基于圖像處理視覺測量技術(shù)

1、 基于圖像處理的視覺測量技術(shù) 視覺測量技術(shù)的定義視覺測量技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀視覺測量技術(shù)的主要應(yīng)用視覺測量技術(shù)的發(fā)展趨勢視覺測量技術(shù)存在的主要問題參考文獻(xiàn)視覺測量技術(shù)的定義 視覺測量技術(shù)以機(jī)器視覺為基礎(chǔ)，融光電子學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、激光技術(shù)、圖像處理技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為一體，組成光、機(jī)、電、算綜合的測量系統(tǒng)，具有非接觸、全視場測量、高精度和自動化程度高的特點?；谝曈X測量技術(shù)的儀器設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、數(shù)字化、小型化、網(wǎng)絡(luò)化和多功能化，具備在線檢測、動態(tài)檢測、實時分析、實時控制的能力，具有高效、高精度、無損傷的檢測特點，可以滿足現(xiàn)代精密測量技術(shù)的發(fā)展需要，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，并得到了

2、極大的關(guān)注。 被測目標(biāo)被測目標(biāo) 光源光源 圖像獲取裝置：圖像獲取裝置：包括光學(xué)成像設(shè)備(如CCD攝像機(jī))和圖像采集卡等。 圖像存儲設(shè)備圖像存儲設(shè)備：可以是圖像采集卡緩存、磁盤或閃存等。 數(shù)據(jù)處理器數(shù)據(jù)處理器：可以是PC機(jī)、DSP或圖像處理機(jī)。 伺服裝置伺服裝置：功能在于使被測目標(biāo)處于一個穩(wěn)定的最佳拍攝狀態(tài)，載物臺是一種最簡單的伺服裝置。 軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)：負(fù)責(zé)完成圖像特征的提取、數(shù)據(jù)的分析與綜合等功能，軟件系統(tǒng)是整個檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵，其處理精度和速度直接影響著整個檢測系統(tǒng)的精度和實時性能。 視覺測量系統(tǒng)的組成1.1.圖像獲取圖像獲取 圖像的獲取實際上是將被測物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計

3、算機(jī)處理的一系列數(shù)據(jù)，它主要由三部分組成:照明、圖像聚焦形成、圖像確定和形成攝像機(jī)輸出信號。2.2.圖像處理圖像處理 視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像濾波、圖像增強(qiáng)、邊緣提取、細(xì)化、特征提取、圖像識別與理解等內(nèi)容。3.3.系統(tǒng)標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定 攝像機(jī)標(biāo)定是一個確定三維物體空間坐標(biāo)系與攝像機(jī)圖像二維坐標(biāo)系之間變換關(guān)系以及攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)的過程，高精度的測量系統(tǒng)需要高精度的標(biāo)定參數(shù)。由于成像中的鏡頭不可避免地產(chǎn)生畸變，小孔投影模型的假設(shè)也存在成像誤差，尋找簡單而且足夠精度的攝像機(jī)標(biāo)定方法，是視覺測量精度的關(guān)鍵因素。4.4.亞像素邊緣定位技術(shù)亞像素邊緣定位技術(shù) 隨

4、著工業(yè)檢測等應(yīng)用對精度要求的不斷提高，像素級精度已經(jīng)不能滿足實際測量的要求，因此需要更高精度的邊緣提取算法，即亞像素算法。利用軟件來提高測量的精度具有方法簡單、有效的優(yōu)點，因此，圖像測量的軟件算法越來越受到人們的重視。視覺測量的關(guān)鍵技術(shù)視覺測量的關(guān)鍵技術(shù) 視覺檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括:圖像采集、高精度系統(tǒng)標(biāo)定、圖像的特征提取，亞像素邊緣定位技術(shù)等。視覺測量技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù) 國外視覺測量技術(shù)發(fā)展迅速，涵蓋的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛。20世紀(jì)末以美國、德國、日本為主開始研制各種基于視覺檢測的測量模型，用于不同領(lǐng)域的檢測。 21世紀(jì)初，用于零件尺寸測量的視覺檢測設(shè)備逐漸得到推廣和應(yīng)用，主要應(yīng)用于汽車零件、軸承的

5、檢測。視覺測量技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 國內(nèi)視覺測量技術(shù)起步較晚，始于21世紀(jì)初，從最初的代理國外先進(jìn)設(shè)備到現(xiàn)在能自主研發(fā)，經(jīng)歷了一個較快的發(fā)展階段。近幾年，國內(nèi)從事視覺測量技術(shù)開發(fā)的公司不斷增加，如北京大恒圖像、北京凌云光視、深圳賽克數(shù)碼、上海法視特、蘇州南光電子科技有限公司及一些高?？蒲性核?。下圖是關(guān)于視覺測量的系統(tǒng)和軟件：視覺測量技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀視覺測量技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 視覺檢測技術(shù)被廣泛應(yīng)用于瓜果等品質(zhì)的無損檢測中。 國外，1984年首先報道了分別利用線掃描和模擬攝像機(jī)檢測蘋果損傷的試驗，結(jié)論為利用數(shù)字圖像技術(shù)檢測蘋果損傷至少可以達(dá)到人工分級的精度。視覺測

6、量技術(shù)的主要應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 國內(nèi)應(yīng)用視覺技術(shù)進(jìn)行水果蛋類品質(zhì)無損檢測的研究也取得了一定成果。應(yīng)用計算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行芒果重量與其投影圖像的相互關(guān)系，研究了用于綜合評價蘋果果型的計算機(jī)視覺系統(tǒng)和適用于黃花梨品質(zhì)檢測的彩色機(jī)器視覺系統(tǒng)等。此外，視覺檢測技術(shù)還廣泛應(yīng)用于對蔬菜、谷物、煙葉等的缺陷、類別及等級檢測中。下圖所示為雞蛋裂紋視覺檢測系統(tǒng)和黃瓜采摘機(jī)器人：視覺測量技術(shù)的主要應(yīng)用在工業(yè)中的應(yīng)用在工業(yè)中的應(yīng)用 在國外，視覺檢測在汽車工業(yè)中的應(yīng)用已十分廣泛。美國三大汽車公司相繼與美國Michigan大學(xué)和Perceptron公司合作，成功研制了用于對汽車零部件、分總成和總成產(chǎn)

7、品進(jìn)行尺寸控制的自動視覺檢測系統(tǒng)。英國ROVER汽車公司800系列汽車車身輪廓尺寸精度的100%在線檢測，也是視覺檢測系統(tǒng)用于工業(yè)檢測中的一個較為典型的例子。 視覺測量技術(shù)的主要應(yīng)用在工業(yè)中的應(yīng)用在工業(yè)中的應(yīng)用 國內(nèi)天津大學(xué)精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室成功研制了IVECO白車身激光視覺檢測站和一汽大眾Jieta轎車白車身100%在線視覺檢測站及一汽解放新型卡車在線檢測站，實現(xiàn)了整車總成的三維尺寸自動在線測量。視覺技術(shù)在汽車零部件的尺寸檢測上也得到了廣泛的應(yīng)用:通用汽車研究實驗室開發(fā)了用于汽車零件檢測的視覺原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)對所有零件均使用相同的過程，通過對一個好零件與壞零件的比較結(jié)果來判斷檢

8、測區(qū)域的指定缺陷等。 視覺測量技術(shù)的主要應(yīng)用在工業(yè)中的應(yīng)用在工業(yè)中的應(yīng)用 除此之外，視覺檢測技術(shù)在工業(yè)的各個領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，如電子工業(yè)中印刷電路板、集成電路和光掩膜等的生產(chǎn)工藝流程中，通過對所獲得的圖像進(jìn)行處理和識別來判斷制作線路的正誤，從而來保證產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量冶金工業(yè)中鋼板表面的自動探傷、赤熱鋼板切割位置定位;玻璃制品行業(yè)中產(chǎn)品檢測，如產(chǎn)品外形檢測(高度、直徑、不規(guī)則程度等)、內(nèi)部缺陷檢測(裂紋、氣泡等);機(jī)械零件的自動識別及幾何尺寸測量、表面粗糙度和表面缺陷檢測;在現(xiàn)代制藥工業(yè)中，對藥品包裝的檢測及對藥片顏色、尺寸、形狀等的檢測;對磁磚等建筑裝飾材料的表面質(zhì)量及顏色的檢測;用計算機(jī)視

9、覺系統(tǒng)自動測量圓木的體積;基于計算機(jī)視覺的織物疵點的檢測;利用視覺技術(shù)對皮革缺陷的檢測等等。視覺測量技術(shù)的主要應(yīng)用 1. 1.實現(xiàn)在線實時檢測。實現(xiàn)在線實時檢測。 視覺檢測系統(tǒng)大多用在工業(yè)現(xiàn)場及工業(yè)生產(chǎn)線中，對于在線實時檢測，如何將視覺測量系統(tǒng)嵌入到生產(chǎn)線相應(yīng)的工序中，使測量速度與生產(chǎn)線節(jié)拍相一致，是視覺測量走上實際應(yīng)用的關(guān)鍵一步。視覺檢測執(zhí)行時間在很大程度上取決于底層圖像處理(圖像平滑、濾波、分割等)速度。因此，使用專用硬件實現(xiàn)獨立于環(huán)境的處理算法，可大大提高圖像處理速度。 2.2.實現(xiàn)智能化檢測。實現(xiàn)智能化檢測。 從CAD系統(tǒng)中提取零件視覺模型與檢測信息(包括零件位置與方向、攝像機(jī)視角等)

10、，選定檢測項目、檢測點和檢測路徑，建立智能檢測規(guī)劃，并控制工業(yè)機(jī)器人抓取零件并放置到合適的位置進(jìn)行檢測。 3.3.實現(xiàn)高精度檢測。實現(xiàn)高精度檢測。 與視覺系統(tǒng)相L匕，坐標(biāo)測量機(jī)(Coordinate Measurement Machine CMM)在檢測精度和測量空間范圍上占有很大優(yōu)勢，因此，基于CMM的視覺檢測系統(tǒng)已經(jīng)成為視覺檢測技術(shù)的一種新趨勢。集成化的CMM和視覺檢測系統(tǒng)可以利用視覺系統(tǒng)迅速識別零件的形狀及其在測量平臺上的位置和狀態(tài)，完成機(jī)器坐標(biāo)系、零件坐標(biāo)系、攝像機(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，幫助CMM實現(xiàn)檢測路徑自動形成與測量結(jié)果判斷。同時深入研究亞像素定位技術(shù)，使之應(yīng)用到實際的檢測系統(tǒng)中，以

11、提高檢測精度和降低系統(tǒng)成本。視覺測量技術(shù)的發(fā)展趨勢4.4.計算機(jī)視覺柔性檢測技術(shù)。計算機(jī)視覺柔性檢測技術(shù)。 目前幾乎所有的計算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)都只適用于解決特定的檢測任務(wù)，建立一種較為通用的視覺檢測系統(tǒng)，以適用于不同條件下的檢測任務(wù)，進(jìn)而實現(xiàn)對目標(biāo)進(jìn)行“完全檢測”，是目前和將來視覺檢測系統(tǒng)的一個發(fā)展方向。5.5.研究開發(fā)彩色圖像、灰度圖像和多譜圖像的處理算法，拓展視覺檢研究開發(fā)彩色圖像、灰度圖像和多譜圖像的處理算法，拓展視覺檢測的應(yīng)用。測的應(yīng)用。 視覺測量技術(shù)作為一種新興的檢測技術(shù)，現(xiàn)代工業(yè)為其提供了巨大的需求空間。工業(yè)檢測的復(fù)雜性和多樣性，也必然使工業(yè)圖像檢測技術(shù)呈現(xiàn)出復(fù)雜性和多樣性，這種復(fù)雜

12、性和多樣性為我們提供了廣闊的研究領(lǐng)域?？傊?，隨著計算機(jī)視覺技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，計算機(jī)視覺測量技術(shù)必將在現(xiàn)代和未來制造企業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。視覺測量技術(shù)的發(fā)展趨勢 目前視覺測量存在的問題主要表現(xiàn)在以下兩個方面:1.1.測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的“受控受控”問題問題 視覺測量系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、被測件及輔助設(shè)備(如測棒、校準(zhǔn)裝置和輔助光源等)組成。各組成部分之間是開放的、無強(qiáng)制約束的，它們之間的相互位置是可以任意改變的，測量鏈的形成完全靠校準(zhǔn)來確定。測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)一旦通過校準(zhǔn)確定后，測量過程中就不能改變，視覺測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開放性，導(dǎo)致了其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不穩(wěn)定性，易受外界干擾的破壞

13、，這種測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)稍有改變就會導(dǎo)致錯誤的測量結(jié)果，這就是IS010012-2測量設(shè)備的質(zhì)量保證要求中所提到的測量過程控制問題，即對測量過程所得數(shù)據(jù)的監(jiān)視和分析，連同糾正措施，用于連續(xù)地保證測量過程在規(guī)定的特性范圍內(nèi)。 因此如何監(jiān)控和保證測量過程正確進(jìn)行，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)處于“受控”狀態(tài)是視覺測量系統(tǒng)，特別是開放式的視覺測量系統(tǒng)應(yīng)該解決的問題，而目前國內(nèi)外現(xiàn)有的測量系統(tǒng)尚未涉及這一問題。 視覺測量技術(shù)存在的主要問題2.2.如何提高測量系統(tǒng)精度問題如何提高測量系統(tǒng)精度問題 視覺測量是以攝像機(jī)攝取的被測物體的二維圖像為基礎(chǔ)經(jīng)變換得到被測物體的三維信息，這一原理本身決定了要提高測量系統(tǒng)的精度具有一定的難

14、度。首先二維圖像要清晰，而影響二維圖像清晰的因素特別多;其次對于大型物體的視覺測量，所獲得的二維圖像的尺寸都是縮小了的，即測量模型的傳遞函數(shù)是小于1的，而折算到被測件上的誤差是被放大了的;另外，測量鏈的建立是靠校準(zhǔn)來實現(xiàn)的，校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)件的誤差和校準(zhǔn)算法誤差限制了視覺測量精度的提高;最終測量結(jié)果是由測量模型給出的，測量模型的質(zhì)量對測量精度有很大的影響。 為了提高視覺測量系統(tǒng)的精度，必須在二維圖像特征的提取、校準(zhǔn)件和校準(zhǔn)算法的設(shè)計(包括內(nèi)參和外參校準(zhǔn))和測量建模等方面深入研究，提出一些新的方法。視覺測量主要存在的問題視覺測量技術(shù)存在的主要問題1朱錚濤，視覺測量技術(shù)及其在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用，現(xiàn)代制造工

15、程，2004，4: 59-612李慶中，汪娥華，農(nóng)業(yè)生物模式識別中的計算機(jī)視覺技術(shù)，中國圖像圖形學(xué)報，1999，4(7):610一6163朱正德，談“機(jī)器視覺”在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用，中國測試技術(shù)，2006，32(5):22一254劉常杰，鄭繼貴，楊學(xué)友等，汽車白車身在線激光視覺檢測站，儀器儀表學(xué)報，2004, 25 C4): 671-6725洪海濤，趙輝，圖像技術(shù)用于零件尺寸測量的研究，儀器儀表學(xué)報，2001，22(3):214一2186圖像和機(jī)器視覺產(chǎn)品手冊，北京凌云光視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司，20057唐向陽，張勇，李江有等，機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用展望，昆明理工大學(xué)學(xué)報，2004, 29（2): 36-398周富強(qiáng)，陳強(qiáng)，張廣軍.結(jié)構(gòu)光光條提取的混合圖像處理力法，光電子激光，2008, 19(11): 1534-15379張鐵中，楊麗，陳兵旗，等.農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展J.中國科學(xué):信息科學(xué)，2010,40(S1):71一87.10畢坤，趙馨，侯瑞鋒，等.機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用方向和發(fā)展趨