機器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成
機器視覺技術(shù)用計算機來分析一個圖像,并根據(jù)分析得出結(jié)論?,F(xiàn)今機器視覺有兩種應(yīng)用。機器視覺系統(tǒng)可以探測部件,在此光學(xué)器件允許處理器更精確的觀察目標(biāo)并對哪些部件可以通過哪些需要廢棄做出有效的決定;機器視覺也可以用來創(chuàng)造一個部件,即運用復(fù)雜光學(xué)器件和軟件相結(jié)合直接指導(dǎo)制造過程。
盡管機器視覺應(yīng)用各異,但都包括以下幾個過程;
■圖像采集
光學(xué)系統(tǒng)采集圖像,圖像轉(zhuǎn)換成模擬格式并傳入計算機存儲器。
■圖像處理
處理器運用不同的算法來提高對結(jié)論有重要影響的圖像要素。
■特性提取
處理器識別并量化圖像的關(guān)鍵特性,例如印刷電路板上洞的位置或者連接器上引腳的個數(shù)。然后這些數(shù)據(jù)傳送到控制程序。
■判決和控制
處理器的控制程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出結(jié)論。例如:這些數(shù)據(jù)包括印刷電路板上的洞是否在要求規(guī)格以內(nèi)或者一個自動機器如何必須移動去拾取某一部件。
機器視覺系統(tǒng)解析
典型的視覺系統(tǒng)一般包括:光源、光學(xué)系統(tǒng),相機、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像分析處理軟件、監(jiān)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(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計算機處理的數(shù)據(jù),它直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。一般利用光源、光學(xué)系統(tǒng),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(tǒng)輸入的重要因素,因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設(shè)備,所以針對每個特定的應(yīng)用實例,要選擇相應(yīng)的照明裝置,以達(dá)到最佳效果。許多工業(yè)用的機器視覺系統(tǒng)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(wěn)定。以日光燈為例,在使用的第一個100小時內(nèi),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(wěn)定,是實用化過程中急需要解決的問題。另一個方面,環(huán)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(shù)據(jù)存在噪聲,一般采用加防護屏的方法,減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問題,在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中,對于某些要求高的檢測任務(wù),常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。
由光源構(gòu)成的照明系統(tǒng)按其照射方法可分為:背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)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(yōu)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(cè),這種方式便于安裝;結(jié)構(gòu)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(diào)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(xué)系統(tǒng)
對于機器視覺系統(tǒng)來說,圖像是唯一的信息來源,而圖像的質(zhì)量是由光學(xué)系統(tǒng)的恰當(dāng)選擇來決定。通常,由于圖像質(zhì)量差引起的誤差不能用軟件糾正。機器視覺技術(shù)把光學(xué)部件和成像電子結(jié)合在一起,并通過計算機控制系統(tǒng)來分辨、測量、分類和探測正在通過自動處理系統(tǒng)的部件。機器視覺系統(tǒng)通常能快到100%的探測所處理的產(chǎn)品而不會降低生產(chǎn)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(jié)果,以便能夠在當(dāng)今質(zhì)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(tǒng)能夠與滿意過程控制(SPC)非常理想的配合。
光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)與圖像傳感器的光敏面的格式有關(guān),一般包括:光圈、視場、焦距、F數(shù)等。
■相機
相機是實際上是一個光電轉(zhuǎn)換裝置,即將圖像傳感器所接收到的光學(xué)圖像,轉(zhuǎn)化為計算機所能處理的電信號。光電轉(zhuǎn)換器件是構(gòu)成相機的核心器件。目前,典型的光電轉(zhuǎn)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(nèi)的攝像靶、電子槍兩部分組成。攝像靶將輸入光學(xué)圖像的光照度分布轉(zhuǎn)換為靶面相應(yīng)象素電荷的二維空間分布,主要完成光電轉(zhuǎn)換和電荷存貯任務(wù);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(tǒng)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(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換形成電荷包,而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機由光學(xué)鏡頭、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)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(yōu)點。
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)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(shù)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(zhuǎn)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(yīng)用。
圖像的處理和分析
在機器視覺系統(tǒng)中,相機的主要功能光敏元所接收到的光信號轉(zhuǎn)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(shù)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(shù)字化過程。視頻信號首先經(jīng)低通濾波器濾波,轉(zhuǎn)換為在時間上連續(xù)的模擬信號;按照應(yīng)用系統(tǒng)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(zhuǎn)換為離散的模擬信號;然后再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出。而圖像采集/處理卡在具有模數(shù)轉(zhuǎn)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(tǒng)中,視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法,它包括圖像增強、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(nèi)容。經(jīng)過這些處理后,輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)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。#p#分頁標(biāo)題#e#
機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用
機器視覺系統(tǒng)是實現(xiàn)儀器設(shè)備精密控制、智能化、自動化有有效途徑,堪稱現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的“機器眼睛”。其最大優(yōu)點為:
(1)實現(xiàn)非接觸測量。對觀測與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷,從而提高了系統(tǒng)的可靠性;
(2)具有較寬的光譜響應(yīng)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(tǒng)則可以長時間地執(zhí)行觀測、分析與識別任務(wù),并可應(yīng)用于惡劣的工作環(huán)境。
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