機(jī)器人視覺系統(tǒng)

機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗(yàn)、生產(chǎn)監(jiān)視及零件識別應(yīng)用，例如零配件批量加工的尺寸檢查，自動裝配的完整性檢查，電子裝配線的元件自動定位，IC上的字符識別等。通常人眼無法連續(xù)、穩(wěn)定地完成這些帶有高度重復(fù)性和智能性的工作，其它物理量傳感器也難有用武之地。由此人們開始考慮利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像，而后經(jīng)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進(jìn)行數(shù)字化處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。這樣，就把計(jì)算機(jī)的快速性、可重復(fù)性，與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機(jī)器視覺的概念。一個(gè)成功的機(jī)器視覺系統(tǒng)是一個(gè)經(jīng)過細(xì)致工程處理來滿足一系列明確要求的系統(tǒng)。當(dāng)這些要求完全確定后，這個(gè)系統(tǒng)就設(shè)計(jì)并建立來滿足這些精確的要求。機(jī)器視覺的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾點(diǎn)：■精度高作為一個(gè)精確的測量儀器，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的視覺系統(tǒng)能夠?qū)σ磺€(gè)或更多部件的一個(gè)進(jìn)行空間測量。因?yàn)榇朔N測量不需要接觸，所以對脆弱部件沒有磨損和危險(xiǎn)?！鲞B續(xù)性視覺系統(tǒng)可以使人們免受疲勞之苦。因?yàn)闆]有人工操作者，也就沒有了人為造成的操作變化。多個(gè)系統(tǒng)可以設(shè)定單獨(dú)運(yùn)行?！龀杀拘矢唠S著計(jì)算機(jī)處理器價(jià)格的急劇下降，機(jī)器視覺系統(tǒng)成本效率也變得越來越高。一個(gè)價(jià)值10000美元的視覺系統(tǒng)可以輕松取代三個(gè)人工探測者，而每個(gè)探測者每年需要20000美元的工資。另外，視覺系統(tǒng)的操作和維持費(fèi)用非常低?！鲮`活性視覺系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種不同的測量。當(dāng)應(yīng)用變化以后，只需軟件做相應(yīng)變化或者升級以適應(yīng)新的需求即可。許多應(yīng)用滿意過程控制（SPC）的公司正在考慮應(yīng)用機(jī)隨著使用時(shí)間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實(shí)用化過程中急需要解決的問題。另一個(gè)方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護(hù)屏的方法，減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問題，在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對于某些要求高的檢測任務(wù)，常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。由光源構(gòu)成的照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向照明是被測物放在光源和相機(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對比度的圖像；前向照明是光源和相機(jī)位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝；結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測物的三維信息；頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，要求相機(jī)的掃描速度與光源的頻閃速度同步?！龉鈱W(xué)系統(tǒng)對于機(jī)器視覺系統(tǒng)來說,圖像是唯一的信息來源，而圖像的質(zhì)量是由光學(xué)系統(tǒng)的恰當(dāng)選擇來決定。通常，由于圖像質(zhì)量差引起的誤差不能用軟件糾正。機(jī)器視覺技術(shù)把光學(xué)部件和成像電子結(jié)合在一起，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來分辨、測量、分類和探測正在通過自動處理系統(tǒng)的部件。機(jī)器視覺系統(tǒng)通常能快到100%的探測所處理的產(chǎn)品而不會降低生產(chǎn)線的速度。由于越來越多的制造商正需要“6-sigma“（小于百萬分之三的有效單位）結(jié)果，以便能夠在當(dāng)今質(zhì)量意識很強(qiáng)的市場中更有競爭力，這種能力顯得非常重要。另外，這些系統(tǒng)能夠與滿意過程控制（SPC）非常理想的配合。光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)與圖像傳感器的光敏面的格式有關(guān)，一般包括：光圈、視場、焦距、F數(shù)等?！鱿鄼C(jī)相機(jī)是實(shí)際上是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置，即將圖像傳感器所接收到的光學(xué)圖像，轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能處理的電信號。光電轉(zhuǎn)換器件是構(gòu)成相機(jī)的核心器件。目前，典型的光電轉(zhuǎn)換器件為真空攝像管、CCD、CMOS圖像傳感器等。真空電視攝像管由密封在玻璃管罩內(nèi)的攝像靶、電子槍兩部分組成。攝像靶將輸入光學(xué)圖像的光照度分布轉(zhuǎn)換為靶面相應(yīng)象素電荷的二維空間分布，主要完成光電轉(zhuǎn)換和電荷存貯任務(wù)；電子槍則完成圖像信號的掃描拾取過程。電視攝像管型成像系統(tǒng)具有高清晰度、高靈敏度、寬光譜和高幀速成像等特點(diǎn)。但由于電視攝像管屬于真空管器件，其重量、體積及功耗均較大。CCD是目前機(jī)器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機(jī)由光學(xué)鏡頭、時(shí)序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。下圖為CCD相機(jī)的原理框圖。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初。90年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部象素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動態(tài)范圍和輸出圖像幾乎無拖影等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。圖像的處理和分析在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，相機(jī)的主要功能光敏元所接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電壓的幅值信號輸出。若要得到被計(jì)算機(jī)處理與識別的數(shù)字信號，還需對視頻信息進(jìn)行量化處理。圖像采集卡是進(jìn)行視頻信息量化處理的重要工具?！鰣D像采集／處理卡圖像采集卡主要完成對模擬視頻信號的數(shù)字化過程。視頻信號首先經(jīng)低通濾波器濾波，轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上連續(xù)的模擬信號；按照應(yīng)用系統(tǒng)對圖像分辨率的要求，得用采樣/保持電路對邊疆的視頻信號在時(shí)間上進(jìn)行間隔采樣，把視頻信號轉(zhuǎn)換為離散的模擬信號；然后再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出。而圖像采集／處理卡在具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的同時(shí)，還具有對視頻圖像分析、處理功能，并同時(shí)可對相機(jī)進(jìn)行有效的控制?！鰣D像處理處理軟件機(jī)器視覺系統(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、圖像識別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行分析、處理和識別。機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備精密控制、智能化、自動化有有效途徑，堪稱現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的“機(jī)器眼睛”。其最大優(yōu)點(diǎn)為：（１）實(shí)現(xiàn)非接觸測量。對觀測與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，從而提高了系統(tǒng)的可靠性；（２）具有較寬的光譜響應(yīng)范圍。機(jī)器視覺則可以利用專用的光敏元件，可以觀察到人類無法看到的世界，從而擴(kuò)展了人類的視覺范圍。（３）長時(shí)間工作。人類難以長時(shí)間地對同一對象進(jìn)行觀察。機(jī)器視覺系統(tǒng)則可以長時(shí)間地執(zhí)行觀測、分析與識別任務(wù),并可應(yīng)用于惡劣的工作環(huán)境。機(jī)器人視覺目前存在的主要問題：1.如何準(zhǔn)確、高速（實(shí)時(shí)）地識別出目標(biāo)。2.如何有效地構(gòu)造和組織出可靠的識別算法，并且順利地實(shí)現(xiàn)。這期待著高速的陣列處理單元，以及算法（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波變換等算法）的新突破，這樣就可以用極少的計(jì)算量高度地并行實(shí)現(xiàn)功能。3.實(shí)時(shí)性是一個(gè)難以解決的重要問題。圖像采集速度較低以及圖像處理需要較長時(shí)間給系統(tǒng)帶來明顯的時(shí)滯，此外視覺信息的引入也明顯增大了系統(tǒng)的計(jì)算量，例如計(jì)算圖像雅可比矩陣、估計(jì)深度信息等等。圖像處理速度是影響視覺系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要瓶頸之一。4.穩(wěn)定性是所有控制系統(tǒng)首先考慮的問題，對于視覺控制系統(tǒng)，無論是基于位置、基于圖像或者混合的視覺伺服方法都面臨著如下問題：當(dāng)初始點(diǎn)遠(yuǎn)離目標(biāo)點(diǎn)時(shí)，如何保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即增大穩(wěn)定區(qū)域和保證全局收斂；為了避免伺服失敗，如何保證特征點(diǎn)始終處在視場內(nèi)。機(jī)器人視覺應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究的問題：1.圖像特征的選擇問題。視覺伺服的性能密切依賴于所用的圖像特征，特征的選擇不僅要考慮識別的指標(biāo)，還要考慮控制指標(biāo)。從控制的觀點(diǎn)看，用冗余特征可抑制噪聲的影響，提高視覺伺服的性能，但又會給圖像處理增加難度。因此如何選擇性能最優(yōu)的特征，如何處理特征以及如何評價(jià)特征，都是需要進(jìn)一步研究的問題。針對任務(wù)有時(shí)可能需要從一套特征切換到另一套，可以考慮把全局特征與局部特征結(jié)合起來。2.結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺及圖像處理的研究成果，建立機(jī)器人視覺系統(tǒng)的專用軟件庫。3.加強(qiáng)系統(tǒng)的動態(tài)性能研究。目前的研究多集中于根據(jù)圖像信息確定期望的機(jī)器人運(yùn)動這一環(huán)節(jié)上，而對整個(gè)視覺伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能缺乏研究。4.利用智能技術(shù)的成果。5.利用主動視覺的成果。主動視覺是當(dāng)今計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器人視覺研究領(lǐng)域中的一個(gè)熱門課題。它強(qiáng)調(diào)的是視覺系統(tǒng)與其所處環(huán)境之間的交互作用能力。與傳統(tǒng)的通用視覺不同，主動視覺強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)，一是認(rèn)為視覺系統(tǒng)應(yīng)具有主動感知的能力，二是認(rèn)為視覺系統(tǒng)應(yīng)基于一定的任務(wù)（TaskDirected）或目的，主動視覺認(rèn)為在視覺信息獲取過程中，應(yīng)更主動地調(diào)整攝像機(jī)的參數(shù)，如方向、焦距、孔徑等并能使攝像機(jī)迅速對準(zhǔn)感興趣的物體。更一般地，它強(qiáng)調(diào)注視機(jī)制，強(qiáng)調(diào)對分布于不同空間范圍和時(shí)間段上的信號采用不同的分辨率有選擇性地感知，這種主動感知既可在硬件層上通過攝像機(jī)物理參數(shù)的調(diào)