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1機器視覺檢測的一般模式
機器視覺檢測的對象千差萬別，檢測的目的也不盡相同。農(nóng)產(chǎn)品如柑橘、玉米等通常是檢測其成熟度，大小，形態(tài)等，工業(yè)產(chǎn)品如工業(yè)零件,印刷電路板通常是檢測其幾何尺寸，表面缺陷等。不同的應(yīng)用場合，就需要采用不同的檢測設(shè)備和檢測方法。如有的檢測對精度要求高，就需要選擇高分辨率的影像采集裝置；有的檢測需要產(chǎn)品的彩色信息，就需要采用彩色的影像采集裝置。正是由于不同檢測環(huán)境的特殊性，目前世界上還沒有一個適用于所有產(chǎn)品的通用機器視覺檢測系統(tǒng)。雖然各個檢測系統(tǒng)采用的檢測設(shè)備和檢測方法差異很大，但其檢測的一般模式卻是相同的。機器視覺檢測的一般模式是首先通過光學(xué)成像和圖像采集裝置獲得產(chǎn)品的數(shù)字化圖像，再用計算機進行圖像處理得到相關(guān)檢測信息，形成對被測產(chǎn)品的判斷決策，最后將該決策信息發(fā)送到分揀裝置，完成被測產(chǎn)品的分揀。
機器視覺檢測的一般模式如圖1所示：
圖1 機器視覺檢測的一般模式
1.1圖像獲取
圖像獲取是機器視覺檢測的第一步，它影響到系統(tǒng)應(yīng)用的穩(wěn)定性和可靠性。圖像的獲取實際上就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圖像數(shù)據(jù)。機器視覺檢測系統(tǒng)一般利用光源，光學(xué)鏡頭，相機，圖像采集卡等設(shè)備獲取被測物體的數(shù)字化圖像。
1.2視覺檢測
視覺檢測通過圖像處理的方法從產(chǎn)品圖像中提取需要的信息，做出決策并發(fā)送相應(yīng)消息到分揀機構(gòu)。通常這部分功能由機器視覺軟件來完成。優(yōu)秀的機器視覺軟件可對圖像中的目標(biāo)特征進行快速準確地檢測，并最大限度地減少對硬件系統(tǒng)的依賴性，而算法設(shè)計不夠成熟的機器視覺軟件則存在檢測速度慢，誤判率高，對硬件依賴性強等特點。在機器視覺檢測系統(tǒng)中視覺信息的處理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，特征提取，目標(biāo)識別與理解等內(nèi)容。
1.3分揀
對于一個檢測系統(tǒng)而言，最終是要實現(xiàn)次品（含不同種類的次品）與合格品的分離即分揀，這部分功能由分揀機構(gòu)來完成。分揀是機器視覺檢測的最后一個也是最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)"對于不同的應(yīng)用場合，分揀機構(gòu)可以是機電系統(tǒng)!液壓系統(tǒng)!氣動系統(tǒng)中的某一種。但無論是哪一種，除了其加工制造和裝配精度要嚴格保證以外,其動態(tài)特性,特別是快速性和穩(wěn)定性也十分重要，必須在設(shè)計時予以足夠的重視。
2機器視覺檢測系統(tǒng)的構(gòu)成
一個典型的機器視覺檢測系統(tǒng)主要包括光源、光學(xué)鏡頭、數(shù)字相機、圖像采集卡、圖像處理模塊、分揀機構(gòu)等部份。其構(gòu)成如圖2所示。
圖2 典型的機器視覺檢測系統(tǒng)
3光源
在機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中，合適的光源與照明方案往往是整個系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，起著非常重要的作用，它并不是簡單的照亮物體而已。光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部分之間應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加對比度；同時還應(yīng)保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性等，同時還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。在機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中一般使用透射光和反射光。對于反射光情況應(yīng)充分考慮光源和光學(xué)鏡頭的相對位置、物體表面的紋理，物體的幾何形狀、背景等要素。
3.1光源的分類及其特性
光源可分為自然光源和人造光源兩類。自然光源使用不方便且其發(fā)光特性不容易控制，一般不適合用作圖像采集系統(tǒng)的照明光源。機器視覺一般使用人造光源，常用的有：鹵素?zé)?span>(作為定向光源)、熒光燈(作為低成本的漫射光源)、LED燈、氛燈和電致發(fā)光管。
表1 列出了幾種主要光源的相關(guān)特性
|
光源 |
顏色 |
壽命/h |
發(fā)光亮度 |
特點 |
|
鹵素?zé)?/span> |
白色、偏黃 |
5000-7000 |
很亮 |
發(fā)熱多，較便宜 |
|
熒光燈 |
白色、偏黃 |
5000-7000 |
亮 |
較便宜 |
|
LED燈 |
紅黃綠白藍等 |
60000-100000 |
較亮 |
發(fā)熱少，固體 |
|
氙燈 |
白色，偏藍 |
3000-7000 |
亮 |
發(fā)熱多，持續(xù)光 |
|
電致發(fā)光管 |
由發(fā)光頻率決定 |
5000-7000 |
較亮 |
發(fā)熱少，較便宜 |
在光源選擇方面LED光源尤其值得注意。機器還四絕系統(tǒng)穩(wěn)定工作的必要條件就是：在外部條件不斷變化（外部光噪聲，目標(biāo)的傾斜，材質(zhì)和系統(tǒng)類型的變化）的情況下，持續(xù)獲得對比鮮明的圖像。而LED光源則是滿足這個條件的理想光源，這是因為LED光源具有以下的一些優(yōu)點：1、形狀自由；2、使用壽命長；3、響應(yīng)時間短；4、顏色自由；5、綜合成本低。
3.2光源的照射方式
光源的照射方式有前光照、背光照、分光反照三種方式。
4、光學(xué)鏡頭
相機的鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體。如果沒有晶狀體，人眼看不到任何物體；如果沒有鏡頭，相機就無法輸出圖像。在機器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將成像目標(biāo)聚焦在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直接影響到機器視覺系統(tǒng)的整體性能，合理選擇并安裝鏡頭，是機器視覺系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。
一般情況下，機器視覺系統(tǒng)中的鏡頭可進行如下分類:
按焦距分類：廣角鏡頭、標(biāo)準鏡頭、長焦鏡頭等；
按調(diào)焦方式分類：手動調(diào)焦、自動調(diào)焦等；
按光圈分類：手動光圈、自動光圈。
4.1鏡頭的基本結(jié)構(gòu)
機器視覺系統(tǒng)中采用的鏡頭一般由一組透鏡和光闌組成。
4.2鏡頭的接口
在機器視覺中,光學(xué)鏡頭常用的接口為C型和CS型。C型和CS型接口均是國際標(biāo)準接口。其旋合長度、制造精度、靠面尺寸及后截距(即安裝基準面至像面的空氣光程)公差均應(yīng)符合相關(guān)要求。
4.3鏡頭的性能指標(biāo)
鏡頭主要有以下幾個性能指標(biāo)：1、焦距2、分辨率3、視場角4、光譜特性
5、數(shù)字相機
目前數(shù)字相機所采用的傳感器主要有兩大類:CCD和CMOS"其中CMOS傳感器由于存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率低、反應(yīng)速度慢等缺點，應(yīng)用范圍較窄。目前在機器視覺檢測系統(tǒng)中，CCD相機因其具有體積小巧、性能可靠、清晰度高等優(yōu)點得到了廣泛使用。
5.1、CCD相機的基本組成
典型的CCD相機主要由CCD、驅(qū)動電路、信號處理電路、電子接口電路、光學(xué)機械接口等構(gòu)成。
5.2、CCD相機的相關(guān)特性參數(shù)
CCD相機的相關(guān)特性參數(shù)主要有以下幾個：
1、最低照度
CCD相機的最低照度與所使用鏡頭的最大相對孔徑有關(guān)，在提供相機最低照度的同時，應(yīng)注明測試時所使用鏡頭的相對孔徑。
2、固定圖像噪聲
當(dāng)不采用曝光控制時,轉(zhuǎn)移柵結(jié)構(gòu)的非一致性將導(dǎo)致柵極點位的微小變化。同時，柵極限制電阻也使柵極電位產(chǎn)生了微小變化，從而使光電二極管在每一積分周期的開始產(chǎn)生微小的電位差。因為柵極結(jié)構(gòu)的特性是固定的,因此這些微小的電位差稱為/固定圖像噪聲，當(dāng)采用曝光控制時，光電二極管的初始電位由復(fù)位管的基極決定。如果基極電位較先前的電位有所提高，則將會引入一定量的電荷。即使在零照度條件下，這些電荷也會通過轉(zhuǎn)移柵傳輸于CCD寄存器。這并不是主要問題，因為可以很容易地從輸出信號中去除直流信號。但是，轉(zhuǎn)移柵的非一致性將會產(chǎn)生直流偏置，且這一偏置在像素與像素間并不相同，從而使固定圖像噪聲提高了。
固定圖像噪聲可通過非均勻性校正電路或采用軟件方法進行校正。
3、分辨率
分辨率是CCD相機的最為重要的性能參數(shù)之一，主要用于衡量相機對物像中明暗細節(jié)的分辨能力。
5.3CCD相機的分類
按照不同的分類標(biāo)準，CCD相機有著多種分類方式。
按成像色彩劃分，可分為彩色相機和黑白相機。
按掃描制式劃分，可分為線掃描和面掃描兩種方式。其中，面掃描CCD相機又可分為隔行掃描和逐行掃描。
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38萬以上的為高分辨率型;
按CCD光敏面尺寸大小劃分,可分為1/4、1/3、12/、1英寸相機。
2.6圖像采集卡
圖像采集卡是機器視覺系統(tǒng)的重要組成部分,其主要功能是對相機所輸出的視頻數(shù)據(jù)進行實時的采集,并提供與PC的高速接口。
與用于多媒體領(lǐng)域的圖像采集卡不同，適用于機器視覺系統(tǒng)的圖像采集卡需實時完成高速、大數(shù)據(jù)量的圖像數(shù)據(jù)處理，因而具有完全不同的結(jié)構(gòu)。在機器視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡必須與相機協(xié)調(diào)工作，才能完成特定的圖像采集任務(wù)。除完成常規(guī)的AD/轉(zhuǎn)換任務(wù)以外，應(yīng)用于機器視覺系統(tǒng)的圖像采集卡還應(yīng)具備以下功能：
接收來自數(shù)字相機的高速數(shù)據(jù)流,并通過PC總線高速傳輸至機器視覺系統(tǒng)的存儲器;
為了提高數(shù)據(jù)率，許多相機具有多個輸出通道，使幾個像素可并行輸出，此時需要圖像采集卡對多通道輸出的信號進行重新構(gòu)造，恢復(fù)原始圖像；
對相機及機器視覺系統(tǒng)中的其它模塊（如光源等）進行功能控制。
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