1 、引言
機(jī)器視覺(jué)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(jué)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 、機(jī)器視覺(jué)空瓶檢測(cè)系統(tǒng)
附圖是基于pc的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在啤酒生產(chǎn)線上空瓶檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。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，終完成對(duì)酒瓶的質(zhì)量檢測(cè)和剔除。下面以附圖為例，對(duì)各個(gè)組成部分的功能和選型進(jìn)行介紹。
2.1 相機(jī)
在選擇相機(jī)時(shí)，主要有以下幾個(gè)方面的問(wèn)題要考慮：
（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)。
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。線掃描相機(jī)的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、速度跟蹤高、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)到幾千線，檢測(cè)速率也達(dá)到60楨/秒甚至更高。
面掃描相機(jī)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(wú)遺漏的高檢測(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，完全可以滿足工業(yè)在線檢測(cè)的要求。
（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(lái)越多的得到了應(yīng)用。這是因?yàn)檫^(guò)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(guò)程控制方面發(fā)揮了重要作用。
（3）相機(jī)的輸出接口形式：相機(jī)輸出接口形式有rs422、rs644、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。
2.2 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。可是有些廠家的鏡頭由于設(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(lái)確定）。這幾個(gè)參數(shù)關(guān)系是：焦距越小，視角越大，物距越短，視野越大。以常用的三種鏡頭（50mm，25mm，16mm）為例：50mm的鏡頭焦距是的，所以50mm鏡頭的視角就，而視野就，物距卻是遠(yuǎn)的；25mm的鏡頭焦距次之；16mm的鏡頭焦距則是的，所以16mm鏡頭的視角就，而視野也就，物距是近的。
2.3 光源
光源是影響機(jī)器視覺(jué)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(wàn)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。有鹵素?zé)?、熒光燈和led 光源等， 其主要性能的比較見(jiàn)附表。
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)。
2.4 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?。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rs422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(lái)說(shuō)，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(wèn)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132mb/s。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50～90mb/s，有可能在瞬間高傳輸率時(shí)不能滿足傳輸?shù)男枰榱吮苊馀c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。
2.5 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，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。
2.6 控制單元
本系統(tǒng)選用plc作為底層控制器，它通過(guò)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(guò)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(guò)485總線與工控機(jī)連接，接收工控機(jī)傳來(lái)的控制信息和系統(tǒng)參數(shù)等。
在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)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(lái)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(méi)有接收到從反光板反射回來(lái)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(méi)有空瓶經(jīng)過(guò)時(shí)，光電傳感器可以接收到反射光束，沒(méi)有輸出信號(hào)，而當(dāng)有空瓶經(jīng)過(guò)時(shí)，光電傳感器無(wú)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(guò)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(lái)，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?？梢栽谑孪劝丫幋a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(guò)檢測(cè)位置和擊出位置，plc使用計(jì)數(shù)器記下此過(guò)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。
3、 視覺(jué)處理軟件
視覺(jué)處理軟件是基于pc的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的重要組成部分，主要通過(guò)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(jué)處理軟件的編寫非常復(fù)雜，如果從底層開(kāi)始編寫，往往需要很長(zhǎng)的開(kāi)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(kāi)發(fā)了相應(yīng)的圖像處理軟件包。這樣，我們就可以將工作重心放在軟件應(yīng)用層面的開(kāi)發(fā)上，使用這些軟件包進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，節(jié)約了開(kāi)發(fā)成本。因此，在對(duì)整個(gè)機(jī)器視覺(jué)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(lái)對(duì)圖像采集卡進(jìn)行選型。圖像采集卡廠家提供的軟件包應(yīng)具備以下的功能：
邊緣尋找功能：邊緣尋找是圖像處理中為基本也是為常用的工具。通過(guò)邊緣尋找，將所拍圖像中的目標(biāo)與背景區(qū)分開(kāi)，減少處理象素?cái)?shù)，提高軟件處理速度。
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(guò)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(guò)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。
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(guò)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(guò)程，是必不可少的功能。
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(jué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，此功能尤為重要。
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。
4 、結(jié)束語(yǔ)
基于pc的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有高速度、高、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(jué)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(jué)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(jué)市場(chǎng)。