機(jī)器視覺

基礎(chǔ)知識匯總

視覺是人類觀察和認(rèn)知世界的重要手段。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，人類逐漸把這種技能賦予計(jì)算機(jī)、機(jī)器人或者其他智能機(jī)器，這就是我們今天所要提到的機(jī)器視覺技術(shù)。

目前機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化、實(shí)用化，鏡頭、高速相機(jī)、光源、圖像軟件、圖像采集卡、視覺處理器等相關(guān)產(chǎn)品功能日益完善。機(jī)器視覺技術(shù)在信息化時(shí)代正扮演著越來越重要的角色。

到如今，中國已經(jīng)成為世界機(jī)器視覺發(fā)展最為活躍地區(qū)，應(yīng)用范圍涵蓋了工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、軍事、航天、氣象等國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)。雖然機(jī)器視覺的成長速度非?？?，但是還是有很多人對機(jī)器視覺并不了解，今天我們來了解下機(jī)器視覺。

01什么是機(jī)器視覺系統(tǒng)？

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(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；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作。

與計(jì)算機(jī)視覺相比，機(jī)器視覺偏重于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)工程化，能夠自動(dòng)獲取和分析特定的圖像，對準(zhǔn)確度和處理速度要求都比較高，一般而言，計(jì)算機(jī)視覺多用來識別“人”，而機(jī)器視覺則多用來識別“物”。

具體來講，計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用的場景相對復(fù)雜，要識別的物體類型也多，形狀不規(guī)則、規(guī)律性不強(qiáng)，有時(shí)甚至很難用客觀量作為識別的依據(jù)，比如識別年齡、性別，對于光線、距離、角度等條件要求較低；而對準(zhǔn)確度和處理速度要求都比較高，一般機(jī)器視覺的分辨率遠(yuǎn)高于計(jì)算機(jī)視覺，而且往往要求實(shí)時(shí)，處理速度非常關(guān)鍵。

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02機(jī)器視覺的優(yōu)勢

機(jī)器視覺系統(tǒng)具有高效率、高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很高的分辨率精度和速度。機(jī)器視覺系統(tǒng)與被檢測對象無接觸，安全可靠。人工檢測與機(jī)器視覺自動(dòng)檢測的主要區(qū)別有：

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03系統(tǒng)組成

一個(gè)典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)包括以下部分：

(1)照明

照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。由于沒有通用的機(jī)器視覺光源照明設(shè)備，所以針對每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳的效果。

光源可分為可見光和不可見光，常見的幾種可見光源有白熾燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。可見光的缺點(diǎn)是光能不穩(wěn)定。所以如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是目前急需解決的問題；另一方面，環(huán)境光有可能影響圖像的質(zhì)量，所以可采用加防護(hù)屏的方法來減少環(huán)境光的影響。

照明系統(tǒng)按照照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向光照明是被測物放在光源和攝像機(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對比度的圖像；前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝；結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或光源等投射到被測物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的即便，調(diào)解出被測物體的三維信息。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機(jī)拍攝要求與光源同步。

(2)鏡頭

工業(yè)鏡頭

FOV（Field Of vision）=所需分辨率*亞像素*相機(jī)尺寸/PRTM（零件測量公差）

選擇鏡頭需要注意：

焦距

目標(biāo)高度

影像高度

放大倍數(shù)

影像至目標(biāo)的距離

中心點(diǎn)/節(jié)點(diǎn)

畸變

(3)相機(jī)

按照不同標(biāo)準(zhǔn)可分為：標(biāo)準(zhǔn)分辨率數(shù)字相機(jī)和模擬相機(jī)等。

要根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用場合選不同的相機(jī)和高分辨率相機(jī)：線掃描CCD和面陣CCD、單色相機(jī)和彩色相機(jī)。

(4)圖像采集卡

圖像采集卡只是完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)的一個(gè)部件，但是它扮演一個(gè)非常重要的角色；圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等。

比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行處理，有些采集卡有內(nèi)置的多路開關(guān)。例如，可以連接8個(gè)不同的攝像機(jī)，然后告訴采集卡采用那一個(gè)相機(jī)抓拍到的信息。有些采集卡有內(nèi)置的數(shù)字輸入以觸發(fā)采集卡進(jìn)行捕捉，當(dāng)采集卡抓拍圖像時(shí)數(shù)字輸出口就觸發(fā)閘門。

(5)視覺處理器

視覺處理器集采集卡與處理器與一體。以往計(jì)算機(jī)速度較慢時(shí)，采用視覺處理器加快視覺處理任務(wù)，現(xiàn)在由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲(chǔ)器，而且計(jì)算機(jī)也快多了，所以現(xiàn)在視覺處理器用的較少了。

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04工業(yè)鏡頭

工業(yè)鏡頭的接口：

05基本參數(shù)

06工業(yè)相機(jī)的選擇要點(diǎn)

(1)視野范圍、光學(xué)放大倍數(shù)及期望的工作距離：在選擇鏡頭時(shí)，我們會(huì)選擇比被測物體視野稍大一點(diǎn)的鏡頭，有利于運(yùn)動(dòng)控制。

(2)景深要求：對于對景深有要求的項(xiàng)目，盡可能使用小光圈；在選擇放大倍率的鏡頭時(shí)，在項(xiàng)目許可下盡可能選用低倍率鏡頭；如果項(xiàng)目要求比較苛刻時(shí)，傾向選擇高景深的尖端鏡頭。

(3)芯片大小和相機(jī)接口：例如2/3鏡頭支持最大的工業(yè)相機(jī)耙面為2/3，它是不能支持1英寸以上的工業(yè)相機(jī)。

(4)注意與光源的配合，選配合適的鏡頭。

(5)可安裝空間：在方案可選擇情況下，讓客戶更改設(shè)備尺寸是不現(xiàn)實(shí)的。

07機(jī)器視覺的工作原理

機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)是采用CCD照相機(jī)將被檢測的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(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，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來收取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識別功能。

08機(jī)器視覺特點(diǎn)

攝像機(jī)的拍照速度自動(dòng)與被測物的速度相匹配，拍攝到理想的圖像;

零件的尺寸范圍為2.4mm到12mm，厚度可以不同;

系統(tǒng)根據(jù)操作者選擇不同尺寸的工件，調(diào)用相應(yīng)視覺程序進(jìn)行尺寸檢測，并輸出結(jié)果;

針對不同尺寸的零件，排序裝置和輸送裝置可以精確調(diào)整料道的寬度，使零件在固定路徑上運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行視覺檢測;

機(jī)器視覺系統(tǒng)分辨率達(dá)到2448×2048，動(dòng)態(tài)檢測精度可以達(dá)到0.02mm;

廢品漏檢率為0;

本系統(tǒng)可通過顯示圖像監(jiān)視檢測過程，也可通過界面顯示的檢測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)查看檢測結(jié)果;

具有對錯(cuò)誤工件及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)出剔除控制信號、剔除廢品的功能;

系統(tǒng)能夠自檢其主要設(shè)備的狀態(tài)是否正常，配有狀態(tài)指示燈;同時(shí)能夠設(shè)置系統(tǒng)維護(hù)人員、使用人員不同的操作權(quán)限;

實(shí)時(shí)顯示檢測畫面，中文界面，可以瀏覽幾次不合格品的圖像，具有能夠存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)察看錯(cuò)誤工件圖像的功能;

能生成錯(cuò)誤結(jié)果信息文件，包含對應(yīng)的錯(cuò)誤圖像，并能打印輸出。

09機(jī)器視覺的應(yīng)用領(lǐng)域

1.識別

2.標(biāo)準(zhǔn)一維碼、二維碼的解碼

3.光學(xué)字符識別（OCR）和確認(rèn)（OCV）

4.檢測

5.色彩和瑕疵檢測

6.零件或部件的有無檢測

7.目標(biāo)位置和方向檢測和測量

8.尺寸和容量檢測

9.預(yù)設(shè)標(biāo)記的測量，如孔位到孔位的距離

10.機(jī)械手引導(dǎo)

11.輸出空間坐標(biāo)引導(dǎo)機(jī)械手精確定位

10機(jī)器視覺與計(jì)算機(jī)視覺的區(qū)別？

計(jì)算機(jī)視覺，主要是對質(zhì)的分析，比如分類識別，這是一個(gè)杯子那是一條狗。或者做身份確認(rèn)，比如人臉識別，車牌識別?；蛘咦鲂袨榉治觯热缛藛T入侵，徘徊，遺留物，人群聚集等。

機(jī)器視覺，主要側(cè)重對量的分析，比如通過視覺去測量一個(gè)零件的直徑，一般來說，對準(zhǔn)確度要求很高。我記得以前接觸過一個(gè)需求: 視覺測量鐵路道岔缺口。哥剛畢業(yè)的時(shí)候在鐵路上班，做過控制系統(tǒng)，還開過內(nèi)燃機(jī)車，很清楚道岔缺口的重要性，這玩意兒你說要是測不準(zhǔn)，呵呵:)

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當(dāng)然，也不能完全按質(zhì)或量一刀切，有些計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用也需要分析量，比如商場的人數(shù)統(tǒng)計(jì)。有些機(jī)器視覺也需要分析質(zhì)，比如零件自動(dòng)分揀。但，計(jì)算機(jī)視覺一般來說對量的要求不會(huì)很高，商場人數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差個(gè)百分之幾死不了人的，但機(jī)器視覺真的會(huì)，比如那個(gè)道岔缺口測量。

來源：機(jī)器視覺沙龍

審核編輯：湯梓紅