基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)研究
2008-10-30 10:37:27 【文章字體： 】
推薦 收藏 打印1 引言
機(jī)器視覺是利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進(jìn)行數(shù)字處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的識(shí)別。這樣，就把計(jì)算機(jī)的快速性、可重復(fù)性，與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，大大提高了生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。
2 基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
圖1是基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)在啤酒生產(chǎn)線上空瓶檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。由圖1可知，該系統(tǒng)主要由相機(jī)、鏡頭、光源、圖像采集卡、PC平臺(tái)和控制單元等六部分組成，各個(gè)部分之間相互配合，最終完成對(duì)酒瓶的質(zhì)量檢測(cè)和剔除。下面以圖1為例，對(duì)各個(gè)組成部分的功能和選型進(jìn)行介紹。
圖1 機(jī)器視覺空瓶檢測(cè)框圖
3 相機(jī)
目前工業(yè)用相機(jī)主要有CCD和CMOS兩種。CMOS相機(jī)起步較晚，所攝取的畫面質(zhì)量也不是很好，所以主要用在圖像品質(zhì)要求不是很高的產(chǎn)品上，比如手機(jī)附帶的相機(jī)大多數(shù)采用CMOS相機(jī)。CCD相機(jī)比CMOS相機(jī)更靈敏，在昏暗的光照下可以照出較好的相片，因此工業(yè)上應(yīng)用較為普遍的是CCD相機(jī)。CCD(Charge Coupled Device)是一種半導(dǎo)體光學(xué)器件。該器件具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)和延時(shí)等功能，并且集成度高、能耗小，故一出現(xiàn)就在固體圖像傳感、信息存儲(chǔ)和處理等方面得到廣泛應(yīng)用。在選擇相機(jī)時(shí)，主要有以下幾個(gè)方面的問題要考慮:
3.1 相機(jī)的掃描方式
相機(jī)按照掃描方式可以分為面掃描和線掃描相機(jī)。顧名思義。
(1) 線掃描相機(jī)是指對(duì)物體進(jìn)行行掃描的相機(jī)，線掃描相機(jī)又可分為隔行掃描和逐行掃描。線掃描相機(jī)適用于以下情況:
●對(duì)固定的物體做一維的測(cè)量;
●對(duì)象物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài);
●需處理可旋轉(zhuǎn)圓柱體的邊緣圖像;
●需要對(duì)象物體的高分辨率圖像，而又要考慮價(jià)格因素等，其他情況下可以考慮使用。
(2) 面掃描相機(jī)
線掃描相機(jī)的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、速度跟蹤精度高、光源強(qiáng)度要求高。目前，線掃描相機(jī)的分辨率已經(jīng)達(dá)到幾千，檢測(cè)速率也達(dá)到60楨/秒甚至更高。面掃描相機(jī)一次只能拍攝一副圖像。由于面掃描相機(jī)的自身局限性，使其不適于動(dòng)態(tài)目標(biāo)連續(xù)無遺漏的高精度檢測(cè)。但是，針對(duì)其工作原理，采用以下技術(shù):
●選用楨傳送或行間傳送CCD;
●采用高速快門(電子快門);
●采用單場(chǎng)技術(shù);
●選用高頻光源等，是完全可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖像的實(shí)時(shí)采集的，滿足工業(yè)在線檢測(cè)的要求。
3.2 相機(jī)的顏色
工業(yè)相機(jī)按顏色可以分為黑白和彩色相機(jī)。其中，黑白相機(jī)比彩色相機(jī)的分辨率高，而且數(shù)據(jù)采集速度快。隨著相機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在，彩色相機(jī)也越來越
多的得到了應(yīng)用。這是因?yàn)檫^去的彩色相機(jī)系統(tǒng)要由三臺(tái)相機(jī)組成，這三臺(tái)相機(jī)分別對(duì)應(yīng)R(紅色)、G(綠色)、B(藍(lán)色)波長(zhǎng)，而現(xiàn)在則出現(xiàn)了單CCD彩色相機(jī)。彩色相機(jī)可以提供更強(qiáng)的觀察和區(qū)別能力，因此在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)以及一些工業(yè)過程控制方面發(fā)揮了重要作用。
3.3 相機(jī)的輸出接口形式
相機(jī)輸出接口形式有RS-422、RS-644、USB、IEEE1394以及Cameralink等，在選擇圖像處理卡時(shí)應(yīng)注意其是否支持所選用相機(jī)的輸出形式。
3.4 鏡頭
鏡頭的幾個(gè)主要參數(shù)有:成像面，CCD感光片尺寸，焦距，視野，物距，景深和視角
選擇鏡頭時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素:
(1) 鏡頭的成像面與所用的CCD相機(jī)是否匹配。成像面與鏡頭本身的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)有關(guān)。成像應(yīng)該是越大越好?？墒怯行S家的鏡頭由于設(shè)計(jì)或生產(chǎn)上達(dá)不到技術(shù)要求，成像面會(huì)較小。
(2) 確定鏡頭的焦距、物距和視野(這個(gè)主要是依據(jù)實(shí)際的工作或安裝環(huán)境來確定)這幾個(gè)參數(shù)關(guān)系是:焦距越小，視角越大，最小物距越短，視野越大。以最常用的三種鏡頭(50mm, 25mm, 16mm)為例:50mm的鏡頭焦距是最大的，所以50mm鏡頭的視角就最小，而視野就最小，最小物距卻是最遠(yuǎn)的;25mm的鏡頭焦距次之; 16mm的鏡頭焦距則是最小的，所以16mm鏡頭的視角就最大，而視野也就最大，最小物距是最近的。
4 其它部件
4.1 光源
光源是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30％的應(yīng)用效果。由于被檢測(cè)物體的顏色、材質(zhì)、折射率等特性的千差萬別，就必須根據(jù)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳的效果。
光源按其照射方式可分為背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。背向照明是被測(cè)物放在光源和攝像機(jī)之間，其優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對(duì)比度的圖像;前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測(cè)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(cè)物上, 根據(jù)它們所產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測(cè)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，照相機(jī)拍攝要求與光源同步，這樣能有效地拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體的圖像。
用光源的類型有鹵素?zé)簟晒鉄艉蚅ED光源等, 其主要性能的比較見附表。
附表 常用光源的類型
點(diǎn)擊看原圖
設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)要求選用光源，但大多數(shù)情況下，選用LED光源是一種趨勢(shì)。
4.2 圖像采集卡
圖像采集卡是視頻信號(hào)從相機(jī)到電腦之間傳輸?shù)臉蛄骸Ｄ壳按蠖鄶?shù)相機(jī)還是模擬信號(hào)輸出，圖像采集卡則將各種模擬視頻信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，供計(jì)算機(jī)作處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)戎谩?div style="height:15px;">
選擇圖像采集卡要考慮以下幾個(gè)方面:
(1) 視頻輸入的格式和數(shù)據(jù)傳輸率
大多數(shù)攝像機(jī)使用RS-422或者EIA644作為輸出信號(hào)格式，這樣圖像采集卡就需要支持系統(tǒng)使用的攝像機(jī)所采用的輸出信號(hào)格式。從靈活性來說，如果兩種格式都支持就更好。當(dāng)攝像機(jī)以較高的速度拍攝高分辨率圖像后，會(huì)產(chǎn)生很高的輸出速率，這時(shí)攝像機(jī)一般使用多路信號(hào)同時(shí)輸出，而圖像采集卡必須能夠支持多路輸入及攝像機(jī)的輸出速率。
(2) 數(shù)據(jù)的吞吐量
當(dāng)圖像采集卡的信號(hào)輸
入速率較高時(shí),需要考慮圖像采集卡與圖像處理系統(tǒng)之間的帶寬問題。在使用PC時(shí), 圖像采集卡使用PCI接口。PCI接口的理論峰值帶寬為132Mbps。但在實(shí)際使用中, 多數(shù)計(jì)算機(jī)上PCI 接口的平均數(shù)據(jù)傳輸率為50～90Mbps，有可能在瞬間高傳輸率時(shí)不能滿足傳輸?shù)男枰?。為了避免與其他PCI 設(shè)備產(chǎn)生沖突時(shí)丟失數(shù)據(jù)，圖像采集卡上應(yīng)有數(shù)據(jù)緩存。在一般情況下，有2MB的板載存儲(chǔ)器可以滿足大部分的任務(wù)要求。
(3) 數(shù)字I/O控制
在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，輸入/輸出的控制很重要。系統(tǒng)中常要根據(jù)處理過程的需要來決定攝像機(jī)的拍攝時(shí)間。如果采用了可重設(shè)的攝像機(jī)，需要產(chǎn)生重設(shè)信號(hào)。在一些系統(tǒng)中，由于需要設(shè)定拍攝的幀率，應(yīng)該有像素時(shí)鐘發(fā)生器。外同步是指不同的視頻設(shè)備之間用同一同步信號(hào)來保證視頻信號(hào)的同步，它可以保證不同設(shè)備輸出的視頻信號(hào)具有相同的幀行起止時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)外同步，需要給攝像機(jī)輸入一個(gè)復(fù)合同步信號(hào)或復(fù)合視頻信號(hào)。如果圖像采集卡已經(jīng)具有數(shù)字I/O功能, 能夠
產(chǎn)生攝像機(jī)和其他電子設(shè)備所需的選通、觸發(fā)及其他電子信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)是很有用的，否則將需要獨(dú)立的數(shù)字I/O卡。
4.3 PC平臺(tái)
本系統(tǒng)中PC平臺(tái)用于接受圖像采集卡輸出的圖像，然后由圖像處理軟件進(jìn)行預(yù)處理、分析和識(shí)別，判斷空瓶質(zhì)量的好壞，最后將判斷結(jié)果發(fā)送給PLC。由于圖像采集卡和圖像處理軟件的運(yùn)行都消耗很大的系統(tǒng)資源，因此應(yīng)當(dāng)選用高性能的工控機(jī)作為PC平臺(tái)，保證系統(tǒng)快速穩(wěn)定的運(yùn)行。
4.4 控制單元
本系統(tǒng)選用PLC作為底層控制器，它通過I/O口與光電傳感器，編碼器，擊出器，圖像采集子系統(tǒng)等相連，通過圖像采集子系統(tǒng)控制CCD攝像機(jī)的拍攝以及直接控制擊出器的動(dòng)作。同時(shí)PLC通過485總線與工控機(jī)連接，接收工控機(jī)傳來的控制信息和系統(tǒng)參數(shù)等。
在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，PLC負(fù)責(zé)及時(shí)地通知圖像采集子系統(tǒng)啟動(dòng)CCD攝像機(jī)，抓拍處于拍攝位置的空瓶。為了達(dá)到這一目的，需要使用光電傳感器來檢測(cè)空瓶的位置。在系統(tǒng)中使用了反射式光電傳感器，這種光電傳感器在沒有接收到從反光板反射回來的光束時(shí)，就會(huì)輸出觸發(fā)信號(hào)。將光電傳感器安裝到CCD攝像機(jī)拍攝位置旁，把輸出接到PLC的I/O輸入口上。當(dāng)沒有空瓶經(jīng)過時(shí)，光電傳感器可以接收到反射光束，沒有輸出信號(hào)，而當(dāng)有空瓶經(jīng)過時(shí)，光電傳感器無法接收到返回的光束，于是輸出觸發(fā)信號(hào)。PLC從輸入口接收到此信號(hào)后，即可判定空瓶已到達(dá)拍攝位置，從I/O輸出口輸出啟動(dòng)信號(hào)給圖像采集系統(tǒng)，啟動(dòng)CCD攝像機(jī)，攝像機(jī)及時(shí)進(jìn)行拍攝，獲取被檢空瓶的圖像。
在專門的信息處理模塊對(duì)獲取的圖像信息進(jìn)行分析處理后，將得出空瓶質(zhì)量是否合格的結(jié)論。如果不合格，主控的工控機(jī)就會(huì)通過485總線發(fā)出控制命令，要求PLC控制擊出器擊出該空瓶。PLC在接到擊出命令后，需要標(biāo)定不合格空瓶，并追蹤其位置，當(dāng)不合格空瓶到達(dá)擊出器所在位置時(shí)控制擊器動(dòng)作，擊出不合格空瓶。為了確定需擊出空瓶位置，在系統(tǒng)中使用一個(gè)編碼器與驅(qū)動(dòng)傳送帶的電機(jī)相連，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，編碼器相應(yīng)發(fā)出脈沖。計(jì)算脈沖的數(shù)目，即可知道傳送帶運(yùn)動(dòng)的距離。這樣一來，如果能測(cè)出不合格空瓶要運(yùn)動(dòng)多長(zhǎng)距離才到達(dá)擊出位置就能將其準(zhǔn)確擊出。可以在事先把編碼器的脈沖輸出與PLC的I/O輸入口相連，然后在傳送帶上放一空瓶，讓其依次經(jīng)過檢測(cè)位置和擊出位置，PLC使用計(jì)數(shù)器記下此過程中脈沖的數(shù)目，這一數(shù)值即對(duì)應(yīng)著檢測(cè)位置和擊出位置之間的距離。
5 視覺處理軟件
5.1 視覺處理軟件研發(fā)重心
視覺處理軟件是基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，主要通過對(duì)圖像的分析、處理和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)特征的處理。視覺處理軟件的編寫非常復(fù)雜，如果從底層開始編寫，往往需要很長(zhǎng)的開發(fā)周期，而且自己編寫的軟件在運(yùn)行速度、穩(wěn)定性等方面也很難達(dá)到要求。
; 為了滿足系統(tǒng)集成商和終端用戶的需求，圖像采集卡的生產(chǎn)廠家都為自己的產(chǎn)品開發(fā)了相應(yīng)的圖像處理軟件包。這樣，就可以將工作重心放在軟件應(yīng)用層面的開發(fā)上，使用這些軟件包進(jìn)行二次開發(fā)，節(jié)約了開發(fā)成本。因此，在對(duì)整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)選型時(shí)，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)完成的功能和圖像采集卡廠家提供的軟件包的功能來對(duì)圖像采集卡進(jìn)行選型。
5.2 圖像采集軟件包功能
(1) 邊緣尋找功能
邊緣尋找是圖像處理中最為基本也是最為常用的工具。通過邊緣尋找，將所拍圖像中的目標(biāo)與背景區(qū)分開，減少處理象素?cái)?shù)，提高軟件處理速度。
(2) 目標(biāo)定位功能
當(dāng)被測(cè)空瓶在生產(chǎn)線上高速順序地通過相機(jī)的拍攝區(qū)域時(shí)，由于生產(chǎn)線的不穩(wěn)定和拍攝時(shí)間的誤差，各個(gè)空瓶會(huì)出現(xiàn)在拍攝圖像的不同區(qū)域。通過目標(biāo)定位
功能，使處理軟件中的感興趣區(qū)域(ROI)隨著工件在圖像中位置的變化而變化，始終定位在工件的關(guān)鍵部位。
(3) 圖像預(yù)處理功能
包括二值化、邊緣銳化、反差調(diào)節(jié)等等，通過適當(dāng)?shù)念A(yù)處理算法，可以突出目標(biāo)圖像、提高圖像分析速度和簡(jiǎn)化分析過程，是必不可少的功能。
(4) 字符讀取功能(OCR)
對(duì)于主要應(yīng)用于各種字符讀取的視覺系統(tǒng)來說，此功能尤為重要。
(5) 接口功能
軟件包應(yīng)該能夠方便的和其他軟件或控件接口，一起運(yùn)行。
6 結(jié)束語
基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)具有高速度、高精度、高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，集成了當(dāng)今先進(jìn)的傳感器、計(jì)算機(jī)、數(shù)字圖像處理和機(jī)器視覺技術(shù)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造、電子半導(dǎo)體、包裝、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和啤酒生產(chǎn)等領(lǐng)域，可以大幅度提高了現(xiàn)有生產(chǎn)線的自動(dòng)化水平，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。但是我國(guó)機(jī)器視覺的研究起步比較晚，目前市場(chǎng)上的該類設(shè)備仍然主要依靠進(jìn)口。隨著社會(huì)生產(chǎn)力水平的不斷提高和工廠自動(dòng)化程度的提高，此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊，只有在理論和實(shí)際技術(shù)上進(jìn)行深入的研究和探索，才能縮小和國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距，占領(lǐng)國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺市場(chǎng)。
