機器視覺技術原理解析

簡介

機器視覺是一項綜合技術，包括圖像處理、機械工程技術、控制、電光源照明、光學成像、傳感器、模擬與數(shù)字視頻技術、計算機軟硬件技術（圖像增強和分析算法、圖像卡、 I/O卡等）。

一個典型的機器視覺應用系統(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械控制執(zhí)行模塊。

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

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

概述

機器視覺（Machine vision）

機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。

基本構造

一個典型的工業(yè)機器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭（定焦鏡頭、變倍鏡頭、遠心鏡頭、顯微鏡頭）、 相機（包括CCD相機和COMS相機）、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

定焦鏡頭鏡頭

顯微鏡頭

照明設備

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

機構及控制系統(tǒng)

PLC、PC-Base控制器

精密桌臺

伺服運動機臺

二、采集和分析一體的系統(tǒng)

智能相機（圖像采集和分析一體）

其他配套外圍設備：光源、顯示、PLC控制系統(tǒng)等等。

工作原理

機器視覺檢測系統(tǒng)采用CCD照相機將被檢測的目標轉換成圖像信號，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，轉變成數(shù)字化信號，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如面積、數(shù)量、位置、長度。

再根據(jù)預設的允許度和其他條件輸出結果，包括尺寸、角度、個數(shù)、合格 / 不合格、有 / 無等，實現(xiàn)自動識別功能。

典型結構

一個典型的機器視覺系統(tǒng)包括以下五大塊：

照明

照明是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質量和應用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設備，所以針對每個特定的應用實例，要選擇相應的照明裝置，以達到最佳效果。

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量，所以可采用加防護屏的方法來減少環(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、結構光和頻閃光照明等。

其中，背向照明是被測物放在光源和攝像機之間，它的優(yōu)點是能獲得高對比度的圖像。前向照明是光源和攝像機位于被測物的同側，這種方式便于安裝。

結構光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調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*相機尺寸/PRTM（零件測量公差比）

鏡頭選擇應注意：

焦距

目標高度

影像高度

放大倍數(shù)

影像至目標的距離

中心點 / 節(jié)點

畸變

視覺檢測中如何確定鏡頭的焦距

為特定的應用場合選擇合適的工業(yè)鏡頭時必須考慮以下因素：

· 視野 - 被成像區(qū)域的大小。

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

· CCD - 攝像機成像傳感器裝置的尺寸。

· 這些因素必須采取一致的方式對待。

如果在測量物體的寬度，則需要使用水平方向的 CCD 規(guī)格。

如果以英寸為單位進行測量，則以英尺進行計算，最后再轉換為毫米。

C.高速相機

按照不同標準可分為：標準分辨率數(shù)字相機和模擬相機等

按分辨率劃分，像素數(shù)在38萬以下的為普通型，像素數(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；

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

按同步方式劃分，可分為普通相機（內同步）和具有外同步功能的相機等。

D.圖像采集卡

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

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算機存儲器進行處理。有些采集卡有內置的多路開關。

例如，可以連接8個不同的攝像機，然后告訴采集卡采用那一個相機抓拍到的信息。

有些采集卡有內置的數(shù)字輸入以觸發(fā)采集卡進行捕捉，當采集卡抓拍圖像時數(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。

以往計算機速度較慢時，采用視覺處理器加快視覺處理任務。采集卡傳輸圖像到存儲器，進而計算分析。

當前主流配置的PLC，且配置較高，視覺處理器已經(jīng)幾乎退出市場。

機器選型

在機器視覺系統(tǒng)中，獲得一張高質量的可處理的圖像是至關重要。

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

光源選型基本要素：

對比度：對比度對機器視覺來說非常重要。機器視覺應用的照明的最重要的任務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)生最大的對比度，從而易于特征的區(qū)分。對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。好的照明應該能夠保證需要檢測的特征突出于其他背景。

亮度：當選擇兩種光源的時候，最佳的選擇是選擇更亮的那個。當光源不夠亮時，可能有三種不好的情況會出現(xiàn)。第一，相機的信噪比不夠；由于光源的亮度不夠，圖像的對比度必然不夠，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，當光源的亮度不夠的時候，自然光等隨機光對系統(tǒng)的影響會最大。

魯棒性：另一個測試好光源的方法是看光源是否對部件的位置敏感度最小。當光源放置在攝像頭視野的不同區(qū)域或不同角度時，結果圖像應該不會隨之變化。方向性很強的光源，增大了對高亮區(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，好的光源應該能夠產(chǎn)生最大的對比度、亮度足夠且對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。