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機器視覺係統的搭建與應用
點擊次數:7183   發布時間:2009-04-07 18:10:36
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      美國機器人工業協會(RIA Robotic Industries Association)的自動化對機器視覺下的定義為:“機器視覺是通過光學的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像,以獲得所需信息或用於控製機器人運動的裝置”。

      機器視覺係統是指通過機器視覺產品(即圖像攝取裝置,分CMOS和CCD兩種)把圖像抓取到,然後將該圖像傳送至處理單元,通過數字化處理,根據像素分布和亮度、顏色等信息,來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。進而根據判別的結果來控製現場的設備動作。

    機器視覺伴隨計算機技術、現場總線技術的發展,技術日臻成熟,已是現代加工製造業不可或缺的產品,廣泛應用於食品和飲料、化妝品、製藥、建材和化工、金屬加工、電子製造、包裝、汽車製造等行業。機器視覺的引入,代替傳統的人工檢測方法,極大地提高了投放市場的產品質量,提高了生產效率。

    在現代工業自動化生產中,涉及到各種各樣的檢驗、生產監視及零件識別應用,例如零配件批量加工的尺寸檢查,自動裝配的完整性檢查,電子裝配線的元件自動定位,IC上的字符識別等。通常人眼無法連續、穩定地完成這些帶有高度重複性和智能性的工作,其它物理量傳感器也難有用武之地。由此人們開始考慮利用光電成像係統采集被控目標的圖像,而後經計算機或專用的圖像處理模塊進行數字化處理,根據圖像的像素分布、亮度和顏色等信息,來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。這樣,就把計算機的快速性、可重複性,與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結合,由此產生了機器視覺的概念。(shenmeshi.cn收集)

     一個成功的機器視覺係統是一個經過細致工程處理來滿足一係列明確要求的係統。當這些要求完全確定後,這個係統就設計並建立來滿足這些精確的要求。

機器視覺的特點包括以下幾點:

■精度高:作為一個精確的測量儀器,設計優秀的視覺係統能夠對一千個或更多部件的一個進行空間測量。因為此種測量不需要接觸,所以對脆弱部件沒有磨損和危險。

■連續性:視覺係統可以使人們免受疲勞之苦。因為沒有人工操作者,也就沒有了人為造成的操作變化。多個係統可以設定單獨運行。

■成本效率高:隨著計算機處理器價格的急劇下降,機器視覺係統成本效率也變得越來越高。一個價值10000美元的視覺係統可以輕鬆取代三個人工探測者,而每個探測者每年需要20000美元的工資。另外,視覺係統的操作和維持費用非常低。

■靈活性:視覺係統能夠進行各種不同的測量。當應用變化以後,隻需軟件做相應變化或者升級以適應新的要求即可。

許多應用滿意過程控製(SPC)的公司正在考慮應用機器視覺係統來傳遞持續的、協調的和精確的測量SPC命令。在SPC中,製造參數是被持續監控的。整個過程的控製就是要保證這些參數在一定的範圍內。這使製造者在生產過程失去控製或出現壞部件時能夠調節過程參數。

機器視覺係統比光學或機器傳感器有更好的可適應性。它們使自動機器具有了多樣性、靈活性和可重組性。當需要改變生產過程時,對機器視覺來說“工具更換”僅僅是軟件的變換而不是更換昂貴的硬件。當生產線重組後,視覺係統往往可以重複使用

機器視覺係統的構成

機器視覺技術用計算機來分析一個圖像,並根據分析得出結論。現今機器視覺有兩種應用。機器視覺係統可以探測部件,在此光學器件允許處理器更精確的觀察目標並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造一個部件,即運用複雜光學器件和軟件相結合直接指導製造過程。

盡管機器視覺應用各異,但都包括以下幾個過程;

■圖像采集:光學係統采集圖像,圖像轉換成模擬格式並傳入計算機存儲器。

■圖像處理:處理器運用不同的算法來提高對結論有重要影響的圖像要素。

■特性提取:處理器識別並量化圖像的關鍵特性,例如印刷電路板上洞的位置或者連接器上引腳的個數。然後這些數據傳送到控製程序。

■判決和控製:處理器的控製程序根據收到的數據做出結論。例如:這些數據包括印刷電路板上的洞是否在要求規格以內或者一個自動機器如何必須移動去拾取某一部件。

機器視覺係統解析

典型的視覺係統一般包括:光源、光學係統,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,它直接影響到係統的穩定性及可靠性。一般利用光源、光學係統,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係統輸入的重要因素,因為它直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。由於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係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,並且便於操作。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。另一個方麵,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。由於存在上述問題,在現今的工業應用中,對於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。

由光源構成的照明係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於被測物的同側,這種方式便於安裝;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衝照射到物體上,要求相機的掃描速度與光源的頻閃速度同步。

 ■光學係統:對於機器視覺係統來說,圖像是唯一的信息來源,而圖像的質量是由光學係統的恰當選擇來決定。通常,由於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,並通過計算機控製係統來分辨、測量、分類和探測正在通過自動處理係統的部件。機器視覺係統通常能快到100%的探測所處理的產品而不會降低生產線的速度。由於越來越多的製造商正需要“6-sigma“(小於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,這些係統能夠與滿意過程控製(SPC)非常理想的配合。光學係統的主要參數與圖像傳感器的光敏麵的格式有關,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麵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。電視攝像管型成像係統具有高清晰度、高靈敏度、寬光譜和高幀速成像等特點。但由於電視攝像管屬於真空管器件,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、信號讀取於一體,是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號,而不同於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,而後在驅動脈衝的作用下轉移、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、無滯後、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) 製造工藝技術的發展,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製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、寬動態範圍和輸出圖像幾乎無拖影等特點而得到廣泛應用。

 圖像的處理和分析

在機器視覺係統中,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,轉換為在時間連續的模擬信號;按照應用係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;然後再由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,並同時可對相機進行有效的控製。

 ■圖像處理處理軟件

機器視覺係統中,視覺信息的處理技術主要依賴於圖像處理方法,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。經過這些處理後,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,又便於計算機對圖像進行分析、處理和識別。

機器視覺係統的應用

機器視覺係統是實現儀器設備精密控製、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,從而提高了係統的可靠性;(2)具有較寬的光譜響應範圍。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範圍。(3)長時間工作。人類難以長時間地對同一對象進行觀察。機器視覺係統則可以長時間地執行觀測、分析與識別任務,並可應用於惡劣的工作環境。(轉載)

         

    


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