機器視覺檢測系統

1機器視覺檢測的一般模式

    機器視覺檢測的對象千差萬別，檢測的目的也不盡相同。農產品如柑橘、玉米等通常是檢測其成熟度，大小，形態等，工業產品如工業零件,印刷電路板通常是檢測其幾何尺寸，表面缺陷等。不同的應用場合，就需要采用不同的檢測設備和檢測方法。如有的檢測對精度要求高，就需要選擇高分辨率的影像采集裝置；有的檢測需要產品的彩色信息，就需要采用彩色的影像采集裝置。正是由于不同檢測環境的特殊性，目前世界上還沒有一個適用于所有產品的通用機器視覺檢測系統。雖然各個檢測系統采用的檢測設備和檢測方法差異很大，但其檢測的一般模式卻是相同的。機器視覺檢測的一般模式是首先通過光學成像和圖像采集裝置獲得產品的數字化圖像，再用計算機進行圖像處理得到相關檢測信息，形成對被測產品的判斷決策，最后將該決策信息發送到分揀裝置，完成被測產品的分揀。

    機器視覺檢測的一般模式如圖1所示：

圖1  機器視覺檢測的一般模式

1.1圖像獲取

圖像獲取是機器視覺檢測的第一步，它影響到系統應用的穩定性和可靠性。圖像的獲取實際上就是將被測物體的可視化圖像和內在特征轉換成能被計算機處理的圖像數據。機器視覺檢測系統一般利用光源，光學鏡頭，相機，圖像采集卡等設備獲取被測物體的數字化圖像。

    1.2視覺檢測

    視覺檢測通過圖像處理的方法從產品圖像中提取需要的信息，做出決策并發送相應消息到分揀機構。通常這部分功能由機器視覺軟件來完成。優秀的機器視覺軟件可對圖像中的目標特征進行快速準確地檢測，并最大限度地減少對硬件系統的依賴性，而算法設計不夠成熟的機器視覺軟件則存在檢測速度慢，誤判率高，對硬件依賴性強等特點。在機器視覺檢測系統中視覺信息的處理主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強,數據編碼和傳輸，平滑，邊緣銳化，分割，特征提取，目標識別與理解等內容。

    1.3分揀

對于一個檢測系統而言，最終是要實現次品（含不同種類的次品）與合格品的分離即分揀，這部分功能由分揀機構來完成。分揀是機器視覺檢測的最后一個也是最為關鍵的一個環節"對于不同的應用場合，分揀機構可以是機電系統!液壓系統!氣動系統中的某一種。但無論是哪一種，除了其加工制造和裝配精度要嚴格保證以外,其動態特性,特別是快速性和穩定性也十分重要，必須在設計時予以足夠的重視。

2機器視覺檢測系統的構成

一個典型的機器視覺檢測系統主要包括光源、光學鏡頭、數字相機、圖像采集卡、圖像處理模塊、分揀機構等部份。其構成如圖2所示。

圖2  典型的機器視覺檢測系統

3光源

    在機器視覺應用系統中，合適的光源與照明方案往往是整個系統成敗的關鍵，起著非常重要的作用，它并不是簡單的照亮物體而已。光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部分之間應盡可能地產生明顯的區別，增加對比度；同時還應保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應該影響成像的質量。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度、發光的光譜特性等，同時還要考慮光源的發光效率和使用壽命。在機器視覺應用系統中一般使用透射光和反射光。對于反射光情況應充分考慮光源和光學鏡頭的相對位置、物體表面的紋理，物體的幾何形狀、背景等要素。

3.1光源的分類及其特性

光源可分為自然光源和人造光源兩類。自然光源使用不方便且其發光特性不容易控制，一般不適合用作圖像采集系統的照明光源。機器視覺一般使用人造光源，常用的有：鹵素燈(作為定向光源)、熒光燈(作為低成本的漫射光源)、LED燈、氛燈和電致發光管。

表1 列出了幾種主要光源的相關特性

光源	顏色	壽命/h	發光亮度	特點
鹵素燈	白色、偏黃	5000-7000	很亮	發熱多，較便宜
熒光燈	白色、偏黃	5000-7000	亮	較便宜
LED燈	紅黃綠白藍等	60000-100000	較亮	發熱少，固體
氙燈	白色，偏藍	3000-7000	亮	發熱多，持續光
電致發光管	由發光頻率決定	5000-7000	較亮	發熱少，較便宜

    在光源選擇方面LED光源尤其值得注意。機器還四絕系統穩定工作的必要條件就是：在外部條件不斷變化（外部光噪聲，目標的傾斜，材質和系統類型的變化）的情況下，持續獲得對比鮮明的圖像。而LED光源則是滿足這個條件的理想光源，這是因為LED光源具有以下的一些優點：1、形狀自由；2、使用壽命長；3、響應時間短；4、顏色自由；5、綜合成本低。

3.2光源的照射方式

光源的照射方式有前光照、背光照、分光反照三種方式。

4、光學鏡頭

相機的鏡頭相當于人眼的晶狀體。如果沒有晶狀體，人眼看不到任何物體；如果沒有鏡頭，相機就無法輸出圖像。在機器視覺系統中，鏡頭的主要作用是將成像目標聚焦在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質量直接影響到機器視覺系統的整體性能，合理選擇并安裝鏡頭，是機器視覺系統設計的重要環節。

一般情況下，機器視覺系統中的鏡頭可進行如下分類:

按焦距分類：廣角鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭等；

按調焦方式分類：手動調焦、自動調焦等；

按光圈分類：手動光圈、自動光圈。

4.1鏡頭的基本結構

機器視覺系統中采用的鏡頭一般由一組透鏡和光闌組成。

4.2鏡頭的接口

在機器視覺中,光學鏡頭常用的接口為C型和CS型。C型和CS型接口均是國際標準接口。其旋合長度、制造精度、靠面尺寸及后截距(即安裝基準面至像面的空氣光程)公差均應符合相關要求。

4.3鏡頭的性能指標

鏡頭主要有以下幾個性能指標：1、焦距2、分辨率3、視場角4、光譜特性

5、數字相機

目前數字相機所采用的傳感器主要有兩大類:CCD和CMOS"其中CMOS傳感器由于存在成像質量差、像敏單元尺寸小、填充率低、反應速度慢等缺點，應用范圍較窄。目前在機器視覺檢測系統中，CCD相機因其具有體積小巧、性能可靠、清晰度高等優點得到了廣泛使用。

5.1、CCD相機的基本組成

    典型的CCD相機主要由CCD、驅動電路、信號處理電路、電子接口電路、光學機械接口等構成。

    5.2、CCD相機的相關特性參數

    CCD相機的相關特性參數主要有以下幾個：

    1、最低照度

    CCD相機的最低照度與所使用鏡頭的最大相對孔徑有關，在提供相機最低照度的同時，應注明測試時所使用鏡頭的相對孔徑。

    2、固定圖像噪聲

    當不采用曝光控制時,轉移柵結構的非一致性將導致柵極點位的微小變化。同時，柵極限制電阻也使柵極電位產生了微小變化，從而使光電二極管在每一積分周期的開始產生微小的電位差。因為柵極結構的特性是固定的,因此這些微小的電位差稱為/固定圖像噪聲，當采用曝光控制時，光電二極管的初始電位由復位管的基極決定。如果基極電位較先前的電位有所提高，則將會引入一定量的電荷。即使在零照度條件下，這些電荷也會通過轉移柵傳輸于CCD寄存器。這并不是主要問題，因為可以很容易地從輸出信號中去除直流信號。但是，轉移柵的非一致性將會產生直流偏置，且這一偏置在像素與像素間并不相同，從而使固定圖像噪聲提高了。

    固定圖像噪聲可通過非均勻性校正電路或采用軟件方法進行校正。

    3、分辨率

    分辨率是CCD相機的最為重要的性能參數之一，主要用于衡量相機對物像中明暗細節的分辨能力。

    5.3CCD相機的分類

    按照不同的分類標準，CCD相機有著多種分類方式。

    按成像色彩劃分，可分為彩色相機和黑白相機。

    按掃描制式劃分，可分為線掃描和面掃描兩種方式。其中，面掃描CCD相機又可分為隔行掃描和逐行掃描。

    按分辨率劃分,像素數在38萬以下的為普通型,像素數在38萬以上的為高分辨率型;

    按CCD光敏面尺寸大小劃分,可分為1/4、1/3、12/、1英寸相機。

2.6圖像采集卡

    圖像采集卡是機器視覺系統的重要組成部分,其主要功能是對相機所輸出的視頻數據進行實時的采集,并提供與PC的高速接口。

    與用于多媒體領域的圖像采集卡不同，適用于機器視覺系統的圖像采集卡需實時完成高速、大數據量的圖像數據處理，因而具有完全不同的結構。在機器視覺系統中，圖像采集卡必須與相機協調工作，才能完成特定的圖像采集任務。除完成常規的AD/轉換任務以外，應用于機器視覺系統的圖像采集卡還應具備以下功能：

    接收來自數字相機的高速數據流,并通過PC總線高速傳輸至機器視覺系統的存儲器;

    為了提高數據率，許多相機具有多個輸出通道，使幾個像素可并行輸出，此時需要圖像采集卡對多通道輸出的信號進行重新構造，恢復原始圖像；

    對相機及機器視覺系統中的其它模塊（如光源等）進行功能控制。