機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)器視覺系統(tǒng)是綜合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、光學(xué)、電子技術(shù)的高科技系統(tǒng)。機(jī)器視覺技術(shù)通過計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)攝取的圖像進(jìn)行處理，分析其中的信息，并做出相應(yīng)的判斷，進(jìn)而發(fā)出對(duì)設(shè)備的控制指令。機(jī)器視覺系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求千差萬別，視覺系統(tǒng)本身也可能有多種不同的形式，但都包括以下過程：

圖像采集 利用光源照射被觀察的物體或環(huán)境，通過光學(xué)成像系統(tǒng)采集圖像，通過相機(jī)和圖像采集卡將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，這是機(jī)器視覺系統(tǒng)的前端和信息來源。

圖像處理和分析 計(jì)算機(jī)通過圖像處理軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，分析獲取其中的有用信息。如PCB板的圖像中是否存在線路斷路、紡織品的圖像中是否存在疵點(diǎn)、文檔圖像中存在哪些文字等。這是整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心。

判斷和控制 圖像處理獲得的信息最終用于對(duì)對(duì)象（被測(cè)物體、環(huán)境）的判斷，并形成對(duì)應(yīng)的控制指令，發(fā)送給相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。如攝取的零件圖像中，計(jì)算零件的尺寸是否與標(biāo)準(zhǔn)一致，不一致則發(fā)出報(bào)警，做出標(biāo)記或進(jìn)行剔除。

在整個(gè)過程中，被測(cè)對(duì)象的信息反映為圖像信息，進(jìn)而經(jīng)過分析，從中得到特征描述信息，最后根據(jù)獲得的特征進(jìn)行判斷和動(dòng)作。最典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)一般包括： 光源、光學(xué)成像系統(tǒng)、相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理硬件平臺(tái)、圖像和視覺信息處理軟件、通信模塊。

總體上，一個(gè)成功的機(jī)器視覺系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決圖像采集（包括光源、光學(xué)成像、數(shù)字圖像獲取與傳輸）、圖像處理分析幾個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。

照明設(shè)計(jì)

照明是機(jī)器視覺系統(tǒng)中極其重要而又容易為人忽視的環(huán)節(jié)。其設(shè)計(jì)是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要步驟，直接關(guān)系著系統(tǒng)的成敗和性能。因?yàn)檎彰髦苯幼饔糜谙到y(tǒng)的原始輸入，對(duì)輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞有直接的影響。光源決不僅僅是為了照亮物體，通過有效的光源設(shè)計(jì)可以令需要檢測(cè)的特征突出，同時(shí)抑制不需要的干擾特征，給后端的圖像處理帶來極大的便利。而不恰當(dāng)?shù)恼彰鞣桨笗?huì)造成圖像亮度不均勻，干擾增加，有效特征與背景難以區(qū)分，令圖像處理變得極其困難，甚至成為不可能完成的任務(wù)。

照明設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面： 光源、目標(biāo)和環(huán)境的光反射和傳送特性、光源的結(jié)構(gòu)。由于被測(cè)對(duì)象、環(huán)境和檢測(cè)要求千差萬別，因而不存在通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，需要針對(duì)每個(gè)具體的案例來設(shè)計(jì)照明的方案，要考慮物體和特征的光學(xué)特性、距離、背景，根據(jù)檢測(cè)要求具體選擇光的強(qiáng)度、顏色和光譜組成、均勻性、光源的形狀、照射方式等。

照明設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，不僅需要理論知識(shí)和分析能力，也常常需要反復(fù)的試驗(yàn)和調(diào)整?！肮庠词腔鶞?zhǔn)，打光是藝術(shù)”，這句話道出了照明設(shè)計(jì)在機(jī)器視覺系統(tǒng)中的重要地位。由此也催生了一批以生產(chǎn)光源著稱的廠商，如CCS、Moritex、東冠科技。國(guó)內(nèi)如凌云公司等系統(tǒng)集成商也開始開發(fā)自主的光源產(chǎn)品。

光學(xué)成像系統(tǒng)與相機(jī)

機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭相當(dāng)于人的眼睛，其主要作用是將目標(biāo)的光學(xué)圖像聚焦在圖像傳感器（相機(jī)）的光敏面陣上。視覺系統(tǒng)處理的所有圖像信息均通過鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺系統(tǒng)的整體性能。一旦信息在成像系統(tǒng)有嚴(yán)重?fù)p失，在后面的環(huán)節(jié)中試圖恢復(fù)是非常困難的。合理選擇鏡頭、設(shè)計(jì)成像光路是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

鏡頭成像或多或少會(huì)存在畸變。較大的畸變會(huì)給視覺系統(tǒng)帶來很大困擾，在成像設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)此有詳細(xì)的考慮，包括選用畸變小的鏡頭，有效視場(chǎng)只取畸變較小的中心視場(chǎng)等。鏡頭另一個(gè)特性是其光譜特性，主要受鏡頭鍍膜的干涉特性和材料的吸收特性影響。要求盡量做到鏡頭最高分辨率的光線應(yīng)與照明波長(zhǎng)、CCD器件接受波長(zhǎng)相匹配，并使光學(xué)鏡頭對(duì)該波長(zhǎng)的光線透過率盡可能提高。在成像系統(tǒng)中選用適當(dāng)?shù)臑V光片可以達(dá)到一些特殊的效果。另外，成像光路的設(shè)計(jì)還需要重視各種雜散光的影響。

相機(jī)是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換器件，它將光學(xué)成像系統(tǒng)所形成的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成視頻/數(shù)字電信號(hào)。相機(jī)通常由核心的光電轉(zhuǎn)換器件、外圍電路、輸出/控制接口組成。目前最常用的光電轉(zhuǎn)換器件為CCD，其特點(diǎn)是以電荷為信號(hào)，而不像其他器件輸出電流或者電壓信號(hào)。上世紀(jì)90年代，一種新的圖像傳感器開始興起，這種相機(jī)稱為CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）相機(jī)。

對(duì)相機(jī)除了考察其光電轉(zhuǎn)換器件外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)速度、檢測(cè)的視野范圍、系統(tǒng)所要達(dá)到的精度等因素。

相機(jī)輸出的模擬視頻信號(hào)并不能為計(jì)算機(jī)直接識(shí)別，圖像采集卡通過對(duì)模擬視頻信號(hào)的量化處理將模擬視頻信號(hào)數(shù)字化，形成計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字圖像，并提供與計(jì)算機(jī)的高速接口。圖像采集卡需要實(shí)時(shí)完成高速、大數(shù)據(jù)量的圖像數(shù)據(jù)采集，必須與相機(jī)協(xié)調(diào)工作，才能完成特定的任務(wù)。除A/D轉(zhuǎn)換外，圖像采集卡還具備其他一些功能，包括：

● 接收來自數(shù)字相機(jī)的高速數(shù)據(jù)流，并通過計(jì)算機(jī)高速總線傳輸至系統(tǒng)存儲(chǔ)器;

● 對(duì)多通道圖像接收、處理和重構(gòu);

● 對(duì)相機(jī)及系統(tǒng)其他模塊進(jìn)行功能控制。

圖像和視覺信息處理

上述機(jī)器視覺系統(tǒng)的前端環(huán)節(jié)，包括光源、鏡頭、相機(jī)等，都是為圖像和視覺信息處理模塊準(zhǔn)備素材。這一模塊才是機(jī)器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，它通過對(duì)圖像的處理、分析和識(shí)別實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)和特征的檢測(cè)。這一模塊包括機(jī)器視覺處理軟件和處理硬件平臺(tái)兩個(gè)部分，其中視覺處理軟件可以分為圖像預(yù)處理和特征分析理解兩個(gè)層次。圖像預(yù)處理包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼、平滑、銳化、分割、去噪、恢復(fù)等過程，用于改善圖像質(zhì)量。圖像特征分析理解是對(duì)目標(biāo)圖像進(jìn)行檢測(cè)和各種物理量的計(jì)算，以獲得對(duì)目標(biāo)圖像的客觀描述，主要包括圖像分割、特征提取（幾何形狀、邊界描述、紋理特性）等。

機(jī)器視覺中常用的算法包括： 搜索、邊緣（Edge）、Blob分析、卡尺工具（Caliper Tool）、光學(xué)字符識(shí)別、色彩分析。

目前，機(jī)器視覺軟件的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)從追求功能轉(zhuǎn)變?yōu)樗惴ǖ臏?zhǔn)確性和效率的競(jìng)爭(zhēng)。已有專門提供視覺軟件或者開發(fā)包的廠商。因?yàn)槌Ｒ?guī)的機(jī)器視覺軟件開發(fā)包盡管均能提供上述功能，但其檢測(cè)效果和運(yùn)算效率卻有很大差別。優(yōu)秀的機(jī)器視覺軟件可對(duì)圖像中目標(biāo)特征進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的檢測(cè)，對(duì)圖像的適應(yīng)性強(qiáng); 而不好的軟件則存在速度慢、結(jié)果不準(zhǔn)確、魯棒性差的缺點(diǎn)。

從硬件平臺(tái)的角度說，計(jì)算機(jī)在CPU和內(nèi)存方面的改進(jìn)給視覺系統(tǒng)提供了很好的支撐，多核CPU配合多線程的軟件可以成倍提高速度。伴隨DSP、FPGA技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理模塊以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、集成性、模塊化和無需復(fù)雜操作系統(tǒng)支持等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越多的重視。

總體而言，機(jī)器視覺是一個(gè)光機(jī)電計(jì)算機(jī)高度綜合的系統(tǒng)，其性能并不僅僅由某一個(gè)環(huán)節(jié)決定。每一個(gè)環(huán)節(jié)都很完美，也未必意味著最終性能的滿意。系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)是機(jī)器視覺系統(tǒng)開發(fā)的難點(diǎn)和基礎(chǔ)，也是許多開發(fā)商所不擅長(zhǎng)的，急需加強(qiáng)。

另外，在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境應(yīng)用中，振動(dòng)、粉塵、電磁干擾會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，這些問題都是設(shè)計(jì)和開發(fā)時(shí)應(yīng)注意的。

目前，以智能相機(jī)為代表的嵌入式系統(tǒng)因其有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而為許多專家所看好，高度模塊化、價(jià)格低廉的視覺傳感器組成的分布式網(wǎng)絡(luò)給我們展示了一個(gè)令人激動(dòng)的畫面。

然而，在機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)鏈條中最令人擔(dān)憂的是，一些基礎(chǔ)性的技術(shù)和器件，如相機(jī)的圖像傳感器芯片、高級(jí)鏡頭，仍全部依賴外國(guó)的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)的機(jī)器視覺廠商仍基本處于應(yīng)用層面開發(fā)，十分不利于該技術(shù)在我國(guó)的普及推廣。