進(jìn)行空間測量。因?yàn)榇朔N測量不需要接觸，所以對脆弱部件沒有磨損和危險(xiǎn)。

■連續(xù)性

視覺系統(tǒng)可以使人們免受疲勞之苦。因?yàn)闆]有人工操作者，也就沒有了人為造成的操作變化。多個(gè)系統(tǒng)可以設(shè)定單獨(dú)運(yùn)行。

■成本效率高

隨著計(jì)算機(jī)處理器價(jià)格的急劇下降，機(jī)器視覺系統(tǒng)成本效率也變得越來越高。一個(gè)價(jià)值10000美元的視覺系統(tǒng)可以輕松取代三個(gè)人工探測者，而每個(gè)探測者每年需要20000美元的工資。另外，視覺系統(tǒng)的操作和維持費(fèi)用非常低。

■靈活性

視覺系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種不同的測量。當(dāng)應(yīng)用變化以后，只需軟件做相應(yīng)變化或者升級以適應(yīng)新的需求即可。

許多應(yīng)用滿意過程控制（SPC）的公司正在考慮應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)來傳遞持續(xù)的、協(xié)調(diào)的和精確的測量SPC命令。在SPC中，制造參數(shù)是被持續(xù)監(jiān)控的。整個(gè)過程的控制就是要保證這些參數(shù)在一定的范圍內(nèi)。這使制造者在生產(chǎn)過程失去控制或出現(xiàn)壞部件時(shí)能夠調(diào)節(jié)過程參數(shù)。

機(jī)器視覺系統(tǒng)比光學(xué)或機(jī)器傳感器有更好的可適應(yīng)性。它們使自動(dòng)機(jī)器具有了多樣性、靈活性和可重組性。當(dāng)需要改變生產(chǎn)過程時(shí)，對機(jī)器視覺來說“工具更換”僅僅是軟件的變換而不是更換昂貴的硬件。當(dāng)生產(chǎn)線重組后，視覺系統(tǒng)往往可以重復(fù)使用。

機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

機(jī)器視覺技術(shù)用計(jì)算機(jī)來分析一個(gè)圖像，并根據(jù)分析得出結(jié)論?，F(xiàn)今機(jī)器視覺有兩種應(yīng)用。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以探測部件，在此光學(xué)器件允許處理器更精確的觀察目標(biāo)并對哪些部件可以通過哪些需要廢棄做出有效的決定；機(jī)器視覺也可以用來創(chuàng)造一個(gè)部件，即運(yùn)用復(fù)雜光學(xué)器件和軟件相結(jié)合直接指導(dǎo)制造過程。

盡管機(jī)器視覺應(yīng)用各異，但都包括以下幾個(gè)過程；

■圖像采集

光學(xué)系統(tǒng)采集圖像，圖像轉(zhuǎn)換成模擬格式并傳入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。

■圖像處理

處理器運(yùn)用不同的算法來提高對結(jié)論有重要影響的圖像要素。

■特性提取

處理器識(shí)別并量化圖像的關(guān)鍵特性，例如印刷電路板上洞的位置或者連接器上引腳的個(gè)數(shù)。然后這些數(shù)據(jù)傳送到控制程序。

■判決和控制

處理器的控制程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出結(jié)論。例如：這些數(shù)據(jù)包括印刷電路板上的洞是否在要求規(guī)格以內(nèi)或者一個(gè)自動(dòng)機(jī)器如何必須移動(dòng)去拾取某一部件。

機(jī)器視覺系統(tǒng)解析

典型的視覺系統(tǒng)一般包括：光源、光學(xué)系統(tǒng)，相機(jī)、圖像處理單元（或圖像采集卡）、圖像分析處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。

圖像采集

圖像的獲取實(shí)際上是將被測物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)，它直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。一般利用光源、光學(xué)系統(tǒng)，相機(jī)、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）獲取被測物體的圖像。

■光源

光源和影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，所以針對每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。許多工業(yè)用的機(jī)器視覺系統(tǒng)用可見光作為光源，這主要是因?yàn)榭梢姽馊菀撰@得，價(jià)格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。

但是，這些光源的一個(gè)最大缺點(diǎn)是光能不能保持穩(wěn)定。以日光燈為例，在使用的第一個(gè)100小時(shí)內(nèi)，光能將下降15%，隨著使用時(shí)間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實(shí)用化過程中急需要解決的問題。另一個(gè)方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護(hù)屏的方法，減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問題，在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對于某些要求高的檢測任務(wù)，常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。

由光源構(gòu)成的照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向照明是被測物放在光源和相機(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對比度的圖像；前向照明是光源和相機(jī)位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝；結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測物的三維信息；頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，要求相機(jī)的掃描速度與光源的頻閃速度同步。

■光學(xué)系統(tǒng)

對于機(jī)器視覺系統(tǒng)來說，圖像是唯一的信息來源，而圖像的質(zhì)量是由光學(xué)系統(tǒng)的恰當(dāng)選擇來決定。通常，由于圖像質(zhì)量差引起的誤差不能用軟件糾正。機(jī)器視覺技術(shù)把光學(xué)部件和成像電子結(jié)合在一起，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來分辨、測量、分類和探測正在通過自動(dòng)處理系統(tǒng)的部件。機(jī)器視覺系統(tǒng)通常能快到100%的探測所處理的產(chǎn)品而不會(huì)降低生產(chǎn)線的速度。由于越來越多的制造商正需要“6-sigma“（小于百萬分之三的有效單位）結(jié)果，以便能夠在當(dāng)今質(zhì)量意識(shí)很強(qiáng)的市場中更有競爭力，這種能力顯得非常重要。另外，這些系統(tǒng)能夠與滿意過程控制（SPC）非常理想的配合。

光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)與圖像傳感器的光敏面的格式有關(guān)，一般包括：光圈、視場、焦距、F數(shù)等。

■相機(jī)

相機(jī)是實(shí)際上是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置，即將圖像傳感器所接收到的光學(xué)圖像，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能處理的電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換器件是構(gòu)成相機(jī)的核心器件。目前，典型的光電轉(zhuǎn)換器件為真空攝像管、CCD、CMOS圖像傳感器等。

真空電視攝像管由密封在玻璃管罩內(nèi)的攝像靶、電子槍兩部分組成。攝像靶將輸入光學(xué)圖像的光照度分布轉(zhuǎn)換為靶面相應(yīng)象素電荷的二維空間分布，主要完成光電轉(zhuǎn)換和電荷存貯任務(wù)；電子槍則完成圖像信號(hào)的掃描拾取過程。電視攝像管型成像系統(tǒng)具有高清晰度、高靈敏度、寬光譜和高幀速成像等特點(diǎn)。但由于電視攝像管屬于真空管器件，其重量、體積及功耗均較大。

CCD是目前機(jī)器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號(hào)。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號(hào)。典型的CCD相機(jī)由光學(xué)鏡頭、時(shí)序及同步信號(hào)發(fā)生器、垂直驅(qū)動(dòng)器、模擬/數(shù)字信號(hào)處理電路組成。下圖為CCD相機(jī)的原理框圖。

CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初。90年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部象素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動(dòng)態(tài)范圍和輸出圖像幾乎無拖影等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

圖像的處理和分析

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，相機(jī)的主要功能光敏元所接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓的幅值信號(hào)輸出。若要得到被計(jì)算機(jī)處理與識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，還需對視頻信息進(jìn)行量化處理。圖像采集卡是進(jìn)行視頻信息量化處理的重要工具。

■圖像采集／處理卡

圖像采集卡主要完成對模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化過程。視頻信號(hào)首先經(jīng)低通濾波器濾波，轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)；按照應(yīng)用系統(tǒng)對圖像分辨率的要求，得用采樣/保持電路對邊疆的視頻信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行間隔采樣，把視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的模擬信號(hào)；然后再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。而圖像采集／處理卡在具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的同時(shí)，還具有對視頻圖像分析、處理功能，并同時(shí)可對相機(jī)進(jìn)行有效的控制。

■圖像處理處理軟件

機(jī)器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。

機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用

機(jī)器視覺系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備精密控制、智能化、自動(dòng)化有有效途徑，堪稱現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的“機(jī)器眼睛”。其最大優(yōu)點(diǎn)為：

（1）實(shí)現(xiàn)非接觸測量。對觀測與被觀測者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，從而提高了系統(tǒng)的可靠性；

（2）具有較寬的光譜響應(yīng)范圍。機(jī)器視覺則可以利用專用的光敏元件，可以觀察到人類無法看到的世界，從而擴(kuò)展了人類的視覺范圍。

（3）長時(shí)間工作。人類難以長時(shí)間地對同一對象進(jìn)行觀察。機(jī)器視覺系統(tǒng)則可以長時(shí)間地執(zhí)行觀測、分析與識(shí)別任務(wù)，并可應(yīng)用于惡劣的工作環(huán)境。