機器視覺系統(tǒng)的關鍵技術

機器視覺系統(tǒng)是綜合現(xiàn)代計算機、光學、電子技術的高科技系統(tǒng)，通過計算機對系統(tǒng)攝取的視頻和圖像進行處理與分析，對得到的信息做出相應的判斷，進而發(fā)出對設備的控制指令。機器視覺系統(tǒng)根據(jù)其具體應用而千差萬別，視覺系統(tǒng)本身也可能有多種不同的形式,包括圖像采集(含光源、光學成像、數(shù)字圖像獲取與傳輸)圖像處理與分析等環(huán)節(jié)。機器視覺系統(tǒng)關鍵技術如下:

(1)照明光源 照明直接作用于系統(tǒng)的原始輸入，對輸入數(shù)據(jù)質量的好壞有直接的影響。由于被測對象、環(huán)境和檢測要求千差萬別，因而不存在通用的機器視覺照明設備，需要針對每個具體的案例來設計照明的方案,要考慮物體和特征的光學特性、距離、背景，根據(jù)檢測要求具體選擇光的強度、顏色和光譜組成均勻性、光源的形狀、照射方式等。目前使用的照明光源主要包括高頻熒光燈、鹵素燈和LED等。 (2)鏡頭 機器視覺系統(tǒng)中，鏡頭相當于人的眼睛，其主要作用是將目標的光學圖像聚焦在圖像傳感器(相機)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，鏡頭的質量直接影響到視覺系統(tǒng)的整體性能。合理選擇鏡頭、設計成像光路是視覺系統(tǒng)的關鍵技術之一。鏡頭成像或多或少會存在畸變，應選用畸變小的鏡頭，有效視場只取畸變較小的中心視場。此外，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與照明波長、CCD器件接受波長相匹配，并使光學鏡頭對該波長的光線透過率盡可能提高。

FOV( Field Of Vision)=所需分辨率*亞象素*相機尺寸/PRTM(零件測量公差比) 選擇鏡頭時應注意考慮分辨率、焦距、光圈、景深、 成像尺寸、視場角、畸變等。

(3)高速攝像機 攝像機是一個光電轉換器件，它將光學成像系統(tǒng)所形成的光學圖像轉變成視頻/數(shù)字電信號。通常,攝像機由核心的光電轉換器件、外圍電路、輸出控制接口組成。固態(tài)圖像傳感器主要有五種類型:電荷耦合器件CCD( Charge Coupled Device)，電荷注人器件CID( Charge Injection Device)，金屬-氧化物半導體MOS,電荷引發(fā)器件 CPD和疊層型攝像器件。相機按照不同標準可分為標準分辨率數(shù)字相機和模擬相機線掃描CCD和面陣CCD、單色相機和彩色相機等。要根據(jù)不同的實際應用場合選擇不同的相機，除了考察其光電轉換器件外,還應考慮系統(tǒng)速度、檢測的視野范圍、系統(tǒng)所要達到的精度等因素。

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(fā)生器、垂直驅動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。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(yōu)點。

CMOS圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世 紀70年代初。90年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路( VLSI)制造工藝技術的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)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(shù)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(yōu)點。目前,CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動態(tài)范圍和輸出圖像幾乎無拖影等特點而得到廣泛應用。

工業(yè)攝像機接口類型包括模擬接口、CameraLink、1394a、1394b、USB2. 0、GigE、Ethernet等。

(4)圖像采集處理卡

在機器視覺系統(tǒng)中，攝像機輸出的模擬視頻信號并不能為計算機直接識別，需要通過圖像采集卡將模擬視頻信號數(shù)字化，形成計算機能直接處理的數(shù)字圖像，并提供與計算機的高速接口。圖像采集卡就是進行視頻信息量化處理的重要工具,主要完成對模擬視頻信號的數(shù)字化過程。視頻信號首先經(jīng)低通濾波器濾波，轉換為在時間上連續(xù)的模擬信號;按照應用系統(tǒng)對圖像分辨率的要求，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AVD轉換器轉變?yōu)閿?shù)字信號輸出。而圖像采集/處理卡在具有模數(shù)轉換功能的同時，還具有對視頻圖像進行分析、處理的功能，并同時可對相機進行有效的控制。

(5)視覺處理軟件

機器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術主要依賴于視覺處理方法，視覺處理軟件可以分為圖像預處理和特征分析理解兩個層次。圖像預處理包括圖像增強、數(shù)據(jù)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(jīng)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。圖像特征分析理解是對目標圖像進行檢測和各種物理量的計算，以獲得對目標圖像的客觀描述，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)、光學字符識別、色彩分析等。

(6)硬件處理平臺

從硬件平臺的角度說，計算機在CPU和內存方面的改進給視覺系統(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技術的發(fā)展，嵌入式處理模塊以其強大的數(shù)據(jù)處理能力、集成性模塊化和無需復雜操作系統(tǒng)支持等優(yōu)點而得到越來越多的重視。

總體而言，機器視覺系統(tǒng)是一個光機電和計算機高度綜合的系統(tǒng)，其性能并不僅由某一個環(huán)節(jié)決定。每一個環(huán)節(jié)都很完美，,也未必意味著最終性能的滿意。系統(tǒng)分析和設計是機器視覺系統(tǒng)開發(fā)的難點和基礎，急常加強。