機器視覺（科技技術）

機器視覺（科技技術）

機器視覺 （科技技術） 次瀏覽 | 2022.04.09 07:30:02 更新 來源 ：互聯(lián)網 精選百科 本文由作者推薦 機器視覺科技技術

機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產品將被攝取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；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結果來控制現(xiàn)場的設備動作。

中文名

機器視覺

外文名

machine vision

產生發(fā)展機器視覺-攝相頭

機器視覺的研究是從20世紀60年代中期美國學者L.R.羅伯茲關于理解多面體組成的積木世界研究開始的。當時運用的預處理、邊緣檢測、輪廓線構成、對象建模、匹配等技術，后來一直在機器視覺中應用。羅伯茲在圖像分析過程中，采用了自底向上的方法。用邊緣檢測技術來確定輪廓線，用區(qū)域分析技術將圖像劃分為由灰度相近的像素組成的區(qū)域，這些技術統(tǒng)稱為圖像分割。其目的在于用輪廓線和區(qū)域對所分析的圖像進行描述，以便同機內存儲的模型進行比較匹配。實踐表明，只用自底向上的分析太困難,必須同時采用自頂向下,即把目標分為若干子目標的分析方法，運用啟發(fā)式知識對對象進行預測。這同言語理解中采用的自底向上和自頂向下相結合的方法是一致的。在圖像理解研究中，A.古茲曼提出運用啟發(fā)式知識，表明用符號過程來解釋輪廓畫的方法不必求助于諸如最小二乘法匹配之類的數(shù)值計算程序。

70年代，機器視覺形成幾個重要研究分支：①目標制導的圖像處理；②圖像處理和分析的并行算法；③從二維圖像提取三維信息；④序列圖像分析和運動參量求值；⑤視覺知識的表示；⑥視覺系統(tǒng)的知識庫等。

工作原理

機器視覺檢測系統(tǒng)采用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。機器視覺被稱為自動化的眼睛，在國民經濟、科學研究及國防建設等領域都有著廣泛的應用。

優(yōu)越性

1.?安全可靠：視覺的最大優(yōu)點是與被觀測的對象無接觸，因此對觀測與被觀測者都不會產生任何損傷，十分安全可靠，這是其他感覺方式無法比擬的。另外，人無法長時間地觀察對象，機器視覺則不知疲勞，始終如一地觀測，所以機器視覺可以廣泛地用于長時間惡劣的工作環(huán)境。

2.?視覺范圍廣：理論上，人眼觀察不到的范圍，機器視覺也可以觀察，例如紅外線、微波、超聲波等人類就觀察不到，而機器視覺則可以利用這方面的敏感器件形成紅外線、微波、超聲波等圖象。因此可以說是擴展了人類的視覺范圍。

3.?對象選擇范圍廣：視覺方式所能檢測的對象十分廣泛，可以說是對對象不加選擇。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或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。

4.?生產效率高：機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設計信息以及加工控制信息集成。尤其是在大批量工業(yè)生產過程中，用人工視覺檢查產品質量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度，易于實現(xiàn)信息集成。

系統(tǒng)組成

一個典型的機器視覺系統(tǒng)包括以下五大塊：

1.?照明（光源）

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幟燈、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。

2.?鏡頭

FOV（FieldOfVision）=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：①焦距②目標高度③影像高度④放大倍數(shù)⑤影像至目標的距離⑥中心點/節(jié)點⑦畸變

3.?相機

工業(yè)相機作為機器視覺系統(tǒng)的關鍵組件，其最本質的功能就是將光信號轉變成有序的電信號。選擇合適的相機也是機器視覺系統(tǒng)設計中的重要環(huán)節(jié)，相機的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質量等，同時也與整個系統(tǒng)的運行模式直接相關。而工業(yè)相機按照不同的指標有諸多分類，以下是比較常見的分類：

高速相機

?（1）、按成像色彩劃分，可分為彩色相機和黑白相機；其中彩色相機有RGB格式（3CCD彩色相機）和Bayer格式（單CCD彩色相機）等；

（ 2）、按靈敏度劃分，又分為普通型、星光型、月光型、紅外型

（3）、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；

（4）、按光敏面尺寸大小劃分，可分為1/4、1/3、1/2、1英寸相機。

（5）、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）

（6）、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。

4.?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。

5.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。現(xiàn)在由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲器，而且計算機也快多了，所以現(xiàn)在視覺處理器用的較少了。

應用領域視覺系統(tǒng)的應用

機器視覺的應用主要有檢測和機器人視覺兩個方面：

1.?檢測：又可分為高精度定量檢測（例如顯微照片的細胞分類、機械零部件的尺寸和位置測量）和不用量器的定性或半定量檢測（例如產品的外觀檢查、裝配線上的零部件識別定位、缺陷性檢測與裝配完全性檢測）。

2.?機器人視覺：用于指引機器人在大范圍內的操作和行動，如從料斗送出的雜亂工件堆中揀取工件并按一定的方位放在傳輸帶或其他設備上（即料斗揀取問題，需3D機器視覺技術）。至于小范圍內的操作和行動，還需要借助于觸覺傳感技術。

應用實例

一、機器視覺檢測

1.?基于機器視覺的儀表板總成智能集成測試系統(tǒng)

EQ140-II汽車儀表板總成是我國某汽車公司生產的儀表產品，儀表板上安裝有速度里程表、水溫表、汽油表、電流表、信號報警燈等，其生產批量大，出廠前需要進行一次質量終檢。檢測項目包括：檢測速度表等五個儀表指針的指示誤差；檢測24個信號報警燈和若干照明9燈是否損壞或漏裝。一般采用人工目測方法檢查，誤差大，可靠性差，不能滿足自動化生產的需要?；跈C器視覺的智能集成測試系統(tǒng)，改變了這種現(xiàn)狀，實現(xiàn)了對儀表板總成智能化、全自動、高精度、快速質量檢測，克服了人工檢測所造成的各種誤差，大大提高了檢測效率。

整個系統(tǒng)分為四個部分：為儀表板提供模擬信號源的集成化多路標準信號源、具有圖像信息反饋定位的雙坐標CNC系統(tǒng)、攝像機圖像獲取系統(tǒng)和主從機平行處理系統(tǒng)。

2.?金屬板表面自動控傷系統(tǒng)

金屬板如大型電力變壓器線圈扁平線收音機朦朧皮等的表面質量都有很高的要求，但原始的采用人工目視或用百分表加控針的檢測方法不僅易受主觀因素的影響，而且可能會繪被測表面帶來新的劃傷。金屬板表面自動探傷系統(tǒng)利用機器視覺技術對金屬表面缺陷進行自動檢查，在生產過程中高速、準確地進行檢測，同時由于采用非接角式測量，避免了產生新劃傷的可能。其工作原理圖如圖8-6所示；在此系統(tǒng)中，采用激光器作為光源，通過針孔濾波器濾除激光束周圍的雜散光，擴束鏡和準直鏡使激光束變?yōu)槠叫泄獠⒁?5度的入射角均勻照明被檢查的金屬板表面。金屬板放在檢驗臺上。檢驗臺可在X、Y、Z三個方向上移動，攝像機采用TCD142D型2048線陳CCD，鏡頭采用普通照相機鏡頭。CCD接口電路采用單片機系統(tǒng)。主機PC機主要完成圖像預處理及缺陷的分類或劃痕的深度運算等，并可將檢測到的缺陷或劃痕圖像在顯示器上顯示。CCD接口電路和PC機之間通過RS-232口進行雙向通訊，結合異步A/D轉換方式，構成人機交互式的數(shù)據(jù)采集與處理。

該系統(tǒng)主要利用線陣CCD的自掃描特性與被檢查鋼板X方向的移動相結合，取得金屬板表面的三維圖像信息。

3.?汽車車身檢測系統(tǒng)

英國ROVER汽車公司800系列汽車車身輪廓尺寸精度的100%在線檢測，是機器視覺系統(tǒng)用于工業(yè)檢測中的一個較為典型的例子，該系統(tǒng)由62個測量單元組成，每個測量單元包括一臺激光器和一個CCD攝像機，用以檢測車身外殼上288個測量點。汽車車身置于測量框架下，通過軟件校準車身的精確位置。

測量單元的校準將會影響檢測精度，因而受到特別重視。每個激光器/攝像機單元均在離線狀態(tài)下經過校準。同時還有一個在離線狀態(tài)下用三坐標測量機校準過的校準裝置，可對攝像頂進行在線校準。

檢測系統(tǒng)以每40秒檢測一個車身的速度，檢測三種類型的車身。系統(tǒng)將檢測結果與人、從CAD模型中撮出來的合格尺寸相比較，測量精度為±0.1mm。ROVER的質量檢測人員用該系統(tǒng)來判別關鍵部分的尺寸一致性，如車身整體外型、門、玻璃窗口等。實踐證明，該系統(tǒng)是成功的，并將用于ROVER公司其它系統(tǒng)列汽車的車身檢測。

4.?紙幣印刷質量檢測系統(tǒng)：

該系統(tǒng)利用圖像處理技術，通過對紙幣生產流水線上的紙幣20多項特征（號碼、盲文、顏色、圖案等）進行比較分析，檢測紙幣的質量，替代傳統(tǒng)的人眼辨別的方法。

5.?瓶裝啤酒生產流水線檢測系統(tǒng)：

可以檢測啤酒是否達到標準的容量、啤酒標簽是否完整、酒瓶外觀裂紋檢測、酒瓶內壁異物檢測及酒液異物檢測。

二、機器視覺識別

1.?智能交通管理系統(tǒng)：

通過在交通要道放置攝像頭，當有違章車輛（如闖紅燈）時，攝像頭將車輛的牌照拍攝下來，傳輸給中央管理系統(tǒng)，系統(tǒng)利用圖像處理技術，對拍攝的圖片進行分析，提取出車牌號，存儲在數(shù)據(jù)庫中，可以供管理人員進行檢索。

2.?金相分析：

金相圖象分析系統(tǒng)能對金屬或其它材料的基體組織、雜質含量、組織成分等進行精確、客觀地分析，為產品質量提供可靠的依據(jù)。

西門子機器視覺系統(tǒng)在醫(yī)療機械的應用

3.?醫(yī)療圖像分析：

血液細胞自動分類計數(shù)、染色體分析、癌癥細胞識別等。

三、機器視覺測量

1.?大型工件平行度、垂直度測量儀：

采用激光掃描與CCD探測系統(tǒng)的大型工件平行度、垂直度測量儀，它以穩(wěn)定的準直激光束為測量基線，配以回轉軸系，旋轉五角標棱鏡掃出互相平行或垂直的基準平面，將其與被測大型工件的各面進行比較。在加工或安裝大型工件時，可用該認錯器測量面間的平行度及垂直度。

2.?螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測器件：

以頻閃光作為照明光源，利用面陳和線陳CCD作為螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測器件，實現(xiàn)熱軋螺紋鋼幾何參數(shù)在線測量的動態(tài)檢測系統(tǒng)。

3.?軸承實時監(jiān)控：

視覺技術實時監(jiān)控軸承的負載和溫度變化，消除過載和過熱的危險。將傳統(tǒng)上通過測量滾珠表面保證加工質量和安全操作的被動式測量變?yōu)橹鲃邮奖O(jiān)控。

4.?金屬表面的裂紋測量：

用微波作為信號源，根據(jù)微波發(fā)生器發(fā)出不同波濤率的方波，測量金屬表面的裂紋，微波的波的頻率越高，可測的裂紋越狹小。

四、機器人視覺定位

1. ?機器人視覺全自動上下料：

利用機器視覺系統(tǒng)實現(xiàn)全自動上下料，替代人工，提高效率，不僅避免了機床事故，并且在某些特殊工作場合得到應用。

2. ?機器人視覺移動中抓取：

通過機器視覺定位提前判斷工件位移路徑抓取工件進行相關加工，在一定速度下配合來料節(jié)拍，使車間高速作業(yè)。

3. ?機器人視覺碼垛：

同樣是通過機器視覺定位進行產品碼垛，目的詣在節(jié)省人工，提高效率。

總之，類似的實用系統(tǒng)還有許多，這里就不一一敘述了。

五、Color檢測 一般而言，從彩色CCD相機中獲取的圖像都是RGB圖像。也就是說每一個像素都由紅（R）綠（G）籃（B）三個成分組成，來表示RGB色彩空間中的一個點。問題在于這些色差不同于人眼的感覺。即使很小的噪聲也會改變顏色空間中的位置。所以無論我們人眼感覺有多么的近似，在顏色空間中也不盡相同?；谏鲜鲈颍覀冃枰獙GB像素轉換成為另一種顏色空間CIELAB。目的就是使我們人眼的感覺盡可能的與顏色空間中的色差相近。[2]

前景展望

由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設計信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產過程中，人們將機器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質量控制等領域。

但是機器視覺技術比較復雜，最大的困難在于人的視覺機制尚不清楚。人可以用內省法描述對某一問題的解題過程，從而用計算機加以模擬。但盡管每一個正常人都是“視覺專家”，卻不可能用內省法來描述自己的視覺過程。因此建立機器視覺系統(tǒng)是十分困難的任務。

可以預計的是，隨著機器視覺技術自身的成熟和發(fā)展，它將在現(xiàn)代和未來制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應用。

參考資料