機器視覺系統解析與應用
發布時間：2024-05-08 點擊：130
機器視覺系統解析
典型的視覺系統一般包括：光源、光學系統，相機、圖像處理單元（或圖像采集卡）、圖像分析處理軟件、監視器、通訊/輸入輸出單元等。
■ 圖像采集
圖像的獲取實際上是將被測物體的可視化圖像和內在特征轉換成能被計算機處理的數據，它直接影響到系統的穩定性及可靠性。一般利用光源、光學系統，相機、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）獲取被測物體的圖像。
■光源
光源和影響機器視覺系統輸入的重要因素，因為它直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。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。許多工業用的機器視覺系統用可見光作為光源，這主要是因為可見光容易獲得，價格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的一個最大缺點是光能不能保持穩定。以日光燈為例，在使用的第一個100小時內，光能將下降15%，隨著使用時間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩定，是實用化過程中急需要解決的問題。另一個方面，環境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數據存在噪聲，一般采用加防護屏的方法，減少環境光的影響。由于存在上述問題，在現今的工業應用中，對于某些要求高的檢測任務，常采用x射線、超聲波等不可見光作為光源。
由光源構成的照明系統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相機之間，它的優點是能獲得高對比度的圖像；前向照明是光源和相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，根據它們產生的畸變，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，要求相機的掃描速度與光源的頻閃速度同步。
■光學系統
對于機器視覺系統來說,圖像是唯一的信息來源，而圖像的質量是由光學系統的恰當選擇來決定。通常，由于圖像質量差引起的誤差不能用軟件糾正。機器視覺技術把光學部件和成像電子結合在一起，并通過計算機控制系統來分辨、測量、分類和探測正在通過自動處理系統的部件。機器視覺系統通常能快到100%的探測所處理的產品而不會降低生產線的速度。由于越來越多的制造商正需要“6-sigma“（小于百萬分之三的有效單位）結果，以便能夠在當今質量意識很強的市場中更有競爭力，這種能力顯得非常重要。另外，這些系統能夠與滿意過程控制（spc）非常理想的配合。
光學系統的主要參數與圖像傳感器的光敏面的格式有關，一般包括：光圈、視場、焦距、f數等。
■相機
相機是實際上是一個光電轉換裝置，即將圖像傳感器所接收到的光學圖像，轉化為計算機所能處理的電信號。光電轉換器件是構成相機的核心器件。目前，典型的光電轉換器件為真空攝像管、ccd、cmos圖像傳感器等。
真空電視攝像管由密封在玻璃管罩內的攝像靶、電子槍兩部分組成。攝像靶將輸入光學圖像的光照度分布轉換為靶面相應象素電荷的二維空間分布，主要完成光電轉換和電荷存貯任務；電子槍則完成圖像信號的掃描拾取過程。電視攝像管型成像系統具有高清晰度、高靈敏度、寬光譜和高幀速成像等特點。但由于電視攝像管屬于真空管器件，其重量、體積及功耗均較大。
ccd是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。ccd的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉換形成電荷包，而后在驅動脈沖的作用下轉移、放大輸出圖像信號。典型的ccd相機由光學鏡頭、時序及同步信號發生器、垂直驅動器、模擬/數字信號處理電路組成。下圖為ccd相機的原理框圖。ccd作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優點。
cmos（complementary metal oxide semiconductor）圖像傳感器的開發最早出現在20世紀70 年代初。90 年代初期，隨著超大規模集成電路 (vlsi) 制造工藝技術的發展，cmos圖像傳感器得到迅速發展。cmos圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部象素的編程隨機訪問的優點。目前，cmos圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動態范圍和輸出圖像幾乎無拖影等特點而得到廣泛應用。[next]
圖像的處理和分析
在機器視覺系統中，相機的主要功能光敏元所接收到的光信號轉換為電壓的幅值信號輸出。若要得到被計算機處理與識別的數字信號，還需對視頻信息進行量化處理。圖像采集卡是進行視頻信息量化處理的重要工具。
■圖像采集／處理卡
圖像采集卡主要完成對模擬視頻信號的數字化過程。視頻信號首先經低通濾波器濾波，轉換為在時間上連續的模擬信號；按照應用系統對圖像分辨率的要求，得用采樣/保持電路對邊疆的視頻信號在時間上進行間隔采樣，把視頻信號轉換為離散的模擬信號；然后再由a/d轉換器轉變為數字信號輸出。而圖像采集／處理卡在具有模數轉換功能的同時，還具有對視頻圖像分析、處理功能，并同時可對相機進行有效的控制。
■圖像處理處理軟件
機器視覺系統中，視覺信息的處理技術主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內容。經過這些處理后，輸出圖像的質量得到相當程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。
機器視覺系統的應用
機器視覺系統是實現儀器設備精密控制、智能化、自動化有有效途徑，堪稱現代工業生產的“機器眼睛”。其最大優點為：
（１）實現非接觸測量。對觀測與被觀測者都不會產生任何損傷，從而提高了系統的可靠性；
（２）具有較寬的光譜響應范圍。機器視覺則可以利用專用的光敏元件，可以觀察到人類無法看到的世界，從而擴展了人類的視覺范圍。
（３）長時間工作。人類難以長時間地對同一對象進行觀察。機器視覺系統則可以長時間地執行觀測、分析與識別任務,并可應用于惡劣的工作環境。
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典型的視覺系統一般包括：光源、光學系統，相機、圖像處理單元（或圖像采集卡）、圖像分析處理軟件、監視器、通訊/輸入輸出單元等。
■ 圖像采集
圖像的獲取實際上是將被測物體的可視化圖像和內在特征轉換成能被計算機處理的數據，它直接影響到系統的穩定性及可靠性。一般利用光源、光學系統，相機、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）獲取被測物體的圖像。
■光源
光源和影響機器視覺系統輸入的重要因素，因為它直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。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。許多工業用的機器視覺系統用可見光作為光源，這主要是因為可見光容易獲得，價格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的一個最大缺點是光能不能保持穩定。以日光燈為例，在使用的第一個100小時內，光能將下降15%，隨著使用時間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩定，是實用化過程中急需要解決的問題。另一個方面，環境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數據存在噪聲，一般采用加防護屏的方法，減少環境光的影響。由于存在上述問題，在現今的工業應用中，對于某些要求高的檢測任務，常采用x射線、超聲波等不可見光作為光源。
由光源構成的照明系統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相機之間，它的優點是能獲得高對比度的圖像；前向照明是光源和相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，根據它們產生的畸變，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，要求相機的掃描速度與光源的頻閃速度同步。
■光學系統
對于機器視覺系統來說,圖像是唯一的信息來源，而圖像的質量是由光學系統的恰當選擇來決定。通常，由于圖像質量差引起的誤差不能用軟件糾正。機器視覺技術把光學部件和成像電子結合在一起，并通過計算機控制系統來分辨、測量、分類和探測正在通過自動處理系統的部件。機器視覺系統通常能快到100%的探測所處理的產品而不會降低生產線的速度。由于越來越多的制造商正需要“6-sigma“（小于百萬分之三的有效單位）結果，以便能夠在當今質量意識很強的市場中更有競爭力，這種能力顯得非常重要。另外，這些系統能夠與滿意過程控制（spc）非常理想的配合。
光學系統的主要參數與圖像傳感器的光敏面的格式有關，一般包括：光圈、視場、焦距、f數等。
■相機
相機是實際上是一個光電轉換裝置，即將圖像傳感器所接收到的光學圖像，轉化為計算機所能處理的電信號。光電轉換器件是構成相機的核心器件。目前，典型的光電轉換器件為真空攝像管、ccd、cmos圖像傳感器等。
真空電視攝像管由密封在玻璃管罩內的攝像靶、電子槍兩部分組成。攝像靶將輸入光學圖像的光照度分布轉換為靶面相應象素電荷的二維空間分布，主要完成光電轉換和電荷存貯任務；電子槍則完成圖像信號的掃描拾取過程。電視攝像管型成像系統具有高清晰度、高靈敏度、寬光譜和高幀速成像等特點。但由于電視攝像管屬于真空管器件，其重量、體積及功耗均較大。
ccd是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。ccd的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉換形成電荷包，而后在驅動脈沖的作用下轉移、放大輸出圖像信號。典型的ccd相機由光學鏡頭、時序及同步信號發生器、垂直驅動器、模擬/數字信號處理電路組成。下圖為ccd相機的原理框圖。ccd作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優點。
cmos（complementary metal oxide semiconductor）圖像傳感器的開發最早出現在20世紀70 年代初。90 年代初期，隨著超大規模集成電路 (vlsi) 制造工藝技術的發展，cmos圖像傳感器得到迅速發展。cmos圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部象素的編程隨機訪問的優點。目前，cmos圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動態范圍和輸出圖像幾乎無拖影等特點而得到廣泛應用。[next]
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圖像采集卡主要完成對模擬視頻信號的數字化過程。視頻信號首先經低通濾波器濾波，轉換為在時間上連續的模擬信號；按照應用系統對圖像分辨率的要求，得用采樣/保持電路對邊疆的視頻信號在時間上進行間隔采樣，把視頻信號轉換為離散的模擬信號；然后再由a/d轉換器轉變為數字信號輸出。而圖像采集／處理卡在具有模數轉換功能的同時，還具有對視頻圖像分析、處理功能，并同時可對相機進行有效的控制。
■圖像處理處理軟件
機器視覺系統中，視覺信息的處理技術主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內容。經過這些處理后，輸出圖像的質量得到相當程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。
機器視覺系統的應用
機器視覺系統是實現儀器設備精密控制、智能化、自動化有有效途徑，堪稱現代工業生產的“機器眼睛”。其最大優點為：
（１）實現非接觸測量。對觀測與被觀測者都不會產生任何損傷，從而提高了系統的可靠性；
（２）具有較寬的光譜響應范圍。機器視覺則可以利用專用的光敏元件，可以觀察到人類無法看到的世界，從而擴展了人類的視覺范圍。
（３）長時間工作。人類難以長時間地對同一對象進行觀察。機器視覺系統則可以長時間地執行觀測、分析與識別任務,并可應用于惡劣的工作環境。
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