機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)重要分支，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、信號(hào)處理、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)域。自起步發(fā)展至今，已經(jīng)有20多年的歷史，其功能以及應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中特別是目前的數(shù)字圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機(jī)、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，大大地推動(dòng)了機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展。

簡(jiǎn)而言之，機(jī)器視覺(jué)就是利用機(jī)器代替人眼來(lái)作各種測(cè)量和判斷。在生產(chǎn)線上，人來(lái)做此類測(cè)量和判斷會(huì)因疲勞、個(gè)人之間的差異等產(chǎn)生誤差和錯(cuò)誤，但是機(jī)器卻會(huì)不知疲倦地、穩(wěn)定地進(jìn)行下去。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對(duì)于每一個(gè)應(yīng)用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運(yùn)行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機(jī)、檢測(cè)目標(biāo)的尺寸還是檢測(cè)目標(biāo)有無(wú)缺陷、視場(chǎng)需要多大、分辨率需要多高、對(duì)比度需要多大等。從功能上來(lái)看，典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分。

一個(gè)完整的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的主要工作過(guò)程如下：

1、工件定位檢測(cè)器探測(cè)到物體已經(jīng)運(yùn)動(dòng)至接近攝像系統(tǒng)的視野中心，向圖像采集部分發(fā)送觸發(fā)脈沖。

2、圖像采集部分按照事先設(shè)定的程序和延時(shí)，分別向攝像機(jī)和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)脈沖。

3、攝像機(jī)停止目前的掃描，重新開(kāi)始新的一幀掃描，或者攝像機(jī)在啟動(dòng)脈沖來(lái)到之前處于等待狀態(tài)，啟動(dòng)脈沖到來(lái)后啟動(dòng)一幀掃描。

4、攝像機(jī)開(kāi)始新的一幀掃描之前打開(kāi)曝光機(jī)構(gòu)，曝光時(shí)間可以事先設(shè)定。

5、另一個(gè)啟動(dòng)脈沖打開(kāi)燈光照明，燈光的開(kāi)啟時(shí)間應(yīng)該與攝像機(jī)的曝光時(shí)間匹配。

6、攝像機(jī)曝光后，正式開(kāi)始一幀圖像的掃描和輸出。

7、圖像采集部分接收模擬視頻信號(hào)通過(guò)A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機(jī)數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。

8、圖像采集部分將數(shù)字圖像存放在處理器或計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。

9、處理器對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析、識(shí)別，獲得測(cè)量結(jié)果或邏輯控制值。

10、處理結(jié)果控制流水線的動(dòng)作、進(jìn)行定位、糾正運(yùn)動(dòng)的誤差等。

從上述的工作流程可以看出，機(jī)器視覺(jué)是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象都是運(yùn)動(dòng)物體，系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)物體的匹配和協(xié)調(diào)動(dòng)作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動(dòng)作時(shí)間和處理速度帶來(lái)了嚴(yán)格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機(jī)器人、飛行物體導(dǎo)制等，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會(huì)有嚴(yán)格的要求。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：

1、非接觸測(cè)量，對(duì)于觀測(cè)者與被觀測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

2、具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見(jiàn)的紅外測(cè)量，擴(kuò)展了人眼的視覺(jué)范圍。

3、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，人類難以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行觀察，而機(jī)器視覺(jué)則可以長(zhǎng)時(shí)間地作測(cè)量、分析和識(shí)別任務(wù)。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂(lè)等等行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，可以說(shuō)已經(jīng)深入到我們的生活、生產(chǎn)和工作的方方面面。

在使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的具體應(yīng)用環(huán)境中，會(huì)有持續(xù)進(jìn)料的應(yīng)用，或者間歇進(jìn)料的應(yīng)用，即目標(biāo)物會(huì)停止一段時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)。這時(shí)就需要知道檢測(cè)目標(biāo)物的速度能達(dá)到多快、目標(biāo)物的數(shù)量以及每分鐘進(jìn)行檢測(cè)的最大數(shù)量，這些數(shù)據(jù)可以根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)的處理速度進(jìn)行計(jì)算。

其計(jì)算方法如下：

每分鐘檢測(cè)的最大數(shù)量=60(sec.)÷視覺(jué)系統(tǒng)的處理速度(sec.)

例如：如果視覺(jué)系統(tǒng)的處理速度是20ms，

那么每分鐘檢測(cè)的最大數(shù)量=60sec.÷0.02sec.=3000TImes/min.(=50TImes/sec.)

但是實(shí)際處理速度根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)的相機(jī)類型和檢測(cè)設(shè)置會(huì)有所不同。雖然大多數(shù)簡(jiǎn)單的應(yīng)用能以20ms的速度運(yùn)行，在具體應(yīng)用中最好還是用實(shí)際目標(biāo)物測(cè)試一下檢測(cè)的情況。

如果在具體應(yīng)用中對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)的處理速度有一定要求，可用以下計(jì)算方法獲得：

視覺(jué)系統(tǒng)被要求的處理速度(ms)=1(sec.)÷要求的檢測(cè)次數(shù)(TImes/sec.)x1000

同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，被檢測(cè)目標(biāo)物在相機(jī)的視野范圍內(nèi)持續(xù)移動(dòng)時(shí)，還需要考慮相機(jī)快門的速度，否則會(huì)出現(xiàn)模糊不清的圖像，無(wú)法達(dá)到檢測(cè)要求。例如，相機(jī)在持續(xù)移動(dòng)的生產(chǎn)線上捕捉電子部件的圖像時(shí)，如果快門速度(曝光時(shí)間)對(duì)于生產(chǎn)線速度來(lái)說(shuō)不夠快，圖像就會(huì)模糊。為了防止模糊，快門速度需要進(jìn)行設(shè)置，使得相機(jī)捕捉圖像時(shí)，物體移動(dòng)速度不超過(guò)1/10的要求容差值。如下圖所示，目標(biāo)物在相機(jī)的視野范圍內(nèi)持續(xù)移動(dòng)。

高速快門圖像低速快門圖像

相機(jī)快門速度計(jì)算方法：

快門速度=要求容差[mm]÷生產(chǎn)線速度[mm/sec.]

例)檢測(cè)容差=0.2mm

生產(chǎn)線速度=200mm/sec.

快門速度=0.2mm÷10÷200mm/sec.=1/10000

因此此項(xiàng)應(yīng)用中理想的快門速度要快于1/10000。

如果視覺(jué)系統(tǒng)的處理速度較快，在高速生產(chǎn)線上進(jìn)行檢測(cè)就一定可行。那么，典型的尺寸檢測(cè)處理時(shí)間需要多久呢?此檢測(cè)時(shí)間根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)的處理能力以及針對(duì)個(gè)別應(yīng)用的設(shè)置會(huì)有很大的差異，下表提供了捕捉和處理圖像所需時(shí)間(參考值)的估計(jì)底線，用戶可根據(jù)自己的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行參考使用。

瑕疵檢測(cè)、污垢檢測(cè)或芯片檢測(cè)都是非常典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)的應(yīng)用方式。根據(jù)工件和生產(chǎn)線的狀況不同，每種檢測(cè)都需要不同的功能。本文對(duì)機(jī)器視覺(jué)污點(diǎn)檢測(cè)工具的原理及使用方法做以簡(jiǎn)介。

1、區(qū)段

視覺(jué)系統(tǒng)透過(guò)CCD圖像傳感器將強(qiáng)度資料的變化檢測(cè)為污點(diǎn)或邊緣。但是，逐個(gè)處理像素需要花費(fèi)大量的時(shí)間，并且噪聲會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，視覺(jué)系統(tǒng)使用由數(shù)個(gè)像素組成的小區(qū)域的平均強(qiáng)度，該小區(qū)域被稱為“區(qū)段”，并透過(guò)比較這些區(qū)段的平均強(qiáng)度來(lái)檢測(cè)污點(diǎn)。

如上圖中所示將區(qū)段(4x4像素)的平均強(qiáng)度與周邊地區(qū)的平均強(qiáng)度作比較，圖中的紅色區(qū)段被檢測(cè)出污點(diǎn)。

2、污點(diǎn)檢測(cè)工具的算法(區(qū)段的比較和計(jì)算方式)

檢測(cè)原理：

(1)將X方向指定為檢測(cè)方向時(shí)：

污點(diǎn)檢測(cè)工具測(cè)量指定區(qū)域(區(qū)段)的平均強(qiáng)度，并以四分之一個(gè)區(qū)段為間距改變區(qū)段位置。

它可確定四個(gè)區(qū)段中的最大和最小強(qiáng)度之間的差值，其中包括標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段(下圖中的①95)。該差值被視為標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段的污點(diǎn)等級(jí)。

當(dāng)污點(diǎn)等級(jí)超過(guò)當(dāng)前閾值時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段被視為污點(diǎn)。被測(cè)區(qū)域中超過(guò)預(yù)設(shè)閾值的次數(shù)被稱為“污點(diǎn)范圍”。該過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，從而不斷改變標(biāo)準(zhǔn)區(qū)段在被測(cè)區(qū)域中的位置。

在圓形工件上檢測(cè)污點(diǎn)的原理

PET瓶、軸承或O型圈等多種圓形工件需要對(duì)圓形區(qū)域進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)。當(dāng)搜索圓形區(qū)域時(shí)，程序同時(shí)執(zhí)行極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。為了檢測(cè)污點(diǎn)，它將圓形窗口(檢測(cè)區(qū)段)轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)方形，并在圓形方向和半徑方向上比較區(qū)段的強(qiáng)度。

機(jī)器視覺(jué)劃痕檢測(cè)的基本分析過(guò)程分為兩步：首先，確定檢測(cè)產(chǎn)品表面是否有劃痕，其次，在確定被分析圖像上存在劃痕之后，對(duì)劃痕進(jìn)行提取。

劃痕檢測(cè)是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的問(wèn)題，在工業(yè)中許多設(shè)備的零部件都是在高溫、高壓的環(huán)境中工作的，所受載荷復(fù)雜，使用環(huán)境惡劣，故障率高，造成的后果也非常嚴(yán)重，因此，對(duì)相關(guān)部件的缺陷、疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展進(jìn)行視覺(jué)檢測(cè)就顯得尤為重要。

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