機(jī)器視覺系統(tǒng)組成 穩(wěn)定性都有重要影響

1. 引言

機(jī)器視覺的研究始于20世紀(jì)50年代二維圖像的模式識(shí)別[1]，它起初被設(shè)計(jì)用來代替人眼從事檢測(cè)識(shí)別的工作，可以大大提高檢測(cè)的工作效率以及降低人眼疲勞帶來的檢測(cè)結(jié)果的不一致性。機(jī)器視覺檢測(cè)發(fā)展至今，在許多方面已經(jīng)發(fā)展到可以完成人眼難以完成的工作，如高精度的測(cè)量以及對(duì)特定產(chǎn)品的高速分級(jí)，還有利用紅外線、紫外線、X射線等檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)人類視覺無法檢測(cè)到的事物[2]。但機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于如何保證其可靠性與穩(wěn)定性，無論從光源，相機(jī)等硬件上還是從圖像處理軟件上的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器視覺的穩(wěn)定性都有重要影響。

2. 機(jī)器視覺系統(tǒng)組成

典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)一般由圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示三部分組成。按照視覺系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)主要分為兩大類：PC或板卡式機(jī)器視覺系統(tǒng)（PC-Based Vision System），以及嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)，亦稱“智能相機(jī)（SmartCamera）。

2.1PC-Based視覺系統(tǒng)

PC式視覺系統(tǒng)是一種基于個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的視覺系統(tǒng)，其圖像獲取設(shè)備一般由光源、光學(xué)鏡頭、CCD或CMOS攝像機(jī)以及圖像采集卡組成，圖像處理與分析設(shè)備以一臺(tái)PC機(jī)為基礎(chǔ)配合圖像處理軟件，一般以顯示器作為圖像處理結(jié)果的顯示輸出。

PC-Based視覺系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在，可以針對(duì)不同的工作壞境滿足各式需求，如相機(jī)的選擇可以從分辨率200萬到1200萬，幀率從0到數(shù)百幀每秒甚至更高。同時(shí)，其通訊方式非常靈活，可以直接使用USB（USB2.0/USB3.0）接口、千兆網(wǎng)口（GigE）接口或著很方便的擴(kuò)展使用火線（1394a/1394b）接口以及Camera link等接口的相機(jī)，在短距離情況下抗干擾性很強(qiáng)。速度上和精度上，PC-Based系統(tǒng)可以根據(jù)需求配置高速、高分辨率相機(jī)和高速的處理器，可以達(dá)到運(yùn)動(dòng)速度快或精度要求高的檢測(cè)要求。

但同時(shí)，基于PC的機(jī)器視覺的應(yīng)用系統(tǒng)尺寸較大，除相機(jī)外，還需圖像采集卡、工控機(jī)、各種連接線纜等，在一些對(duì)設(shè)備體積限制較嚴(yán)的場(chǎng)合，如生產(chǎn)裝置內(nèi)部、移送裝置上就難以滿足要求了。同時(shí)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多數(shù)人認(rèn)為PC-Based系統(tǒng)包含較多的外部部件，各部件由不同廠家生產(chǎn)，涉及兼容性和連接插件等中間環(huán)節(jié)，集成度較低，從而導(dǎo)致其穩(wěn)定性下降。相對(duì)于集成度高的智能相機(jī)，其開發(fā)周期也相對(duì)較長(zhǎng)。

2.2嵌入式視覺系統(tǒng)

智能相機(jī)主要由圖像采集單元、通型信塊，圖像處理單元（處理軟件）三大組成部分，圖像采集單元類似于傳統(tǒng)的普通相機(jī)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)為模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，相當(dāng)于CCD/CMOS相機(jī)和圖像采集卡，圖像處理單元相當(dāng)于PC-Based 系統(tǒng)的PC部分，是嵌入式視覺的核心，包括圖像處理、存儲(chǔ)單元以及相應(yīng)的處理軟件，一般有DSP、FPGA和RISC三種硬件平臺(tái)用來完成圖像處理的運(yùn)算，軟件可由外部寫入，但一般成熟的嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)均將通用的圖相處里算法封裝為固定的模塊，開發(fā)人員可以根據(jù)需要選擇調(diào)用。通信模塊也是智能相機(jī)的重要組成部分，主要是將圖像處理的結(jié)果輸出到外部，智能相機(jī)一般內(nèi)置以太網(wǎng)口通信模塊，且可支持多種網(wǎng)絡(luò)和總線協(xié)議。

與PC-Based 的視覺系統(tǒng)相比，嵌入式視覺系統(tǒng)存在一些明顯的優(yōu)勢(shì)，比如由于其圖像獲取單元與處理單元直接相連接，在像素一致性方面較好，抗干擾能力性較強(qiáng)，且由于智能相機(jī)具有較高的集成水平，體積也比PC-Based視覺系統(tǒng)要小很多，可適用于更多惡劣的工作環(huán)境。由于智能相機(jī)的高度集成性，它的圖像采集、處理與通信部件在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的過程中經(jīng)過了專業(yè)人員的可靠性測(cè)試，所以其工作穩(wěn)定性要明顯高于PC-Based系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其維護(hù)也相對(duì)于PC-Based系統(tǒng)要簡(jiǎn)單的多。軟件上，成熟的智能相機(jī)基本已經(jīng)固化了視覺算法模塊和通訊模塊等，用戶只需要簡(jiǎn)單的調(diào)用即可，不需要像PC-Based系統(tǒng)一樣進(jìn)行系統(tǒng)底層的瑣碎的開發(fā)，所以開發(fā)簡(jiǎn)單，開發(fā)周期也短。

但相對(duì)于PC-Based視覺系統(tǒng)，嵌入式視覺系統(tǒng)也存在一定劣勢(shì)，比如在精度和速度上，由于體積和圖像處理能力的限制，智能相機(jī)很難像PC-Based系統(tǒng)一樣，能夠很方便的將高速相機(jī)或高分辨相機(jī)集成到視覺系統(tǒng)中，在目前的技術(shù)條件下，通常實(shí)現(xiàn)同樣分辨率和速度的兩種系統(tǒng)，智能相機(jī)由于需要更高要求的生產(chǎn)工藝以及電路設(shè)計(jì)問題，會(huì)需要高昂的成本。同時(shí)，智能相機(jī)高度集成化的特點(diǎn)也給它帶來了靈活性不足的問題，它的硬件和軟件開發(fā)相對(duì)固定，可擴(kuò)展性較PC-Based系統(tǒng)差，在復(fù)雜的機(jī)器視覺場(chǎng)景下，有時(shí)單靠智能相機(jī)難以完成系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)，而PC-Based系統(tǒng)卻可根據(jù)實(shí)際情況選用性能合適、價(jià)格便宜的設(shè)備，也可以選擇不同的第三方軟件來完成圖像處理等工作。

3. 機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性因素

3.1成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介及不穩(wěn)定性因素

成像系統(tǒng)主要由相機(jī)（CCD/CMOS）、鏡頭和光源組成，是視覺檢測(cè)的基礎(chǔ)，成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的就是獲取合格的原始圖像，并且一個(gè)好的成像系統(tǒng)要保證系統(tǒng)運(yùn)行期間圖像質(zhì)量的穩(wěn)定，穩(wěn)定的圖像抓取是視覺檢測(cè)穩(wěn)定性的基本保證。

3.3.1工業(yè)相機(jī)對(duì)成像穩(wěn)定性的影響

對(duì)視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，工業(yè)相機(jī)的選擇主要考慮其傳感器類型、分辨率和幀率，其中傳感器分CCD與CMOS兩種，CMOS圖像傳感器集成度高，各元件、電路之間距離很近，干擾比較嚴(yán)重，成像噪聲高，CCD傳感器相機(jī)相對(duì)于CMOS相機(jī)具有靈敏度高、噪聲低和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，在穩(wěn)定性方面，CCD相機(jī)的抗沖擊與震動(dòng)性也較強(qiáng)，一般來說，CCD傳感器相機(jī)在成像質(zhì)量上和穩(wěn)定性方面要優(yōu)于CMOS相機(jī)。

影響相機(jī)成像質(zhì)量的另一重要因素就是相機(jī)的鏡頭，鏡頭除了需要根據(jù)具體工作狀況選擇合適的焦距、景深和光圈等參數(shù)外，一個(gè)影響系統(tǒng)檢測(cè)精度的重要因素就是圖像的幾何畸變誤差，它是光學(xué)透鏡固有的透視失真，受到制作工藝的影響，無法消除，只能彌補(bǔ)，雖然現(xiàn)在許多工業(yè)相機(jī)通過各種方法彌補(bǔ)鏡頭畸變產(chǎn)生的誤差，但在高精度的檢測(cè)領(lǐng)域，幾何畸變?nèi)匀粫?huì)對(duì)檢測(cè)精度產(chǎn)生影響。

3.1.2光源對(duì)成像穩(wěn)定性的影響

光源具有放大圖像的特征與缺陷、削弱混亂及背景的作用，直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量，由于沒有通用的照明設(shè)備，光源的設(shè)計(jì)一直是機(jī)器視覺系統(tǒng)的難點(diǎn)，通常不僅需要針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例來選擇光源類型，還要根據(jù)具體環(huán)境對(duì)光源安裝、光源的照射方式進(jìn)行斟酌，以達(dá)到最佳效果。不同類型的光源穩(wěn)定性存在差異，常見的可見光光源有LED光源、鹵素?zé)?、日光燈和鈉光燈等，可見光最大的缺點(diǎn)是不能持續(xù)穩(wěn)定的輸出光能，如日光燈，在使用的第一個(gè)100小時(shí)內(nèi)，光能會(huì)下降15%左右[4]，隨著使用時(shí)間的增加，光能輸出持續(xù)下降。除可見光外，在高檢測(cè)任務(wù)的場(chǎng)景下，也常采用X射線和超聲波等不可見光作為光源，可以持續(xù)穩(wěn)定的輸出光能，但不利于檢測(cè)系統(tǒng)的操作，且價(jià)格昂貴。光源的不均勻性也會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量產(chǎn)生影響，不同方向的發(fā)光強(qiáng)度存在差別也會(huì)引起噪聲?？梢姽庵蠰ED光源的穩(wěn)定性和壽命相對(duì)于鹵素?zé)?、日光燈等要好，響?yīng)時(shí)間短，可自由選擇顏色，運(yùn)行成本也低，得到了廣泛的應(yīng)用。光源的照射方式可分為背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光照明和頻閃照明，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是以突出圖像特征為準(zhǔn)則。

a 日光燈光源 b LED光源

圖1 不同光源對(duì)圖像質(zhì)量的影響

3.2軟件穩(wěn)定性

檢測(cè)軟件穩(wěn)定性對(duì)機(jī)器視覺的影響毋庸置疑，視覺系統(tǒng)最終會(huì)在計(jì)算機(jī)上利用軟件采用有針對(duì)性的算法進(jìn)行圖像濾波，邊緣檢測(cè)和邊緣提取等一系列圖像處理，不同的圖像處理和分析手段以及不同的檢測(cè)方法與計(jì)算公式，都會(huì)帶來不同的誤差，算法優(yōu)劣決定測(cè)量精度的高低。

3.3環(huán)境因素影響

視覺系統(tǒng)工作的測(cè)量環(huán)境包括溫度、光照、電源變化、灰塵、濕度以及電磁干擾等[5]，好的環(huán)境是視覺系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障。外界光照會(huì)影響照射在被測(cè)物體上的總光強(qiáng)，增加圖像數(shù)據(jù)輸出的噪聲，電源電壓的變化也會(huì)導(dǎo)致光源不穩(wěn)，產(chǎn)生隨時(shí)間變化的噪聲。溫度變化也會(huì)對(duì)相機(jī)的性能產(chǎn)生影響，相機(jī)在出廠時(shí)都會(huì)標(biāo)志正常工作的溫度范圍，過熱或過冷都會(huì)影響相機(jī)的正常工作。電磁干擾是工業(yè)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)不可避免的干擾因素，它對(duì)工業(yè)相機(jī)電路、數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸電路等弱電電路的影響尤為嚴(yán)重，合格的視覺產(chǎn)品會(huì)在出廠時(shí)經(jīng)嚴(yán)格的抗干擾測(cè)試，極大的降低了外界電磁干擾對(duì)硬件電路的影響。

3.3機(jī)械結(jié)構(gòu)定位影響

除成像系統(tǒng)硬件外，相機(jī)與物體之間的相對(duì)位置關(guān)系也會(huì)對(duì)圖像質(zhì)量的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，如相機(jī)或工件的機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)如果存在震動(dòng)，會(huì)影響檢測(cè)精度，且這也是一個(gè)難以排查的問題。在動(dòng)態(tài)下檢測(cè)工件，需要考慮運(yùn)動(dòng)模糊對(duì)圖像精度的影響（模糊像素=物體運(yùn)動(dòng)速度*相機(jī)曝光時(shí)間）。另外，CCD相機(jī)與被測(cè)零件之間在理性狀況下應(yīng)為相機(jī)鏡頭光軸垂直于零件所在平面，但實(shí)際使用中，由于安裝誤差或相機(jī)、工件制造誤差等原因不能保證光軸與被測(cè)平面完全垂直，存在一定角度偏差，同樣對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。

a 模糊圖像b 正常圖像

圖2 機(jī)械震動(dòng)造成圖像模糊

4. 保證穩(wěn)定性的解決方法

4.1硬件選擇與設(shè)計(jì)

成像系統(tǒng)的硬件選擇尤為重要，通過以上對(duì)CCD相機(jī)與CMOS相機(jī)的分析可知，如果沒有特殊的要求，比如攝像速度較高（CMOS具有更快的讀出速度），CCD傳感器相機(jī)是保證圖像質(zhì)量和穩(wěn)定性的首要選擇，其中相機(jī)的分辨率和幀率主要根據(jù)檢測(cè)精度和檢測(cè)速度來選擇，通過計(jì)算檢測(cè)物體的視場(chǎng)大小與相機(jī)與被測(cè)物之間的距離決定合適的分辨率，考慮被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度與檢測(cè)精度要求選擇相機(jī)的幀率。

對(duì)于鏡頭，主要需要根據(jù)相機(jī)的極限分辨率來選取對(duì)應(yīng)的鏡頭分辨率，選擇大于相機(jī)極限分辨率的相機(jī)即可，還需要根據(jù)工作距離與視野計(jì)算鏡頭的焦距，并根據(jù)被測(cè)物體與相機(jī)的距離變化選用合適的景深。在高精度測(cè)量下，要保證測(cè)量精度，除以上參數(shù)的正確選擇之外，可以選擇幾何畸變相對(duì)于普通鏡頭小的遠(yuǎn)心鏡頭，遠(yuǎn)心鏡頭不僅幾何畸變較小，還能減小物體距離變化帶來的誤差。

如無特殊要求而采用X射線等不可見光光源，對(duì)于可見光光源，應(yīng)優(yōu)先考慮使用LED光源，在對(duì)采集圖像質(zhì)量有決定性影響的光源均勻性上，LED光源明顯優(yōu)于鹵素?zé)簟⑷展鉄舻绕渌庠?，而且它還具有耗電低、使用壽命長(zhǎng)和對(duì)環(huán)境無污染的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，為了減小外界光對(duì)視覺系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，可以通過增加光源箱的方式屏蔽外界光源。

4.2軟件設(shè)計(jì)

4.2.1標(biāo)定

相機(jī)與鏡頭由于工藝的原因，總會(huì)或多或少地導(dǎo)致獲取的原始圖像存在幾何畸變誤差，這種誤差不能通過硬件的優(yōu)化消除，但可以利用標(biāo)定軟件算法來減弱這種誤差對(duì)測(cè)量精度的影響，相機(jī)標(biāo)定的基本原理是通過相機(jī)對(duì)視場(chǎng)內(nèi)不同角度標(biāo)準(zhǔn)圖像（通常使用標(biāo)定板）的拍攝來求出相機(jī)的內(nèi)、外參數(shù)以及畸變參數(shù)，建立三維坐標(biāo)與圖像坐標(biāo)的映射關(guān)系，從而對(duì)得到的原始畸變圖像進(jìn)行矯正，通常相機(jī)標(biāo)定在有精度要求的測(cè)量和定位中必須使用。

4.2.2圖像處理

硬件采集到的原始圖像最終要通過圖濾波、邊緣檢測(cè)等算法才能完成檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的輸出。其中圖像濾波可以抑制采集到圖像中存在的噪聲，降低光源與灰度值不穩(wěn)定的問題，提高信噪比，其本質(zhì)是通過算法保證圖像上像素點(diǎn)間最小方差最小。對(duì)于高精度測(cè)量系統(tǒng)來說，粗邊界像素級(jí)精度往往難以滿足要求，亞像素級(jí)邊緣定位技術(shù)在像素級(jí)別位置通過細(xì)分算法與擬合方法結(jié)合可以使邊緣位置達(dá)到0.1甚至0.01的亞像素級(jí)精度，系統(tǒng)檢測(cè)精度得到保證。

5. 總結(jié)

總的來說，機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮多方面的因素，除了根據(jù)需求按照常規(guī)選型參數(shù)選擇相應(yīng)參數(shù)的設(shè)備之外，還需要考慮光源的穩(wěn)定性、相機(jī)的畸變誤差，以及被檢測(cè)物體與相機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等因素給檢測(cè)系統(tǒng)帶來的穩(wěn)定性干擾與測(cè)量誤差。只有綜合考慮這些因素進(jìn)行視覺系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能建立穩(wěn)定、合格的機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)。

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