aoi机器视觉系统的设计

aoi机器视觉系统的设计

　　视觉在人类观察和认知世界的过程中扮演极为重要的角色. 据统计人类从外部世界获取的信息约有80 %来自视觉器官. 赋予计算机或机器以人类的视觉功能是40 多年来科技工作者研究的热点,目前已经形成一门发展迅速的新兴学科,它可以代替人眼对目标进行识别、跟踪测量和检验以及机器人导航等方面的工作[122 ] . 但是对于不同用户的非专业性、模糊性需求,硬件的选择以及软件的复杂性等多种因素的困扰,如何组建一个成功的机器视觉系统显得尤为重要[3 ] . 本文从机器视觉系统的基本组成单元,较为详细指出系统设计过程中一些关键问题,便于从事机器视觉行业的人员参考.
 
　　一；机器视觉系统概述
 
　　1. 1 　基本概念与组成机器视觉技术涉及数字图像处理技术、模式识别、自动控制、光源和光学成像知识、模拟与数字视频技术、计算机软硬件和人机接口等多学科理论和技术,因此很难给出一个准确的定义. 美国制造工程师协会( SME , Society of Manufacturing Engineers)机器视觉分会和美国机器人工业协会(RIA ,RoboticIndust ries Association) 的自动化视觉分会对机器视觉的定义:“机器视觉是通过光学的、非接触的传感器自动地获取和解释处理一个真实物体的图像,以获取所需信息或用于控制机器运动或过程”.
 
　　机器视觉主要研究利用计算机来模拟人的视觉功能,采用一个或多个摄像机抓拍客观事物的实际图像,经过数字化等一系列处理提取需要的特征信息,然后加以理解并通过逻辑运算最终实现工业生产和科学研究中的检测、测量和控制等功能. 一个典型的机器视觉应用系统包括光源、光学镜头、摄像机、图像采集卡、图像处理系统(或平台) 、机器视觉软件模块、输入输出和控制执行模块等部件,如图1 1. 光源;2. 光学镜头;3. 摄像机;4. 图像采集卡;5. 图像处理系统(含图像处理软件) ; 6. 显示器;7 ,8. 输入输出和控制执行机构;9. 被测目标;10. 光源用电源. 所示,在设计不同功能的机器视觉系统时,各部件的主要性能指标是什么、该如何配置才能达到用户的要求,是系统设计的关键[425 ] .
 
　　1. 2 　高质量图像的评判标准图像质量的好坏是机器视觉系统的关键所在,一般来说,一幅高质量的图像应该满足下列条件:
 
　　(1) 被测目标的特征部位充满视场,这需要通过选择合适的镜头、工作距离、光源和摄像机配合实现,从而可达到最大限度地利用系统的分辨率;(2) 对比度合适,即灰度级的最大值接近255 ,而最小值靠近0 ,使图像不失真;(3) 焦距准确,目标成像清楚,切忌图像轮廓重叠造成图像模糊;(4) 图像畸变小或无畸变,在精确测量系统中这一点尤为重要.
 
　　二；用户需求分析明确用户实际检测需求是机器视觉系统设计最为重要的第一步,这往往决定了一个机器视觉系统的成败. 因此要和用户进行深层沟通,要知道检测目标物的形态,包括其大小、形状、颜色和工作环境,同时确定工作距离,检测的速度快慢、测量尺寸的精度等具体要求,同时还需征询用户对输出信号的要求,合格信号的判据,对不合格产品剔除方式,是否需要报警等具体问题,只有明确了系统的需求信息,专业技术人员才有可能提出切实可行的解决方案. 建议在进行用户调查咨询时,设计一张评估表格,详细罗列用户的问题,并以适当的描述或备注作为辅助说明. 表1 就是一个用户信息的评估简表. 事实上做好用户需求的分析,就定义了机器视觉系统的场景,而衡量一个机器视觉系统的成功与否就是以其获取场景的图像质量为标准. 因此通过全面掌握用户的需求,准确地定义了场景,才是获取高质量准确图像的前提.
 
　　三；机器视觉系统的方案设计由于机器视觉系统的应用范围特别广泛,在不同的应用系统里会选用不同的组成部件,但是无论何种系统都离不开最基本的几个组成部分. 在配置机器视觉系统时,图1 中的主要部件之间要相互协调、配合才能组成一个成功的机器视觉系统. 下面讨论在选择各主要部件时应遵循的几个原则[426 ] .
 
　　3. 1 　光源光源不是简单的照亮物体而已,与照明方案的配合,以合适的方式将光线投射到被测目标上,应尽可能地突出拍摄目标的特征量部分,使需要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可能地产生明显的区别,增加足够的对比度;同时还应保证足够的整体亮度、强度等,上述因素直接影响输入数据的质量和至少30 %的实际应用效果. 好光源和照明方式的设计能够改善整个系统的分辨率,降低噪声,简化图像分析与处理的软件算法,因此在机器视觉应用系统中,好的光源与照明方案往往对整个系统起着非常重要的提升作用,是视觉图像采集中一个关键的环节. 对光源和照明系统设计的原则要求“照明均匀,避免反光”. 由于没有通用的机器视觉照明设备,所以针对每个特定的应用实例,要设计或选择相应的照明装置. 从光学角度来看,要根据目标物的不同颜色、材质以及光源的强度、方向、光谱等差异来综合考虑,突出需要的特征信息,确保采集的图像达到最佳效果.
 

　　光源的种类划分有多种形式,通常根据发光器件可分为L ED、石英灯、氙灯、高频荧光灯、白炽灯、激光和光纤光导等;按照灯的几何形状分为穹形灯、环形灯和方形灯等;而根据发出的光线特征可分为点光源、线光源和面光源等;以照射方式的角度等特性可分为发射式、透射式、同轴式、平行光、亮视场和暗视场照明等,依据表2 从所需检测目标的特性可以选择正确、合适的照明方式.
 
　　不同照明方式其使用寿命、体积大小和安装形式存在差异,实验表明不同的检测对象和要求必须采用不同的照明方式,有时采取几种方式相组合才能突出被测目标的特征部分. 最佳的照明方案和光源还需要大量的试验和专业人员的经验才能得到,甚至需要工程设计的实用性创新. 机器视觉系统光源的选择与设计应该注意下面2 条原则: 第一要选择主动照明方式,一般采用人工光源照明被测对象;第二优先选择L ED 或高频荧光灯,这是目前光源选择的趋势,特别是L ED 效率高、体积小、发热少、功耗低、寿命长、发光稳定而倍受青睐,且通过不同的组合方式可形成不同形状和照明方式的光源.
 
　　如果使用黑白摄像机红色L ED 最为合适(与CCD堪称黄金搭档) ;若彩色成像须选用白色光源. 另外为提高效果可使用滤光片或偏振片.
 
　　对用户来说,应重点考虑3 个因素:被测物体的特性,特别是被测目标部分的形状与颜色;工作距离即光源与目标之间的距离;视场大小也就是照明范围,另外光源安装空间、方向等也要考虑. 除此之外,建议用户选择技术力量雄厚的生产厂家而非产品代理商,国内厂商东冠科技、西安丰唐光电公司等,国外美国RVSI 公司和Schott 公司、日本CCS 公司.
 
　　3. 2 　镜头镜头是整个机器视觉系统与被测物体接触最近的部件,它相当于人眼的晶状体,入射光正是通过它才使得外界的景物成像到摄相机光敏面上,镜头的质量直接影响机器视觉系统的整体性能,因此合理选择并安装光学镜头是保证清晰成像同时获得正常视频信号的基础. 光学镜头的基本参数包括焦距、相对孔径和像面尺寸,其中焦距决定了成像目标在图像传感器的图像大小,相对孔径直接影响着镜头的分辨率和照度. 选择光学镜头应注意:第一要保证镜头的成像面大小要与所选择的摄像机匹配,通常在镜头的规格说明书中都应有适用于多大尺寸CCD的一项,并不是所有的镜头都可以匹配不同尺寸的CCD 摄像机,否则会出现“隧道效应”;第二根据用户需求所提出的实际工作距离或预留空间计算并确定镜头的焦距,一般可以通过下面公式进行相应的计算来确定:
 

　　(1)式中, Mi 表示放大倍数; Hi 和Ho 分别表示像高和物高, Di 和Do 分别表示像距和物距, L E 表示镜头范围, F 则是镜头焦距.
 
　　镜头的其他物理参数包括光圈、景深、视野、视角等,这几个光学概念相互关联,其中焦距越小,视角越大;最小工作距离越短,视野越大. 光圈、焦距的大小直接影响到景深,光圈越大,景深越短;焦距越大,景深也越短,反之亦然. 除此之外镜头的接口类型与摄像机安装匹配也是不能忽视的选择因素,机器视觉系统常用有F 型、C(CCTV) 型、CS 型3 种接口型式,F 型接口是通用型接口,适用于焦距大于25 mm 的镜头;而当焦距小于25 mm 时,常采用C型或CS 型接口.
 
　　一般来说选择镜头依据其成像质量的好坏,即以像差校正的优良程度来衡量,主要体现在以下几个方面:第一工作距离越近越好,它受系统的安装环境的影响;第二镜头的畸变越小越好,像差小,对于测量系统尤为重要;第三视野越大越好. 一个最简单的原则是最小工作距离约为镜头焦距的10 倍.
 
　　目前专业生产镜头的厂商有名的跨国公司,如日本佳能公司、精工公司、松下公司;美国UNIQ 公司;德国BASL ER 公司等.
 
　　3. 3 　摄像机摄像机实际上是一个光电转换装置,即将图像传感器所接收到的光学图像,转化为计算机所能处理的电信号. 光电转换器件是构成摄相机的核心器件. 目前典型光电转换器件有真空摄像管、CCD、CMOS 图像传感器等. 而工业用摄像机主要选用CCD 和CMOS. CCD 是目前机器视觉最为常用的图像传感器.
 
－－－本文转载于网络－－－