如何才能讓機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)更為穩(wěn)定

如何才能讓機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)更為穩(wěn)定，這里的穩(wěn)定性不僅僅是平常認(rèn)為的可靠性，它是指在系統(tǒng)的實(shí)際場(chǎng)景和充滿(mǎn)變數(shù)條件的環(huán)境中仍然保持足夠的可靠性。

很多因素都會(huì)影響穩(wěn)定性，比如周邊環(huán)境，物體變化，視覺(jué)組件的影響等。機(jī)器視覺(jué)組件的選型是個(gè)有難度的活，它需要工程師對(duì)組件本身和組件供應(yīng)商都非常熟悉，需要有足夠的選型經(jīng)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)和實(shí)際工作場(chǎng)景運(yùn)行的系統(tǒng)面對(duì)的環(huán)境是天差地別的。

典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的環(huán)境影響

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需求

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包含一些重要部件，光源，鏡頭，相機(jī)，圖像采集卡，數(shù)據(jù)傳輸，圖像處理和測(cè)量軟件等。隨著各個(gè)部件的性能的提升，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的能力也呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。系統(tǒng)的復(fù)雜度取決于特定的應(yīng)用需求。選擇最佳部件，不僅僅要考慮部件的性能能否滿(mǎn)足需求（比如分辨率，幀率，測(cè)量算法等），同時(shí)需要考慮系統(tǒng)最終所處的環(huán)境條件。比如在工業(yè)領(lǐng)域，這些環(huán)境條件包含部件變化，移載，定位，處理接口，振動(dòng)，環(huán)境光，溫度，灰塵，油污，水，電磁輻射等。在極端惡劣條件下，有時(shí)候需要將機(jī)器視覺(jué)組件添加保護(hù)措施。最典型的例子，有些相機(jī)需要在相對(duì)潔凈環(huán)境下使用。不過(guò)，通常情況下，工業(yè)環(huán)境是能夠滿(mǎn)足工業(yè)相機(jī)的直接使用的。

機(jī)器視覺(jué)組件和環(huán)境

環(huán)境對(duì)機(jī)器視覺(jué)組件的影響不僅僅是指對(duì)組件本身有破壞性，同時(shí)也會(huì)對(duì)測(cè)量效果產(chǎn)生影響。比如在溫度變化的環(huán)境下，大部分工業(yè)相機(jī)能夠在-5度和65度之間工作，在實(shí)際環(huán)境中，過(guò)高的溫度往往會(huì)給相機(jī)成像帶來(lái)噪度。不過(guò)這一點(diǎn)可以通過(guò)改善打光方式來(lái)提升信噪比。

另外，溫度會(huì)影響LED光源的性能，隨著LED溫度上升，其亮度下降，這可以通過(guò)光源控制器來(lái)進(jìn)行亮度輸出補(bǔ)償。LED自身生成的熱量同樣會(huì)加速老化甚至直接報(bào)廢，所以需要良好的熱設(shè)計(jì)。

其他部件也會(huì)有相應(yīng)的溫度限值，比如工業(yè)控制器/嵌入式PC一般都能使用工業(yè)環(huán)境，但如果沒(méi)有風(fēng)扇，那么很可能PC也會(huì)報(bào)廢。為了保證機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，除了選擇好的組件外，我們也要考慮被測(cè)物本身對(duì)溫度的敏感性，比如金屬物體對(duì)于溫度存在熱脹冷縮，因此當(dāng)測(cè)量此類(lèi)物體時(shí)，長(zhǎng)度和體積都會(huì)發(fā)生變化。

在3D測(cè)量系統(tǒng)中，3d傳感器的尺寸變化就會(huì)導(dǎo)致偏差，除非傳感器的標(biāo)定對(duì)溫度進(jìn)行了補(bǔ)償處理。很多情況下，選擇合適的組件就可以滿(mǎn)足特定環(huán)境需求。

振動(dòng)
大部分工業(yè)相機(jī)做了防振處理，機(jī)器人和軌道類(lèi)線(xiàn)纜可以很好的讓相機(jī)移動(dòng)不收振動(dòng)影響。鎖定的連接器可以避免相機(jī)受到振動(dòng)。耐用性PC和嵌入式電腦有很好的穩(wěn)定保護(hù)機(jī)制。定焦鏡頭利用金屬接口鎖定螺絲確保了不受振動(dòng)影響。濾光片一定程度上保護(hù)了鏡頭。

環(huán)境光
日用濾光片一定程度上可以避免受環(huán)境光的影響，它可以改變光線(xiàn)進(jìn)入傳感器的信息。通過(guò)使用高亮度調(diào)制光源，減少傳感器曝光時(shí)間和減小光圈，環(huán)境光的影響可以減到最小。使用紅外等波長(zhǎng)的相機(jī)來(lái)測(cè)量可以減少可見(jiàn)光的影響。

灰塵、臟污、水
很多相機(jī)可以做到IP65/67防護(hù)等級(jí)，確保了防塵，防水?；覊m，臟污，液體，蒸汽往往會(huì)附著到LED或者鏡頭表面，對(duì)成像產(chǎn)生影響?？梢酝ㄟ^(guò)增加相機(jī)的增益，軟件的圖像處理，調(diào)整LED的輸出來(lái)進(jìn)行調(diào)整。

種種環(huán)境因素都會(huì)對(duì)成像產(chǎn)生影響，而這些影響都會(huì)是致命性的，因?yàn)閳D像是測(cè)量的重要參照物。

典型的螺絲接合的多工序檢測(cè)系統(tǒng) （德國(guó)一家自動(dòng)化系統(tǒng)集成公司，專(zhuān)注螺絲領(lǐng)域）

測(cè)量

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的測(cè)量依賴(lài)于系統(tǒng)配置，智能相機(jī)具備圖像采集，處理，分析等能力，嵌入式視覺(jué)系統(tǒng)往往需要多個(gè)相機(jī)來(lái)提供圖像獲取能力，內(nèi)置圖像處理和分析能力，而基于PC的系統(tǒng)會(huì)把程序放在PC中運(yùn)行，精度和可重復(fù)性取決于特定的軟件算法和亞像素級(jí)精度。

高質(zhì)量的軟件產(chǎn)品和庫(kù)提供了比開(kāi)源系統(tǒng)更為穩(wěn)定可靠的工具，但這些需要在不同的場(chǎng)景和環(huán)境中才能被識(shí)別出來(lái)。當(dāng)今的視覺(jué)系統(tǒng)能夠容忍一定程度的產(chǎn)品大小和形狀的變化，但是，就算是最穩(wěn)定的視覺(jué)系統(tǒng)，往往會(huì)因?yàn)橥獠康挠绊憣?dǎo)致結(jié)果很不理想，比如，振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致圖像模糊失真，而可變的零件會(huì)導(dǎo)致得出不同的圖像，過(guò)長(zhǎng)的曝光時(shí)間會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)物體的圖像銳度失真。

所得非所見(jiàn)

對(duì)于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的機(jī)器視覺(jué)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，容易被忽略的是，人眼實(shí)際看到的和圖像采集系統(tǒng)獲取的圖片實(shí)際上有著很大的不同。眼睛會(huì)自動(dòng)調(diào)整以便來(lái)調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)范圍，而一般的相機(jī)很難同時(shí)看清極亮和極暗環(huán)境。

陽(yáng)光透過(guò)屋頂?shù)墓饩€(xiàn)或建筑物的陰影光線(xiàn)，通過(guò)機(jī)器操作可以改變攝像機(jī)的圖像，而人眼可以自然的補(bǔ)償結(jié)果并不自知為何能夠同時(shí)看到。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需求確定和設(shè)計(jì)

計(jì)劃，確定和實(shí)現(xiàn)一個(gè)滿(mǎn)足需求的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要包含選擇合適的機(jī)器視覺(jué)組件，同時(shí)需要參考一下標(biāo)準(zhǔn)，比如VDI/VDE/VDMA 2632 系列標(biāo)準(zhǔn)，由VDI/VDE Society Measurement and Automatic Control發(fā)行，德國(guó)的VDMA Machine Vision編寫(xiě)。這些標(biāo)注的第二部分是需求規(guī)格準(zhǔn)備指南，重點(diǎn)描述了環(huán)境影響因素。這個(gè)框架詳細(xì)闡述了環(huán)境和規(guī)格的選定關(guān)系。它們包含：

識(shí)別具體的測(cè)量任務(wù)。

識(shí)別被測(cè)物的特性，樣本樣品，特殊需求。

識(shí)別被測(cè)物的細(xì)節(jié)，比如類(lèi)型，預(yù)處理，污染，熱穩(wěn)定性。

精確描述定位場(chǎng)景，機(jī)器所處環(huán)境，環(huán)境干擾影響。

精確描述集成過(guò)程，接口，空間限制，操作模式。

確定其他信息，比如人機(jī)接口，操作方法，可視化。

通過(guò)VDI/VDE/VDMA 2632-2，不僅可以選擇最佳解決方案，同時(shí)可以保證術(shù)語(yǔ)一致，確保了供應(yīng)商選擇無(wú)障礙。