機器視覺系統(tǒng)中基于圖案識別的檢查任務

仔細研究待分析的物體有助干確定適當?shù)南到y(tǒng)設計。 機器視覺系統(tǒng)具有極大的吸引力，因為它能避免重復的測量，同時又能提高產量，增加響應時間。雖然研究界已在鉆研光學平行處理技術，但基本的機器視覺檢查系統(tǒng)仍然包含一塊透鏡、一臺攝像機、以及把處理與算法做在一起的一塊圖像處理電路。由于光具在高級的機器視覺系統(tǒng)中常常是一種限制因素，有關光學定律的知識和使用使得系統(tǒng)的設計者能夠最大程度地提高系統(tǒng)的性能。一般說來，透鏡是用來放大的，也是為此而設計的。 機器視覺的應用可從半導體檢查一直到自動引導系統(tǒng)。在本文中，機器視覺意味著這樣一種行為：通過透鏡/攝像機組合系統(tǒng)獲取目標的一張圖像，然后以數(shù)字方式處理這張圖像以便對目標的某一特征進行定位并對其采取揩施(見圖1 )。此外，本文的討論只限于基于圖案識別的檢查任務，在此應用中，終端用戶需要對生產流水線中的產品缺陷進行快速的自動定位。

圖1.機器視覺系統(tǒng)的基本構件包括透鏡、攝像機和成像電路板。為了處理圖像并把它轉變成有用的格式，數(shù)字處理系統(tǒng)和算法是必不可少的

機器視覺檢查的基本方法包括照明被檢查的物體，用透鏡系統(tǒng)在攝像機上產生物體的一張圖像，然后把圖像傳輸給一個圖像處理器。這種處理器經(jīng)程序編排后可執(zhí)行任何數(shù)量的圖像處理；常見的處理器與一個樣板匹配。處理器把圖像逐點與樣板作比較，任何顯著的差異都會觸發(fā)警報，被檢查的產品就會被舍棄（見圖2）。 圖2.許多機器視覺系統(tǒng)使用一種樣板匹配范例，在這種范例中，樣板(左)與獲得的一張圖像(右)進行比較。不匹配的部件會被指出，同時由控制系統(tǒng)發(fā)出警報以提醒操作人員 前端要求 這種檢查系統(tǒng)的光學前端是至關重要的。在計算機光學公司，分析工作始于被測物體的特征，因此，最高質量的圖像被回傳給攝像機的平面。這一重要的領域往往被那些重視電子線路和軟件的設計人員所忽略例如，最近一位買主讓一位較為年輕的職工為國內檢查站安裝一臺視覺系統(tǒng)。這位工程師從不同地方買來處理器電路板、照明系統(tǒng)、攝像機和透鏡，然后花了幾個星期的時間為處理器電路板編排程序，而且可能還要驗證一臺基本工作的樣機。

然而，這種樣機具有一個共同的問題，即它不能分辨細節(jié)。在這種情況下，透鏡/攝像機組合不適合所要求的分辨率。什么樣的數(shù)字處理技術都無濟于事，因為這種透鏡不能勝任這一工作。通過查問計算機光學透鏡庫，人們找到了能在有限距離處提供適當放大倍數(shù)的透鏡。

此外，當產品在檢查系統(tǒng)下面經(jīng)過時，圖像有時會顯得太暗，尺寸不對，或者一會兒清楚，一會兒不清楚。這是一個十分普通的問題，解決的方法便是縮小透鏡的光圈(增加f數(shù))，從而增加了視場的深度。當然，這樣的改善是以犧牲光強度為代價的。每增加一個f數(shù)就意味著減少一半光通量，其結果是攝像機平面接收到的圖像太暗設計人員往往想通過購買大功率的照明系統(tǒng)并以強光照射被檢查的部件來解決這個問題。另一種方法是想使圖像數(shù)字化，并且采取直方圖均等技術。然而，降低照明度趨于被過分強調的地步，這會降低歸一化圖像的信噪比。 同機器視覺系統(tǒng)設計有關的另一個問題包括產生高分辨率檢查站的系統(tǒng)裝配人員。數(shù)字算法產生出令人無法接受的高位誤差率(信噪比太低)。本公司已提高了照明度，但沒法安裝一個具有必要物理尺寸的足夠強的光源。為了獲得必要的透鏡性能，透鏡的光圈已被縮小到f/22(接近關閉)。解決的方法是設計并制造一種能以全孔徑操作的透鏡系統(tǒng)，不需要照明系統(tǒng)，從而使得檢查系統(tǒng)可在只有室內燈光的條件下操作。這樣一來，系統(tǒng)的總成本降低了，其性能卻提高了。

早期的設計分析

系統(tǒng)設計中最重要的一點是應該預先確定達到一個自動判定所必須獲得的那些特征。在許多情況下，一塊現(xiàn)成的透鏡就足以勝任。例如，對于一個使用一種與不正常的盒子起反應時會變紅的染料的客戶來說，一塊標準分辨率的透鏡就非常合適，因為機器視覺系統(tǒng)只需確定圖像中是否有紅顏色。 通過提問一些重要的問題，光學工程師能夠獲得關于一種給定的透鏡／攝像機系統(tǒng)所必需的性能要求的感性知識。現(xiàn)在總的傾向是發(fā)展更小尺寸的攝像機，例如芯片的對角線尺寸為1/2英寸或者1/3英寸。雖然這可以為某些應用所接受，但空間帶寬積一般更小，這使得上述一些限制因素更具有限制性。換句話說，如果所有別的東西都相同，則尺寸為2/3英寸的攝像機可提供更寬的視場，因為它有更多的像元總數(shù)。當把聚光能力與聚焦深度作比較時，就會出現(xiàn)類似的折衷。一般說來，焦深越大，聚光能力就越低。不管實際使用的是何種透鏡，這樣的折衷已成為透鏡系統(tǒng)可達到何種性能的關鍵。一旦談到這些折衷，系統(tǒng)的裝配人員可以到市場上去訂購一種既不太貴、叉能滿足最低可接受要求的透鏡/攝像機組合系統(tǒng)。