機(jī)器視覺系統(tǒng)是指利用機(jī)器替代人眼做出各種測量和判斷。機(jī)器視覺是工程領(lǐng)域和科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域，它是一門涉及光學(xué)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、模式識(shí)別、圖像處理、人工智能、信號處理以及光電一體化等多個(gè)領(lǐng)域的綜合性學(xué)科，其能以及應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中母子圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機(jī)、DSP、ARM嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，有力地推動(dòng)了機(jī)器視覺的發(fā)展。

　　機(jī)器視覺是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)監(jiān)控對象都是運(yùn)動(dòng)物體，系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)物體的匹配和協(xié)調(diào)動(dòng)作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動(dòng)作時(shí)間和處理速度帶來了嚴(yán)格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機(jī)器人、飛行物體導(dǎo)致等，對整個(gè)系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會(huì)有嚴(yán)格的要求。

　　一個(gè)完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：照明光源、光學(xué)鏡頭、 CCD 攝相機(jī)、圖像采集卡、圖像檢測軟件、監(jiān)視器、通訊單元等。

　　工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的工作過程主要如下：

　　1.傳感器探測到被檢測物接近運(yùn)動(dòng)至相機(jī)的拍攝中心，將觸發(fā)脈沖發(fā)送給圖像采集卡；

　　2.圖像采集卡根據(jù)已設(shè)定的程序和延時(shí)，分別向相機(jī)和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)脈沖；

　　3.相機(jī)在啟動(dòng)脈沖來到之前處于等待狀態(tài)，啟動(dòng)脈沖到來后啟動(dòng)一幀掃描；

　　4.相機(jī)開始新的一幀掃描之前打開曝光機(jī)構(gòu)，曝光時(shí)間可以事先設(shè)定；

　　5.另一個(gè)啟動(dòng)脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時(shí)間應(yīng)與相機(jī)的曝光時(shí)間匹配；

　　6.相機(jī)曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出；

　　7.圖像采集部分接收模擬視頻信號通過A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機(jī)數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)；

　　8.圖像采集卡將數(shù)字圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中；

　　9.計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行處理、分析和識(shí)別，獲得檢測結(jié)果；

　　10.處理結(jié)果控制流水線的動(dòng)作、進(jìn)行定位、糾正運(yùn)動(dòng)的誤差等。

　　二、機(jī)器視覺相關(guān)技術(shù)

　　1、圖像采集技術(shù)——機(jī)器視覺的基礎(chǔ)

　　圖像采集部分一般由光源、鏡頭、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和圖像采集卡構(gòu)成。采集過程可簡單描述為在光源提供照明的條件下，用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝目標(biāo)物體并將其轉(zhuǎn)化為圖像信號，最后通過圖像采集卡傳輸給圖像處理部分。在設(shè)計(jì)圖像采集部分時(shí)，要考慮到多方面的問題，主要是關(guān)于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、圖像采集卡和光源方面的問題。

　?。?）光源照明

　　照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，其直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。到目前為止，還未有哪種機(jī)器視覺照明設(shè)備能通用各種應(yīng)用，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需針對應(yīng)用選擇相應(yīng)的照明設(shè)備以滿足特定需求。

　　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，背向照明是指將被測物放在光源和攝像機(jī)之間，以提高圖像的對比度。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測物的同側(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝。結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，并根據(jù)其產(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，攝像機(jī)拍攝要求與光源同。

　?。?）光學(xué)攝像頭

　　光學(xué)攝像頭的任務(wù)就是進(jìn)行光學(xué)成像，一般在測量領(lǐng)域都有專門的用于測量的攝像鏡頭，因?yàn)槠鋵Τ上褓|(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用。攝像頭需要注意的一個(gè)問題是畸變。這個(gè)就需要使用相應(yīng)的畸變校正方法，目前也開發(fā)出了很多自動(dòng)畸變自動(dòng)校正系統(tǒng)。

　?。?）CCD 攝像機(jī)及圖像采集卡

　　CCD( Charge Coupled Device) 攝像機(jī)及圖像采集卡共同完成對目標(biāo)圖像的采集與數(shù)字化。目前 CCD，CMOS等固體器件的應(yīng)用技術(shù)，線陣圖型敏感器件，像元尺寸不斷減小，陣列像元數(shù)量不斷增加，像元電荷傳輸速率也得到大幅提高。在基于PC機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照來完成圖像的采集與數(shù)字化，并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備。

　　圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口為：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等形式。

　　2、圖像處理與分析——機(jī)器視覺的核心

　　用于機(jī)器視覺的圖像處理與分析方法的核心是，解決目標(biāo)的檢測識(shí)別問題。當(dāng)所需要識(shí)別的目標(biāo)比較復(fù)雜時(shí)，就需要通過幾個(gè)環(huán)節(jié)，從不同的側(cè)面綜合來實(shí)現(xiàn)。

　　對目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別提取的時(shí)候，首先是要考慮如何自動(dòng)地將目標(biāo)物從背景中分離出來。目標(biāo)物提取的復(fù)雜性一般就在于目標(biāo)物與非目標(biāo)物的特征差異不是很大，在確定了目標(biāo)提取方案后，就需要對目標(biāo)特征進(jìn)行增強(qiáng)。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，圖像信息處理工作越來越多地借助硬件完成，如 DSP 芯片、專用的圖像信號處理卡等。軟件部分主要用來完成算法中并不成熟又較復(fù)雜或需不斷完善改進(jìn)的部分。這一方面提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)又降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

　　機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)勢：

　　1.效率更高：人工檢測效率低下。機(jī)器視覺檢測速度要快得多，每分鐘能夠?qū)?shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)元件進(jìn)行檢測，而且能夠24小時(shí)不間斷持續(xù)工作。

　　2.準(zhǔn)確性更高：人眼有物理?xiàng)l件的限制，也會(huì)受到主觀性、身體精力等因素的影響，不能保證準(zhǔn)確性。機(jī)器不受主觀控制，只要參數(shù)設(shè)置沒有差異，具有相同配置的多臺(tái)機(jī)器就可以保證相同的精度。

　　3.總體成本更低：機(jī)器比人工檢測更有效，從長遠(yuǎn)來說，機(jī)器視覺檢測的成本更低。

　　4.信息集成：機(jī)器視覺檢測可以通過多站測量方法一次測量多個(gè)技術(shù)參數(shù)，例如要檢測的產(chǎn)品的輪廓，尺寸，外觀缺陷和產(chǎn)品高度。

　　5.數(shù)字化統(tǒng)計(jì)管理：測量數(shù)據(jù)并在測量后生成報(bào)告，而無需一個(gè)個(gè)地手動(dòng)添加。

　　6.可適用于危險(xiǎn)的檢測環(huán)境：機(jī)器可以在惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境中，以及在人類視覺難以滿足需求的場合很好地完成檢測工作。

　　7.不會(huì)對產(chǎn)品造成接觸損傷：機(jī)器視覺在檢測工件的過程中，不需要接觸工件，不會(huì)對工件造成接觸損傷。人工檢測必須對工件進(jìn)行接觸檢測，容易產(chǎn)生接觸損傷。

　　8.更客觀穩(wěn)定：人工檢測過程中，檢測結(jié)果會(huì)受到個(gè)人標(biāo)準(zhǔn)、情緒、精力等因素的影響。而機(jī)器嚴(yán)格遵循所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，檢測結(jié)果更加客觀、可靠、穩(wěn)定。

　　9.避免二次污染：人工操作有時(shí)會(huì)帶來不確定污染源，從而污染的工件。

　　10.維護(hù)簡單：對操作者的技術(shù)要求低，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

　　總體來說，機(jī)器視覺檢測對比人工檢測具有客觀性、非接觸性和高精度等特點(diǎn)。特別是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，在重復(fù)和機(jī)械性的工作中具有強(qiáng)大的應(yīng)用價(jià)值，對企業(yè)來說不僅確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性而且還提高產(chǎn)品競爭力。


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