機(jī)器視覺(jué)基本概念學(xué)習(xí)筆記1

一、

1、概念

機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺(jué)易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

半導(dǎo)體行業(yè)是最先利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的行業(yè)，其他行業(yè)也隨之而來(lái)。作為生產(chǎn)機(jī)械的OEM的設(shè)計(jì)工程師，最基本的問(wèn)題就是：“我是要檢測(cè)這個(gè)部件還是整個(gè)這個(gè)產(chǎn)品”。

檢測(cè)可以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，但是也會(huì)有這樣的事實(shí)存在：檢測(cè)成本或者產(chǎn)品質(zhì)量要求并不需要這樣的檢測(cè)。比如說(shuō)牙簽，假設(shè)在一個(gè)裝有500個(gè)牙簽的盒子里有一兩個(gè)不合格，大多數(shù)人都不會(huì)怎么擔(dān)心。但是對(duì)于很多產(chǎn)品，假如前面的盒子里裝的不是牙簽，而是針頭，試想不合格品可能會(huì)帶來(lái)什么樣的后果，所以產(chǎn)品功能性的檢測(cè)都是不可缺少的，即使只是外觀檢測(cè)，要證明內(nèi)在的品質(zhì)也必須要做到無(wú)缺陷。

因此，為了達(dá)到這個(gè)目的，許多OEM將機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用到他們將要賣(mài)給用戶(hù)的系統(tǒng)中。機(jī)器視覺(jué)能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)增值，表現(xiàn)在三個(gè)方面：提高生產(chǎn)效率，提高制造過(guò)程的精確性，減少成本。

那么，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，怎么樣才能知道機(jī)器視覺(jué)是否適合他的系統(tǒng)呢？盡管最早的最基本的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在20世紀(jì)70年代引入，工業(yè)就將其視為主流應(yīng)用。這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)工程師要考慮它是否合適他們的應(yīng)用，同時(shí)要考慮利用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的成本與其所能帶來(lái)的利潤(rùn)。

高復(fù)雜度產(chǎn)品行業(yè)，比如說(shuō)半導(dǎo)體行業(yè)和電子行業(yè)，由于它們的復(fù)雜性和小型化，從傳統(tǒng)上推動(dòng)著機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)的發(fā)展。但是如今，所有產(chǎn)業(yè)，包括自動(dòng)化、制藥、造紙等等都依靠機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)產(chǎn)品以提高產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)專(zhuān)家們預(yù)言：在未來(lái)的20年到50年，機(jī)器視覺(jué)將成為橫跨所有行業(yè)的通用性技術(shù)，幾乎所有出產(chǎn)的產(chǎn)品都會(huì)由機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)檢測(cè)。

使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)有以下五個(gè)主要原因：

精確性——由于人眼有物理?xiàng)l件的限制，在精確性上機(jī)器有明顯的優(yōu)點(diǎn)。即使人眼依靠放大鏡或顯微鏡來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品，機(jī)器仍然會(huì)更加精確，因?yàn)樗木饶軌蜻_(dá)到千分之一英寸。

重復(fù)性——機(jī)器可以以相同的方法一次一次的完成檢測(cè)工作而不會(huì)感到疲倦。與此相反，人眼每次檢測(cè)產(chǎn)品時(shí)都會(huì)有細(xì)微的不同，即使產(chǎn)品時(shí)完全相同的。

速度 ——機(jī)器能夠更快的檢測(cè)產(chǎn)品。特別是當(dāng)檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，比如說(shuō)生產(chǎn)線上，機(jī)器能夠提高生產(chǎn)效率。

客觀性——人眼檢測(cè)還有一個(gè)致命的缺陷，就是情緒帶來(lái)的主觀性，檢測(cè)結(jié)果會(huì)隨工人心情的好壞產(chǎn)生變化，而機(jī)器沒(méi)有喜怒哀樂(lè)，檢測(cè)的結(jié)果自然非?？捎^可靠。

成本 ——由于機(jī)器比人快，一臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器能夠承擔(dān)好幾個(gè)人的任務(wù)。而且機(jī)器不需要停頓、不會(huì)生病、能夠連續(xù)工作，所以能夠極大的提高生產(chǎn)效率。

一旦工程師決定使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，就需要建立這個(gè)系統(tǒng)。其中要素包括：照明光源、工件放置（夾具）、相機(jī)、位置傳感器、控制邏輯、以及圖像采集卡，圖像處理軟件、技術(shù)支持。由于大多數(shù)廠商在這個(gè)領(lǐng)域都沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，機(jī)會(huì)來(lái)了。所以，尋找一個(gè)既了解核心技術(shù)又能為其提供系統(tǒng)所需產(chǎn)品的供應(yīng)商就成為關(guān)鍵問(wèn)題。

典型的基于PC的視覺(jué)系統(tǒng)通常由圖的幾部分組成

基于PC的視覺(jué)系統(tǒng)基本組成

①相機(jī)與鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺(jué)系統(tǒng)都是由一套或者多套這樣的成像系統(tǒng)組成，如果有多路相機(jī)，可能由圖像卡切換來(lái)獲取圖像數(shù)據(jù)，也可能由同步控制同時(shí)獲取多相機(jī)通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用的需要相機(jī)可能是輸出標(biāo)準(zhǔn)的單色視頻（RS-170/CCIR）、復(fù)合信號(hào)（Y/C）、RGB信號(hào)，也可能是非標(biāo)準(zhǔn)的逐行掃描信號(hào)、線掃描信號(hào)、高分辨率信號(hào)等。

②光源——作為輔助成像器件，對(duì)成像質(zhì)量的好壞往往能起到至關(guān)重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)舻榷既菀椎玫健?/p>

③傳感器——通常以光纖開(kāi)關(guān)、接近開(kāi)關(guān)等的形式出現(xiàn)，用以判斷被測(cè)對(duì)象的位置和狀態(tài)，告知圖像傳感器進(jìn)行正確的采集。

④圖像采集卡——通常以插入卡的形式安裝在PC中，圖像采集卡的主要工作是把相機(jī)輸出的圖像輸送給電腦主機(jī)。它將來(lái)自相機(jī)的模擬或數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流，同時(shí)它可以控制相機(jī)的一些參數(shù)，比如觸發(fā)信號(hào)，曝光/積分時(shí)間，快門(mén)速度等。圖像采集卡通常有不同的硬件結(jié)構(gòu)以針對(duì)不同類(lèi)型的相機(jī)，同時(shí)也有不同的總線形式，比如PCI、PCI64、Compact PCI，PC104，ISA等。

⑤PC平臺(tái)——電腦是一個(gè)PC式視覺(jué)系統(tǒng)的核心，在這里完成圖像數(shù)據(jù)的處理和絕大部分的控制邏輯，對(duì)于檢測(cè)類(lèi)型的應(yīng)用，通常都需要較高頻率的CPU，這樣可以減少處理的時(shí)間。同時(shí)，為了減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁、振動(dòng)、灰塵、溫度等的干擾，必須選擇工業(yè)級(jí)的電腦。

⑥視覺(jué)處理軟件——機(jī)器視覺(jué)軟件用來(lái)完成輸入的圖像數(shù)據(jù)的處理，然后通過(guò)一定的運(yùn)算得出結(jié)果，這個(gè)輸出的結(jié)果可能是PASS/FAIL信號(hào)、坐標(biāo)位置、字符串等。常見(jiàn)的機(jī)器視覺(jué)軟件以C/C++圖像庫(kù)，ActiveX控件，圖形式編程環(huán)境等形式出現(xiàn)，可以是專(zhuān)用功能的（比如僅僅用于LCD檢測(cè)，BGA檢測(cè)，模版對(duì)準(zhǔn)等），也可以是通用目的的（包括定位、測(cè)量、條碼/字符識(shí)別、斑點(diǎn)檢測(cè)等）。

⑦控制單元（包含I/O、運(yùn)動(dòng)控制、電平轉(zhuǎn)化單元等）——一旦視覺(jué)軟件完成圖像分析（除非僅用于監(jiān)控），緊接著需要和外部單元進(jìn)行通信以完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。簡(jiǎn)單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O，相對(duì)復(fù)雜的邏輯/運(yùn)動(dòng)控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元/運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的動(dòng)作。

上述的7個(gè)部分是一個(gè)基于PC式的視覺(jué)系統(tǒng)的基本組成，在實(shí)際的應(yīng)用中針對(duì)不同的場(chǎng)合可能會(huì)有不同的增加或裁減。