簡(jiǎn)介

機(jī)器視覺是一項(xiàng)綜合技術(shù)，包括圖像處理、機(jī)械工程技術(shù)、控制、電光源照明、光學(xué)成像、傳感器、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)（圖像增強(qiáng)和分析算法、圖像卡、 I/O卡等）。

一個(gè)典型的機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)包括圖像捕捉、光源系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機(jī)械控制執(zhí)行模塊。

機(jī)器視覺系統(tǒng)最基本的特點(diǎn)就是提高生產(chǎn)的靈活性和自動(dòng)化程度。在一些不適于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或者人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺。

同時(shí)，在大批量重復(fù)性工業(yè)生產(chǎn)過程中，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)的效率和自動(dòng)化程度。

概述

機(jī)器視覺（Machine vision）

機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。

基本構(gòu)造

一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭（定焦鏡頭、變倍鏡頭、遠(yuǎn)心鏡頭、顯微鏡頭）、 相機(jī)（包括CCD相機(jī)和COMS相機(jī)）、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊 / 輸入輸出單元等。

系統(tǒng)可再分為

一、采集和分析分開的系統(tǒng)。

主端電腦（Host Computer）

影像擷取卡（Frame Grabber）與影像處理器

影像攝影機(jī)

定焦鏡頭鏡頭

顯微鏡頭

照明設(shè)備

Halogen光源LED光源

高周波螢光燈源

閃光燈源

其他特殊光源

影像顯示器

LCD

機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)

PLC、PC-Base控制器

精密桌臺(tái)

伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)臺(tái)

二、采集和分析一體的系統(tǒng)

智能相機(jī)（圖像采集和分析一體）

其他配套外圍設(shè)備：光源、顯示、PLC控制系統(tǒng)等等。

工作原理

機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)采用CCD照相機(jī)將被檢測(cè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)。

根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長(zhǎng)度。

再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個(gè)數(shù)、合格 / 不合格、有 / 無等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別功能。

典型結(jié)構(gòu)

一個(gè)典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)包括以下五大塊：

照明

照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(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(duì)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。

光源可分為可見光和不可見光。常用的幾種可見光源是白熾燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。可見光的缺點(diǎn)是光能不能保持穩(wěn)定。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。

另一方面，環(huán)境光有可能影響圖像的質(zhì)量，所以可采用加防護(hù)屏的方法來減少環(huán)境光的影響。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(cè)物放在光源和攝像機(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對(duì)比度的圖像。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測(cè)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(cè)物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測(cè)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，攝像機(jī)拍攝要求與光源同步。

B.鏡頭

FOV（Field of Vision）=所需分辨率*亞象素*相機(jī)尺寸/PRTM（零件測(cè)量公差比）

鏡頭選擇應(yīng)注意：

焦距

目標(biāo)高度

影像高度

放大倍數(shù)

影像至目標(biāo)的距離

中心點(diǎn) / 節(jié)點(diǎn)

畸變

視覺檢測(cè)中如何確定鏡頭的焦距

為特定的應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的工業(yè)鏡頭時(shí)必須考慮以下因素：

· 視野 - 被成像區(qū)域的大小。

· 工作距離 （WD） - 攝像機(jī)鏡頭與被觀察物體或區(qū)域之間的距離。

· CCD - 攝像機(jī)成像傳感器裝置的尺寸。

· 這些因素必須采取一致的方式對(duì)待。

如果在測(cè)量物體的寬度，則需要使用水平方向的 CCD 規(guī)格。

如果以英寸為單位進(jìn)行測(cè)量，則以英尺進(jìn)行計(jì)算，最后再轉(zhuǎn)換為毫米。

C.高速相機(jī)

按照不同標(biāo)準(zhǔn)可分為：標(biāo)準(zhǔn)分辨率數(shù)字相機(jī)和模擬相機(jī)等

按分辨率劃分，像素?cái)?shù)在38萬以下的為普通型，像素?cái)?shù)在38萬以上的高分辨率型；

按光敏面尺寸大小劃分，可分為1/4、1/3、1/2、1英寸相機(jī)；

按掃描方式劃分，可分為行掃描相機(jī)（線陣相機(jī)）和面掃描相機(jī)（面陣相機(jī)）兩種方式；（面掃描相機(jī)又可分為隔行掃描相機(jī)和逐行掃描相機(jī)）；

按同步方式劃分，可分為普通相機(jī)（內(nèi)同步）和具有外同步功能的相機(jī)等。

D.圖像采集卡

圖像采集卡只是完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)的一個(gè)部件，但是它扮演一個(gè)非常重要的角色。

圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等等。

比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行處理。有些采集卡有內(nèi)置的多路開關(guān)。

例如，可以連接8個(gè)不同的攝像機(jī)，然后告訴采集卡采用那一個(gè)相機(jī)抓拍到的信息。

有些采集卡有內(nèi)置的數(shù)字輸入以觸發(fā)采集卡進(jìn)行捕捉，當(dāng)采集卡抓拍圖像時(shí)數(shù)字輸出口就觸發(fā)閘門。

E.視覺處理器

視覺處理器集采集卡與處理器于一體。

以往計(jì)算機(jī)速度較慢時(shí)，采用視覺處理器加快視覺處理任務(wù)。采集卡傳輸圖像到存儲(chǔ)器，進(jìn)而計(jì)算分析。

當(dāng)前主流配置的PLC，且配置較高，視覺處理器已經(jīng)幾乎退出市場(chǎng)。

機(jī)器選型

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，獲得一張高質(zhì)量的可處理的圖像是至關(guān)重要。

系統(tǒng)之所以成功，首先要保證圖像質(zhì)量好，特征明顯。一個(gè)機(jī)器視覺項(xiàng)目之所以失敗，大部分情況是由于圖像質(zhì)量不好，特征不明顯引起的。要保證好的圖像，必須要選擇一個(gè)合適的光源。

光源選型基本要素：

對(duì)比度：對(duì)比度對(duì)機(jī)器視覺來說非常重要。機(jī)器視覺應(yīng)用的照明的最重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對(duì)比度，從而易于特征的區(qū)分。對(duì)比度定義為在特征與其周圍的區(qū)域之間有足夠的灰度量區(qū)別。好的照明應(yīng)該能夠保證需要檢測(cè)的特征突出于其他背景。

亮度：當(dāng)選擇兩種光源的時(shí)候，最佳的選擇是選擇更亮的那個(gè)。當(dāng)光源不夠亮?xí)r，可能有三種不好的情況會(huì)出現(xiàn)。第一，相機(jī)的信噪比不夠；由于光源的亮度不夠，圖像的對(duì)比度必然不夠，在圖像上出現(xiàn)噪聲的可能性也隨即增大。其次，光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深。另外，當(dāng)光源的亮度不夠的時(shí)候，自然光等隨機(jī)光對(duì)系統(tǒng)的影響會(huì)最大。

魯棒性：另一個(gè)測(cè)試好光源的方法是看光源是否對(duì)部件的位置敏感度最小。當(dāng)光源放置在攝像頭視野的不同區(qū)域或不同角度時(shí)，結(jié)果圖像應(yīng)該不會(huì)隨之變化。方向性很強(qiáng)的光源，增大了對(duì)高亮區(qū)域的鏡面反射發(fā)生的可能性，這不利于后面的特征提取。

好的光源需要能夠使你需要尋找的特征非常明顯，除了是攝像頭能夠拍攝到部件外，好的光源應(yīng)該能夠產(chǎn)生最大的對(duì)比度、亮度足夠且對(duì)部件的位置變化不敏感。

光源選擇好了，剩下來的工作就容易多了。