基于機器視覺系統(tǒng)圖案識別的檢查任務(wù)

仔細(xì)研究待分析的物體有助干確定適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)設(shè)計。 機器視覺系統(tǒng)具有極大的吸引力，因為它能避免重復(fù)的測量，同時又能提高產(chǎn)量，增加響應(yīng)時間。雖然研究界已在鉆研光學(xué)平行處理技術(shù)，但基本的機器視覺檢查系統(tǒng)仍然包含一塊透鏡、一臺攝像機、以及把處理與算法做在一起的一塊圖像處理電路。由于光具在高級的機器視覺系統(tǒng)中常常是一種限制因素，有關(guān)光學(xué)定律的知識和使用使得系統(tǒng)的設(shè)計者能夠最大程度地提高系統(tǒng)的性能。一般說來，透鏡是用來放大的，也是為此而設(shè)計的。 機器視覺的應(yīng)用可從半導(dǎo)體檢查一直到自動引導(dǎo)系統(tǒng)。在本文中，機器視覺意味著這樣一種行為：通過透鏡/攝像機組合系統(tǒng)獲取目標(biāo)的一張圖像，然后以數(shù)字方式處理這張圖像以便對目標(biāo)的某一特征進(jìn)行定位并對其采取揩施(見圖1 )。此外，本文的討論只限于基于圖案識別的檢查任務(wù)，在此應(yīng)用中，終端用戶需要對生產(chǎn)流水線中的產(chǎn)品缺陷進(jìn)行快速的自動定位。

圖1.機器視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)件包括透鏡、攝像機和成像電路板。為了處理圖像并把它轉(zhuǎn)變成有用的格式，數(shù)字處理系統(tǒng)和算法是必不可少的

機器視覺檢查的基本方法包括照明被檢查的物體，用透鏡系統(tǒng)在攝像機上產(chǎn)生物體的一張圖像，然后把圖像傳輸給一個圖像處理器。這種處理器經(jīng)程序編排后可執(zhí)行任何數(shù)量的圖像處理；常見的處理器與一個樣板匹配。處理器把圖像逐點與樣板作比較，任何顯著的差異都會觸發(fā)警報，被檢查的產(chǎn)品就會被舍棄（見圖2）。 圖2.許多機器視覺系統(tǒng)使用一種樣板匹配范例，在這種范例中，樣板(左)與獲得的一張圖像(右)進(jìn)行比較。不匹配的部件會被指出，同時由控制系統(tǒng)發(fā)出警報以提醒操作人員 前端要求 這種檢查系統(tǒng)的光學(xué)前端是至關(guān)重要的。在計算機光學(xué)公司，分析工作始于被測物體的特征，因此，最高質(zhì)量的圖像被回傳給攝像機的平面。這一重要的領(lǐng)域往往被那些重視電子線路和軟件的設(shè)計人員所忽略例如，最近一位買主讓一位較為年輕的職工為國內(nèi)檢查站安裝一臺視覺系統(tǒng)。這位工程師從不同地方買來處理器電路板、照明系統(tǒng)、攝像機和透鏡，然后花了幾個星期的時間為處理器電路板編排程序，而且可能還要驗證一臺基本工作的樣機。

然而，這種樣機具有一個共同的問題，即它不能分辨細(xì)節(jié)。在這種情況下，透鏡/攝像機組合不適合所要求的分辨率。什么樣的數(shù)字處理技術(shù)都無濟于事，因為這種透鏡不能勝任這一工作。通過查問計算機光學(xué)透鏡庫，人們找到了能在有限距離處提供適當(dāng)放大倍數(shù)的透鏡。

此外，當(dāng)產(chǎn)品在檢查系統(tǒng)下面經(jīng)過時，圖像有時會顯得太暗，尺寸不對，或者一會兒清楚，一會兒不清楚。這是一個十分普通的問題，解決的方法便是縮小透鏡的光圈(增加f數(shù))，從而增加了視場的深度。當(dāng)然，這樣的改善是以犧牲光強度為代價的。每增加一個f數(shù)就意味著減少一半光通量，其結(jié)果是攝像機平面接收到的圖像太暗設(shè)計人員往往想通過購買大功率的照明系統(tǒng)并以強光照射被檢查的部件來解決這個問題。另一種方法是想使圖像數(shù)字化，并且采取直方圖均等技術(shù)。然而，降低照明度趨于被過分強調(diào)的地步，這會降低歸一化圖像的信噪比。 同機器視覺系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)的另一個問題包括產(chǎn)生高分辨率檢查站的系統(tǒng)裝配人員。數(shù)字算法產(chǎn)生出令人無法接受的高位誤差率(信噪比太低)。本公司已提高了照明度，但沒法安裝一個具有必要物理尺寸的足夠強的光源。為了獲得必要的透鏡性能，透鏡的光圈已被縮小到f/22(接近關(guān)閉)。解決的方法是設(shè)計并制造一種能以全孔徑操作的透鏡系統(tǒng)，不需要照明系統(tǒng)，從而使得檢查系統(tǒng)可在只有室內(nèi)燈光的條件下操作。這樣一來，系統(tǒng)的總成本降低了，其性能卻提高了。

早期的設(shè)計分析

系統(tǒng)設(shè)計中最重要的一點是應(yīng)該預(yù)先確定達(dá)到一個自動判定所必須獲得的那些特征。在許多情況下，一塊現(xiàn)成的透鏡就足以勝任。例如，對于一個使用一種與不正常的盒子起反應(yīng)時會變紅的染料的客戶來說，一塊標(biāo)準(zhǔn)分辨率的透鏡就非常合適，因為機器視覺系統(tǒng)只需確定圖像中是否有紅顏色。 通過提問一些重要的問題，光學(xué)工程師能夠獲得關(guān)于一種給定的透鏡／攝像機系統(tǒng)所必需的性能要求的感性知識。現(xiàn)在總的傾向是發(fā)展更小尺寸的攝像機，例如芯片的對角線尺寸為1/2英寸或者1/3英寸。雖然這可以為某些應(yīng)用所接受，但空間帶寬積一般更小，這使得上述一些限制因素更具有限制性。換句話說，如果所有別的東西都相同，則尺寸為2/3英寸的攝像機可提供更寬的視場，因為它有更多的像元總數(shù)。當(dāng)把聚光能力與聚焦深度作比較時，就會出現(xiàn)類似的折衷。一般說來，焦深越大，聚光能力就越低。不管實際使用的是何種透鏡，這樣的折衷已成為透鏡系統(tǒng)可達(dá)到何種性能的關(guān)鍵。一旦談到這些折衷，系統(tǒng)的裝配人員可以到市場上去訂購一種既不太貴、叉能滿足最低可接受要求的透鏡/攝像機組合系統(tǒng)。