機(jī)器視覺(jué)報(bào)告

機(jī)器視覺(jué)報(bào)告學(xué)校：吉林大學(xué)課程教師：盧韶芳老師學(xué)院：通信工程學(xué)院姓名：焐嚟蕪必答題：機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用及國(guó)內(nèi)外開(kāi)展現(xiàn)狀？答：1機(jī)器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)展現(xiàn)狀圖1顯示了一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)。從中我們能夠深刻地體會(huì)到機(jī)器視覺(jué)是一項(xiàng)綜合技術(shù),其中包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、控制技術(shù)、光源照明技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等。以下就光源照明技術(shù)、光學(xué)鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡、圖像信號(hào)處理以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等機(jī)器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。1.1光源照明技術(shù)優(yōu)良的光源和照明方案是目前機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵之一。一個(gè)好的光源與照明方案應(yīng)當(dāng)具有如下特點(diǎn)：盡可能突出物體的特征量,在物體需要檢測(cè)的局部與那些不重要部份之間盡可能產(chǎn)生明顯的區(qū)別,增加比照度;保證足夠的整體亮度;物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中一般使用透射光和反射光。對(duì)于反射光情況,應(yīng)充分考慮光源和光學(xué)鏡頭的相對(duì)位置、物體外表的紋理、物體的幾何形狀等要素。光源設(shè)備的選擇必須符合所需的幾何形狀。同時(shí),照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性也必須符合實(shí)際的要求,同時(shí)還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。表1列出了幾種主要光源的相關(guān)特性。其中,LED光源具有顯色性好、光譜范圍寬(可覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光范圍)、發(fā)光強(qiáng)度高、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn).近年來(lái)隨著LED制造工藝和技術(shù)的不斷開(kāi)展成熟,價(jià)格逐步降低,其在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。選用LED作為光源是一種趨勢(shì)。另外,高頻熒光燈因具有發(fā)光強(qiáng)度高、性?xún)r(jià)比高的優(yōu)點(diǎn),仍不失為某些應(yīng)用場(chǎng)合的很好選擇。1.2光學(xué)鏡頭光學(xué)鏡頭成像質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用。其優(yōu)劣程度可用像差的大小來(lái)衡量,常見(jiàn)的像差有球差、彗差.、像散、場(chǎng)曲、畸變、色差等六種。通常,光學(xué)鏡頭可分為定焦和變焦兩類(lèi)。在檔次相同的情況下,定焦鏡頭比變焦鏡頭的像差要小。因?yàn)閷?duì)變焦鏡頭必須折衷考慮以使各種不同焦距下的成像質(zhì)量都相對(duì)較好。因此,在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中,通常優(yōu)先考慮使用定焦光學(xué)鏡頭。此外還要考慮鏡頭的焦距、光闌系數(shù)、倍率、接口等問(wèn)題。1.3攝像機(jī)視覺(jué)圖像獲取有兩種方式:主動(dòng)視覺(jué)和被動(dòng)視覺(jué)。主動(dòng)視覺(jué)是指通過(guò)器件本身發(fā)光來(lái)產(chǎn)生視覺(jué)圖像。被動(dòng)視覺(jué)那么指由傳感器被動(dòng)接收目標(biāo)環(huán)境反射光來(lái)產(chǎn)生視覺(jué)圖像。攝像機(jī)是常用的被動(dòng)視覺(jué)傳感器,其核心部件是電子藕合器件(CCD)。CCD是近幾年開(kāi)展起來(lái)的新技術(shù),以其體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)且抗沖擊、清晰度高等特點(diǎn)在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。CCD攝像機(jī)按照其使用的CCD器件可以分為線(xiàn)陣式和面陣式兩大類(lèi)。線(xiàn)陣CCD攝像機(jī)一次只能獲得圖像的一行信息,被拍攝的物體必須以直線(xiàn)形式從攝像機(jī)前移過(guò),才能獲得完整的圖像.它主要用于檢測(cè)條狀、筒狀產(chǎn)品,例如布匹、鋼板、紙張等。面陣攝像機(jī)可以一次獲得整幅圖像的信息。目前在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中,以面陣CCD的應(yīng)用居多。CCD成品相機(jī)的分辨率不斷提高,2048X2048像素的CCD相機(jī)已很普遍。1.4圖像采集卡圖像采集卡是圖像采集局部和圖像處理局部的接口。由于圖像信號(hào)的傳輸需要很高的傳輸速度,通用的傳輸接口不能滿(mǎn)足要求,這是需要圖像采集卡的主要原因。圖像采集卡一般具有如下功能：(l)圖像信號(hào)的接收和A/D轉(zhuǎn)換模塊,負(fù)責(zé)將圖像信號(hào)放大和數(shù)字化;(2)攝像機(jī)控制輸入輸出接口,主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)攝像機(jī)進(jìn)行同步和實(shí)現(xiàn)異步重置拍照、定時(shí)拍照等;(3)總線(xiàn)接口,負(fù)責(zé)通過(guò)PC機(jī)內(nèi)部總線(xiàn)高速傳輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),一般采用PCI接口,傳輸速率可高達(dá)13oMbPs,完全能勝任高精度圖像的實(shí)時(shí)傳輸,且占用較少的CPU時(shí)間;(4)顯示模塊,負(fù)責(zé)高質(zhì)量的圖像實(shí)時(shí)顯示;(5)通訊接口,負(fù)責(zé)通訊。其中(4)、(5)是某些圖像采集卡的附加增強(qiáng)功能。一些高檔的圖像采集卡還帶有DSP數(shù)字處理模塊,能進(jìn)行高速圖像的預(yù)處理。1.5圖像信號(hào)處理正如人的視覺(jué)系統(tǒng)那樣,要將眼睛所獲得的視覺(jué)信息送到大腦進(jìn)行綜合處理、“深加工”,機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中,也要對(duì)采集到的圖像信號(hào)作進(jìn)一步處理,這是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的關(guān)鍵之處。很多成熟的圖像處理技術(shù)、算法都可以直接應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中,如何處理采集到的視覺(jué)信息是其核心所在。視覺(jué)信息的處理技術(shù)主要依賴(lài)于圖像處理方法,它包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容.經(jīng)過(guò)這些處理后,輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善,既優(yōu)化了圖像的視覺(jué)效果,又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。圖像處理是一個(gè)很復(fù)雜的系統(tǒng)工程,無(wú)數(shù)學(xué)者及工程人員為每一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了諸多的算法,有關(guān)此方面的文獻(xiàn)很多。考慮到機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合具有高速、穩(wěn)定的要求,采用的處理算法一般不應(yīng)太復(fù)雜。在圖像信號(hào)的處理過(guò)程中,不管選用哪些算法,都要注意處理的速度必須大于或等于圖像的采集速度。目前,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路技術(shù)的開(kāi)展,為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,對(duì)圖像處理的很多工作都可以借助硬件完成,如DSP芯片、專(zhuān)用圖像信號(hào)處理卡等.而軟件那么主要完成算法中非常復(fù)雜、不太成熟或尚需不斷探索和改良的局部。TI公司推出的系列DSP產(chǎn)品TMS320C5000/6000系列大多可以應(yīng)用于圖像信號(hào)的處理,且具有良好的實(shí)用性能。1.6執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在功能上的最終實(shí)現(xiàn),需要通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成。對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合,執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以是機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)中的一種。無(wú)論哪一種,除了要嚴(yán)格保證其加工制造和裝配的精度外,在設(shè)計(jì)時(shí)還需要對(duì)動(dòng)態(tài)特性,尤其是快速性和穩(wěn)定性給予充分重視.此外,需要指出的是,目前基于PC機(jī)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)沒(méi)有模塊化,安裝不方便,可移植性差,特別是與工業(yè)廣泛使用的PLC接口連接比較麻煩。從軟件和硬件開(kāi)發(fā)兩個(gè)方面來(lái)考慮,都需要一種更適合工業(yè)需求的機(jī)器視覺(jué)組件.目前國(guó)外COGNEX公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種叫做視覺(jué)傳感器的模塊化部件.這種視覺(jué)傳感器集成了光源、攝像頭、圖像處理器、標(biāo)準(zhǔn)的控制與通訊接口,自成為一個(gè)智能圖像采集與處理單元。其內(nèi)部程序存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)圖像處理算法,人們可使用PC機(jī)利用專(zhuān)用組態(tài)軟件編制各種算法,然后將它們下載到視覺(jué)傳感器的程序存儲(chǔ)器中。這種視覺(jué)傳感器將PC的靈活性與PLC的可靠性、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合了在一起.用這樣的視覺(jué)傳感器和PLC可以更容易地構(gòu)成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng).機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用視覺(jué)的最大優(yōu)點(diǎn)是與被觀(guān)測(cè)的對(duì)象無(wú)接觸,因此對(duì)觀(guān)測(cè)與被觀(guān)測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷,十分平安可靠,這是其它感覺(jué)方式無(wú)法比較的。另外,視覺(jué)方式所能檢測(cè)的對(duì)象十分廣泛,可以說(shuō)是對(duì)對(duì)象不加選擇。理論上,人眼觀(guān)察不到的范圍機(jī)器視覺(jué)也可以觀(guān)察,例如紅外線(xiàn)、微波、超聲波等人類(lèi)就觀(guān)察不到,而機(jī)器視覺(jué)那么可以利用這方面的傳感器件形成紅外線(xiàn)、微波、超聲波等圖像。因此可以說(shuō)是擴(kuò)展了人類(lèi)的視覺(jué)范圍。另外,人無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間或在某些惡劣環(huán)境下觀(guān)察對(duì)象,機(jī)器視覺(jué)那么不知疲勞,對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng),能始終如一地觀(guān)測(cè),所以機(jī)器視覺(jué)可以廣泛地和長(zhǎng)時(shí)間地用于惡劣的工作環(huán)境。正因?yàn)榫哂猩鲜鎏攸c(diǎn),機(jī)器視覺(jué)才得以在工業(yè)應(yīng)用中大顯身手,被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、電子、電氣、機(jī)械、制藥、玻璃(陶瓷)、包裝、印刷、運(yùn)輸、紡織等各個(gè)行業(yè).目前,機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用很大程度上仍局限于二維圖像的處理和識(shí)別,三位機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用還很有限。工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用大致分為三個(gè)方向:自動(dòng)檢測(cè)、智能裝配以及視覺(jué)伺服系統(tǒng)。以下就從這三個(gè)方面介紹機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)應(yīng)用狀況。1自動(dòng)檢測(cè)中的機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)檢測(cè)是生產(chǎn)自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)。機(jī)器視覺(jué)在自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用極為廣泛,它包括幾何量計(jì)量測(cè)試和自動(dòng)視覺(jué)識(shí)別檢測(cè)。幾何量計(jì)量測(cè)試技術(shù)是制造技術(shù)中不可缺少的環(huán)節(jié)。通用的光學(xué)儀器幾何量測(cè)量技術(shù)讀數(shù)過(guò)程繁瑣,測(cè)量時(shí)間長(zhǎng),人員主觀(guān)誤差較大,自動(dòng)化程度低。機(jī)器視覺(jué)測(cè)量技術(shù)是測(cè)試領(lǐng)域中的新興一族。得益于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的開(kāi)展,目前有結(jié)構(gòu)光測(cè)量、層析三維數(shù)字化測(cè)量、工業(yè)CT法、立體視覺(jué)、激光掃描測(cè)量和激光雷達(dá)等方法,它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用結(jié)構(gòu)光的三角測(cè)量法,具有較高的測(cè)量精度和一定的測(cè)量范圍。原理是用一光束以一定角度投影到被測(cè)物外表,再以一定角度用攝像機(jī)攝取圖像,最后依據(jù)三角定理從二維圖像中提取第三維信息。該方法無(wú)法獲取被測(cè)物體內(nèi)部的數(shù)據(jù)。層析三維數(shù)字化測(cè)量技術(shù)是對(duì)物體被銑出的等間隔斷層進(jìn)行拍照,然后進(jìn)行圖像處理,提取出斷層上物體的輪廓信息,進(jìn)行三維重建,最后得出物體的CAD模型。該方法可實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜物體的完整測(cè)量,精度可達(dá)53微米,雖然防止了結(jié)構(gòu)光法的缺點(diǎn),但是檢測(cè)速度慢且具有破壞性.工業(yè)CT利用斷層掃描實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的無(wú)損測(cè)量,但精度低且設(shè)備昂貴。立體視覺(jué)屬于三維測(cè)量,是人工智能與測(cè)量技術(shù)交叉而形成的智能測(cè)量。根本過(guò)程是用兩個(gè)攝像機(jī)從不同位置對(duì)物體攝像,在兩個(gè)攝像機(jī)的圖像平面上提取和匹配需要檢測(cè)的特征點(diǎn),求出特征點(diǎn)在兩個(gè)圖像平面的坐標(biāo),再利用成像公式計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。該方法具有測(cè)量速度快、系統(tǒng)本錢(qián)低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn),充分表達(dá)了機(jī)器視覺(jué)在幾何量計(jì)量測(cè)試中的應(yīng)用價(jià)值和前景。自動(dòng)視覺(jué)識(shí)別檢測(cè)目前已經(jīng)用于產(chǎn)品外形和外表缺陷檢驗(yàn),如金屬外表視覺(jué)檢測(cè)、二極管基片檢查、印刷電路板缺陷檢查、焊縫缺陷自動(dòng)識(shí)別等等。這些檢測(cè)識(shí)別系統(tǒng)屬于二維機(jī)器視覺(jué),技術(shù)已經(jīng)較為成熟。其根本流程是用一個(gè)攝像機(jī)獲取圖像,對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行處理及模式識(shí)別,檢測(cè)出所需的內(nèi)容。2智能裝配中的機(jī)器視覺(jué)現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品的裝配工作量占整個(gè)產(chǎn)品制造工作量的20%、70%,裝配時(shí)間占整個(gè)產(chǎn)品制造時(shí)間的40%、60%,裝配本錢(qián)約占產(chǎn)品本錢(qián)的30%、50%,且裝配質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品性能有直接影響。裝配工作由于其多樣性和復(fù)雜性,在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化方面難點(diǎn)很多。上世紀(jì)80年代,裝配機(jī)器人的應(yīng)用和柔性裝配系統(tǒng)的出現(xiàn)使自動(dòng)裝配系統(tǒng)得到迅速開(kāi)展.20世紀(jì)90年代后,應(yīng)用領(lǐng)域?qū)ψ詣?dòng)裝配技術(shù)提出了更高的要求。采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的智能裝配就是這股技術(shù)革新浪潮中的熱點(diǎn)之一。視覺(jué)系統(tǒng)可以大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間,在不變更硬件的情況下處理各種零部件。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)不僅可以用于完成一些看起來(lái)很簡(jiǎn)單(如汽車(chē)零件裝配等)的任務(wù),更可在惡劣或有害的工作環(huán)境下實(shí)現(xiàn)裝配。目前,在工業(yè)領(lǐng)域中,已經(jīng)有很多以機(jī)械手、視覺(jué)系統(tǒng)為主體的帶感覺(jué)的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用階段。例如晶體管自動(dòng)焊接系統(tǒng)、管子凸緣焊接機(jī)器人、有視覺(jué)的裝配機(jī)器人、汽車(chē)車(chē)輪裝入輪毅作業(yè)的自動(dòng)系統(tǒng)等等。機(jī)器人應(yīng)用視覺(jué)的方式有很多種,如對(duì)機(jī)械手定位以及跟蹤目標(biāo)提供反應(yīng)控制信息;確定和區(qū)分零件的位置方位以拾取零件;控制對(duì)零件的裝配;引導(dǎo)焊縫機(jī)器人等。智能裝配中的機(jī)器視覺(jué)的難點(diǎn)在于對(duì)三維物體的定位和識(shí)別,主要研究重點(diǎn)是立體匹配和三維重建。文獻(xiàn)!14]針對(duì)三維零件識(shí)別的需要,提出一種新的三維重建方法。該方法將立體匹配轉(zhuǎn)換到波數(shù)域進(jìn)行求解,對(duì)立體像進(jìn)行適當(dāng)變換后求出每幅圖像的局部相,根據(jù)局部相的性質(zhì),求出立體像與兩幅圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為了便于實(shí)現(xiàn)并行處理,采用Hopfiekl神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)立體匹配過(guò)程,該方法采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造成三維重建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),將圖像上的二維點(diǎn)轉(zhuǎn)換成物體外表上的三維點(diǎn),防止了傳統(tǒng)方法中需要通過(guò)對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行精確校準(zhǔn)來(lái)確定像平面和目標(biāo)空間的關(guān)系以及通過(guò)迭代過(guò)程計(jì)算物體的三維點(diǎn)的復(fù)雜性。3視覺(jué)伺服系統(tǒng)視覺(jué)的非接觸測(cè)量特性使它對(duì)視覺(jué)伺服系統(tǒng)極為有用.一種典型的應(yīng)用是將視覺(jué)傳感和操作集成在一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中,系統(tǒng)的精度直接依賴(lài)于視覺(jué)傳感和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度.其控制采用開(kāi)環(huán)視覺(jué)方法,即從圖像中抽取檢測(cè)物體的特征信息后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng),視覺(jué)信息僅作為指令依據(jù)。通常人們按照誤差信號(hào)的不同將視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)分為三類(lèi):基于位置的視覺(jué)伺服系統(tǒng)、基于圖像的視覺(jué)伺服系統(tǒng)以及由上述兩種方法組合而成的混合視覺(jué)系統(tǒng)。在基于位置的伺服系統(tǒng)中,誤差信號(hào)在笛卡爾坐標(biāo)系中給出.由于使用簡(jiǎn)單的比例控制即可以使該系統(tǒng)穩(wěn)定,因此此類(lèi)系統(tǒng)的控制間題實(shí)質(zhì)上轉(zhuǎn)變成根據(jù)圖像估計(jì)出目標(biāo)相對(duì)位置的間題。在基于圖像的伺服系統(tǒng)中,誤差信號(hào)由圖像特征參數(shù)直接定義,主要涉及兩方面間題:(l)圖像的特征選擇和提取;(2)控制系統(tǒng)的分析和綜合。同基于位置的伺服系統(tǒng)不同,在基于圖像的伺服系統(tǒng)中,圖像特征的選擇將直接決定控制率和最終系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性等性能,因而所選擇的特征往往因系統(tǒng)而異,目的是使整個(gè)系統(tǒng)便于分析和設(shè)計(jì)。在上述機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中,圖像的獲取大多是采用攝像機(jī)(如CCD)作為主要手段的。事實(shí)上,成像的方式除了可見(jiàn)光成像外,還有紅外成像、X光成像、超聲成像、微波成像等等。隨著傳感器技術(shù)以及相應(yīng)成像技術(shù)的不斷開(kāi)展和完善,機(jī)器視覺(jué)的可應(yīng)用領(lǐng)域必將不斷擴(kuò)展。而且目前機(jī)器視覺(jué)技術(shù)也已經(jīng)沖破傳統(tǒng)視覺(jué)理念,有了在新領(lǐng)域應(yīng)用的成功案例。參考資料：《機(jī)器視覺(jué)技術(shù)開(kāi)展及其工業(yè)應(yīng)用》，章煒，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所,上海，2006年2月。1機(jī)器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)展現(xiàn)狀圖1說(shuō)明機(jī)器視覺(jué)是一項(xiàng)綜合技術(shù),包括圖像處理、機(jī)械工程技術(shù)、控制、電光源照明、光學(xué)成像、傳感器、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)(圖像增強(qiáng)和分析算法、圖像卡、I/O卡等)。這些技術(shù)在機(jī)器視覺(jué)中是并列關(guān)系,相互協(xié)調(diào)應(yīng)用才能構(gòu)成一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)。機(jī)器視覺(jué)強(qiáng)調(diào)能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境、有合理的性?xún)r(jià)比、較強(qiáng)的通用性和可移植性,即實(shí)用性;它更強(qiáng)調(diào)高速度和高精度,即實(shí)時(shí)性。機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中,用到很多技術(shù),但關(guān)鍵技術(shù)主要表達(dá)在光源照明、光學(xué)鏡頭、攝像機(jī)(CCD)、圖像采集卡、圖像信號(hào)處理以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。光源照明好的光源和照明是目前機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵,應(yīng)當(dāng)具有以下特征：〔1〕盡可能突出目標(biāo)的特征,在物體需要檢測(cè)的局部與非檢測(cè)局部之間盡可能產(chǎn)生明顯的區(qū)別,增加比照度；〔2〕保證足夠的亮度和穩(wěn)定性；〔3〕物體位置的變化不應(yīng)影響成像的質(zhì)量。光源按其照射方法可分為背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光照明和頻閃光照明等。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)是能獲得高比照度的圖像;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(xiàn)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,攝像機(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。照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性要符合實(shí)際的要求,同時(shí)還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。其中,LED光源具有顯色性好、光譜范圍寬(可覆蓋整個(gè)可見(jiàn)光范圍)、發(fā)光強(qiáng)度高、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),而且隨著制造技術(shù)的成熟,其價(jià)格越來(lái)越低,必將在現(xiàn)代機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。光學(xué)鏡頭光學(xué)鏡頭一般稱(chēng)為攝像鏡頭或攝影鏡頭,簡(jiǎn)稱(chēng)鏡頭,其功能就是光學(xué)成像。鏡頭是系統(tǒng)中的重要組件,對(duì)成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用,在組建機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)時(shí),硬件設(shè)備要根據(jù)實(shí)際需要選擇適宜口徑和焦距的鏡頭。表2是幾種常見(jiàn)鏡頭型號(hào)及其相關(guān)參數(shù)。CCD攝像機(jī)及圖像采集卡CCD(Chargecoupleddevice)攝像機(jī)及圖像采集卡共同完成對(duì)目標(biāo)圖像的采集與數(shù)字化。目前,CCD、CMOS等固體器件已經(jīng)是成熟的應(yīng)用技術(shù)。線(xiàn)陣圖像敏感器件,像元尺寸不斷減小,陣列像元數(shù)量不斷增加,像元電荷傳輸速率得到極大提高。表3所示為一種高性能線(xiàn)陣CCD器件的參數(shù)。從中可以看到,線(xiàn)陣器件像元數(shù)和數(shù)據(jù)的傳輸率大大提高,而且器件設(shè)計(jì)集成了新的功能,具有可編程能力,如增益調(diào)整、曝光時(shí)間選擇、速率調(diào)節(jié)以及維護(hù)等。在線(xiàn)陣器件性能提高的同時(shí),高速面陣圖像器件性能也在快速提高。某種超高速面陣CCD器件,允許的最大分辨率達(dá)1280X1024像素,最大幀率1MHz,可采集4幀圖像,且像素靈敏度達(dá)12bits。在基于PC機(jī)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中,圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照完成圖像采集與數(shù)字化,協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備.一般具有以下功能模塊：〔1〕圖像信號(hào)的接收A/D轉(zhuǎn)換模塊,負(fù)責(zé)圖像放大與數(shù)字化；〔2〕攝像機(jī)控制輸入輸出接口,主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)攝像機(jī)進(jìn)行同步或?qū)崿F(xiàn)異步重置拍照、定時(shí)拍照；〔3〕總線(xiàn)接口,負(fù)責(zé)通過(guò)計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線(xiàn)高速輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),一般是PCI接口,傳輸速率可達(dá)130Mbps,完全能勝任高精度圖像的實(shí)時(shí)傳輸,且占用較少的CPU時(shí)間；〔4〕顯示模塊,負(fù)責(zé)高質(zhì)量的圖像實(shí)時(shí)顯示；〔5〕通訊接口,負(fù)責(zé)通訊。目前,圖像采集卡種類(lèi)很多,按照不同的分類(lèi)方法,有黑白圖像和彩色圖像采集卡,有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)采集卡,有復(fù)合信號(hào)和RGB分量信號(hào)輸入采集卡.在選擇圖像采集卡時(shí),主要應(yīng)考慮到系統(tǒng)的功能需求、圖像的采集精度和與攝像機(jī)輸出信號(hào)的匹配等因素。圖像信號(hào)處理圖像信號(hào)的處理是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心。視覺(jué)信息的處理技術(shù)主要依賴(lài)于圖像處理方法,它包括圖像變換、數(shù)據(jù)編碼壓縮、圖像增強(qiáng)復(fù)原、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的開(kāi)展,為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性,圖像處理的很多工作都可以借助硬件完成,如DSP芯片、專(zhuān)用圖像信號(hào)處理卡等,軟件主要完成算法中非常復(fù)雜、不太成熟或尚需不斷探索和改良的局部。處理時(shí)間上,要求處理速度必須大于等于采集速度,才能保證目標(biāo)圖像無(wú)遺漏,完成實(shí)時(shí)處理。執(zhí)行機(jī)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的最終目的還需執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)完成.不同的應(yīng)用場(chǎng)合,執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能不同,比方機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng),無(wú)論哪一種,除了要嚴(yán)格保證其加工制造和裝配的精度外,在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)特性,尤其是快速性和穩(wěn)定性給予充分重視。參考資料：中原工學(xué)院學(xué)報(bào)，《機(jī)器視覺(jué)的現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)》，張五一,趙強(qiáng)松,王東云，中原工學(xué)院,鄭州，2008年2月。A局部〔選擇第二題〕問(wèn)：在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，當(dāng)鼠標(biāo)的光標(biāo)在屏幕上而你又一時(shí)找不到時(shí)，你通常采取什么方法立即找到，為什么？答：我通常使用的方法是隨機(jī)位置的快速移動(dòng)鼠標(biāo)，這是屏幕上有圖像變化的位置就是鼠標(biāo)的光標(biāo)位置。因?yàn)槲覀兊囊曈X(jué)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)十分的敏感。鼠標(biāo)的光標(biāo)在不動(dòng)的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)視覺(jué)盲點(diǎn)，我們看不到鼠標(biāo)的光標(biāo)是因?yàn)樗幱谖覀兊囊曈X(jué)盲點(diǎn)中，當(dāng)我們隨機(jī)快速移動(dòng)鼠標(biāo)時(shí)，它在屏幕上移動(dòng)，我們的眼睛就會(huì)自己過(guò)濾掉那些不懂的圖像，而集中注意力與移動(dòng)的圖像，消除了鼠標(biāo)的光標(biāo)的視覺(jué)盲點(diǎn)，我們就找到了鼠標(biāo)的光標(biāo)了。人們已提出了許多種理論來(lái)解釋對(duì)運(yùn)動(dòng)的感知。目前最廣為接受的理論之一與兩個(gè)因素有關(guān)：1、在視覺(jué)系統(tǒng)中存在著運(yùn)動(dòng)檢測(cè)器，它們能記錄影響視網(wǎng)膜中相鄰點(diǎn)的信號(hào)。2、是對(duì)人類(lèi)自身運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，它防止了將人體或人眼的運(yùn)動(dòng)歸于景物的運(yùn)動(dòng)。如同在所有的光學(xué)現(xiàn)象中，運(yùn)動(dòng)也只能在一定條件或限度內(nèi)被感知到。如果把一個(gè)運(yùn)動(dòng)得非常慢的視覺(jué)可感知的邊緣投影到視網(wǎng)膜上，它將不會(huì)被認(rèn)為是運(yùn)動(dòng)的〔盡管它有可能在其后被發(fā)現(xiàn)已經(jīng)運(yùn)動(dòng)過(guò)了〕。如果這個(gè)視覺(jué)邊緣運(yùn)動(dòng)的非?？?，他將被認(rèn)為是模糊的。運(yùn)動(dòng)速度的上下限是一下變量的函數(shù)：〔1〕物體的尺寸大尺寸的物體需要多運(yùn)動(dòng)一些才能被看作是運(yùn)動(dòng)的?！?〕亮度和反差它們?cè)酱?，運(yùn)動(dòng)越被感知得明顯?！?〕環(huán)境運(yùn)動(dòng)的感知有一定的相對(duì)性，如果有固定的參考點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)就容易感知到。B局部〔選擇第六題〕問(wèn)：什么是輪廓？輪廓和區(qū)域有什么關(guān)系？一個(gè)非封閉輪廓表示什么？答：把邊緣連接起來(lái)就成為輪廓(contour)。輪廓可以是斷開(kāi)的，也可以是封閉的。封閉輪廓對(duì)應(yīng)于區(qū)域的邊界，而區(qū)域內(nèi)的像素可以通過(guò)填充算法來(lái)填滿(mǎn)。斷開(kāi)的輪廓可能是區(qū)域邊界的一局部，也可能是圖像線(xiàn)條特征，如手寫(xiě)體筆畫(huà)、圖畫(huà)中的線(xiàn)條等。區(qū)域之間的比照度太弱或邊緣檢測(cè)閾值設(shè)置太高都有可能產(chǎn)生間斷的輪廓。輪廓可以用邊緣序列表或曲線(xiàn)來(lái)表示。曲線(xiàn)通常稱(chēng)為輪廓的數(shù)學(xué)模型。曲線(xiàn)表示包括線(xiàn)段、二次曲線(xiàn)、三次樣條曲線(xiàn)等．下面是幾種輪廓表示的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：高效：輪廓應(yīng)該是一種簡(jiǎn)單和緊湊的表示。精確：輪廓應(yīng)能精確地逼近圖像特征。有效：輪廓應(yīng)適合于后處理階段的計(jì)算。輪廓表示的精確性由以下三個(gè)方面因素決定：①用于輪廓建模的曲線(xiàn)形式；②曲線(xiàn)擬合算法的性能；③邊緣位置估計(jì)的精確度。輪廓的最簡(jiǎn)單表示形式是邊緣有序表。這種表示的精確度就是邊緣估計(jì)的精確度，但其表示的緊湊性是最差的，因此不是一種有效的后續(xù)圖像分析表示方法。用適當(dāng)?shù)那€(xiàn)模型來(lái)擬合邊緣會(huì)提高精確度，這是因?yàn)榍€(xiàn)模型擬合邊緣時(shí)往往具有均值化效應(yīng)，因而可以減少邊緣位置誤差。曲線(xiàn)模型也會(huì)提高輪廓表示的經(jīng)濟(jì)性，為后處理提供了一種更適合、更緊湊的表示，例如，一條直線(xiàn)上的邊緣集用一直線(xiàn)來(lái)擬合是表示這些邊緣的最簡(jiǎn)單和最有效的方法，這一表示也簡(jiǎn)化了后續(xù)處理〔如確定線(xiàn)的長(zhǎng)度和方向〕；另外，由于估計(jì)直線(xiàn)與真實(shí)直線(xiàn)的均值方差小于真實(shí)直線(xiàn)與任何其它邊緣之間的均值方差，因此可以說(shuō)這種表示也增加了精確度。輪廓曲線(xiàn)擬合通常采用內(nèi)插曲線(xiàn)或逼近曲線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一組稱(chēng)為控制點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)，內(nèi)插是指一條曲線(xiàn)擬合這組控制點(diǎn)，使得曲線(xiàn)通過(guò)所有的控制點(diǎn)；逼近是指一條曲線(xiàn)擬合這組這組控制點(diǎn)，使得這條曲線(xiàn)非常接近這些控制點(diǎn)而無(wú)需一定通過(guò)這些點(diǎn)。在下面幾節(jié)中，假定由邊緣檢測(cè)器得到的邊緣十分準(zhǔn)確，并使用內(nèi)插值方法進(jìn)行邊緣曲線(xiàn)擬合。邊緣表是邊緣點(diǎn)或邊緣段的有序集合。輪廓是邊緣表或用于表示邊緣表的曲線(xiàn)。邊界是包圍一個(gè)區(qū)域的封閉輪廓。在無(wú)特別說(shuō)明的情況下，邊緣通常是指邊緣點(diǎn)。對(duì)大多數(shù)曲線(xiàn)擬合算法來(lái)說(shuō)，只需要邊緣的位置信息。在很少的幾種情況下，即需要邊緣位置信息，也需要方向角信息，此時(shí)的邊緣是指邊緣段。C局部〔選擇第十題〕問(wèn)：請(qǐng)說(shuō)明拉普拉斯-高斯算法〔LoG算法〕是如何實(shí)現(xiàn)平滑、增強(qiáng)、檢測(cè)三項(xiàng)功能的。答：由于Laplace算子對(duì)噪聲比較敏感，為克服一些缺點(diǎn)，Marr和Hildreth提出了Log邊緣檢測(cè)算法，先用一個(gè)平滑濾波器對(duì)圖像進(jìn)行低通