1引言

機器視覺技術作為計算機科學的一個重要分支，在最近30年中有迅猛的發(fā)展。其應用領域遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學研究、軍事等，對這些領域自動化水平的提高發(fā)揮了重要作用。機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺;同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎技術。

虛擬儀器技術通過軟件將通用計算機與硬件結(jié)合起來構成測試或測控系統(tǒng)，用戶可以通過友好的虛擬前面版操作這臺計算機，就如同在操作一臺自己定義、自己設計的單個傳統(tǒng)儀器一樣。

將虛擬儀器技術與機器視覺技術結(jié)合起來，就可以為用戶定制完全基于pc的機器視覺系統(tǒng)。這樣不僅可以減少用戶的投資，而且還可以開發(fā)出自動化程度和可靠性高的系統(tǒng)。因此將虛擬儀器和機器視覺結(jié)合起來，可以使各自的優(yōu)勢得到充分發(fā)揮，縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的可靠性和性能價格比。

2機器視覺與虛擬儀器

機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分cmos和ccd兩種）將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號;圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設備動作。

機器視覺系統(tǒng)的輸入裝置可以是攝像機、轉(zhuǎn)鼓等，它們都把三維的影像作為輸入源，即輸入計算機的就是三維客觀世界的二維投影。如果把三維客觀世界到二維投影像看作是一種正變換的話，則機器視覺系統(tǒng)所要做的是從這種二維投影圖像到三維客觀世界的逆變換，也就是根據(jù)這種二維投影圖像去重建三維的客觀世界。

機器視覺系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。

虛擬儀器通過應用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與儀器硬件結(jié)合起來，用戶可以通過友好的圖形界面操作這臺計算機，就如同在操作一臺自己定義、自己設計的單個傳統(tǒng)儀器一樣。虛擬儀器以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測量、控制能力結(jié)合在一起，通過軟件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的分析處理、表達以及圖形化用戶接口。

3系統(tǒng)軟硬件組成

虛擬儀器視覺系統(tǒng)由光源、ccd攝像頭、圖像采集卡、pc機等組成。

在機器視覺應用系統(tǒng)中，好的光源與照明方案往往是整個系統(tǒng)成敗的關鍵，起著非常重要的作用，它并不是簡單的照亮物體而已。光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部份之間應盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加對比度，同時還應保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應該影響成像的質(zhì)量。

攝像機和圖像采集卡共同完成對物料圖像的采集與數(shù)字化。高質(zhì)量的圖像信息是系統(tǒng)正確判斷和決策的原始依據(jù)，是整個系統(tǒng)成功與否的又一關鍵所在。目前在機器視覺系統(tǒng)中，ccd攝像機以其體積小巧、性能可靠、清晰度高等優(yōu)點得到了廣泛使用。ccd將目標轉(zhuǎn)換為視頻信號并輸送到圖像采集卡，圖像采集卡對視頻信號進行解析、數(shù)字化后輸送給專用的圖像處理系統(tǒng)。圖像采集卡可以被認為是ccd與計算機的接口，在選取上應當注意以下幾點：圖像采集卡所支持的視頻制式;輸入通道路數(shù);像素時鐘;空間分辨率;支持的軟件等。

圖像處理系統(tǒng)對圖像信號施加各種運算來提取目標的特征，最后根據(jù)預先設定的條件做出決定，以控制外部的plc、電機等執(zhí)行機構的動作，同時記錄相應的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中，以便事后分析。機器視覺系統(tǒng)構成框圖如圖1所示。

虛擬儀器的核心是軟件技術，它是由系統(tǒng)開發(fā)平臺、應用軟件包、設備驅(qū)動程序三部分組成的。為了在達到性能要求的同時做到成本最低，選擇了labview作為本系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺，利用它可以快速地生成顯示、分析和控制的圖形化用戶界面，更重要的是labview提供了高水平的機器視覺和圖像處理軟件包imaqvision。利用labview提供的這些功能，根據(jù)實際情況可完成質(zhì)量檢測機器視覺系統(tǒng)所要求的功能。

imaqvision包含一系列mmx優(yōu)化函數(shù)，提供了大量科研和工程中常用的圖像采集和處理功能，例如各種類型的濾波、統(tǒng)計、幾何變換和圖像顯示的功能，還有二值圖像處理、模型匹配、邊緣檢測、斑點分析和測量等功能。imaqvision易學易用，可以極大地縮短開發(fā)程序的費用和時間。

4圖像處理

機器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強、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。圖像處理將一幅圖像變成另一幅改進后的圖像，實質(zhì)上就是將數(shù)字圖像的灰度值分布作某種變換，使圖像中受關注部分的信息更加突出，并且去除冗余信息，以使其適應于某種特殊的要求。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。

由于數(shù)字圖像中不僅包含被測物體的信息，而且存在背景噪聲的干擾。需要經(jīng)過數(shù)字圖像處理以達到提取目標特征量的目的。經(jīng)過圖像的數(shù)字化處理，圖像已不是與原物完全一致的圖像，它包含的信息量遠比原物少，但是保留了物體有用的信息，去掉了不必要的干擾。這時的圖像僅存所需要的信息并已很清晰，經(jīng)過數(shù)字圖像分析，可以從中抽取出物體的特征信息。機器視覺圖像處理流程框圖如圖2所示。

圖2機器視覺圖像處理流程框圖

圖像預處理對采集到的圖像進行濾波除噪，主要采用中值濾波算法降低噪聲，因為中值濾波具有抑制圖像噪音并保持輪廓清晰的特點。對濾波去噪后的圖像進行銳化，銳化算法采用二階差分法。再對銳化后的圖像進行對比度增強，對比度增強算法采用直方圖均衡化。經(jīng)過預處理的圖像，可視化效果得到改善，利于進行圖像分割。

圖像分割模塊將預處理后的圖像，進行目標與背景分離，以便于對目標的處理，提高運算速度。特征圖像保持了場景的有用信息減少了冗余的數(shù)據(jù)?？梢杂泻芏嗨惴?，圖像二值化算法簡單，速度快，符合圖像處理系統(tǒng)實時性特點，所以采用圖像二值化分割。這種方式的分割，主要問題是如何確定閾值（灰度門限）。根據(jù)實際情況，可以采用自適應門限法來確定閾值。

圖像的平滑圖像平滑處理技術即圖像的去噪聲處理，主要是為了去除實際成像過程中因成像設備和環(huán)境所造成的圖像失真，提取有用信息。眾所周知，實際獲得的圖像在形成、傳輸、接收和處理的過程中，不可避免地存在著外部干擾和內(nèi)部干擾，如光電轉(zhuǎn)換過程中敏感元件靈敏度的不均勻性、數(shù)字化過程的量化噪聲、傳輸過程中的誤差以及人為因素等，均會使圖像變質(zhì)。因此，去除噪聲，恢復原始圖像是圖像處理中的一個重要內(nèi)容。圖像濾波效果比較如圖3所示。

圖3圖像濾波效果比較

邊緣銳化圖像邊緣銳化處理主要是加強圖像中的輪廓邊緣和細節(jié)，形成完整的物體邊界，達到將物體從圖像中分離出來或?qū)⒈硎就晃矬w表面的區(qū)域檢測出來的目的。它是早期視覺理論和算法中的基本問題，也是中期和后期視覺成敗的重要因素之一。

5結(jié)束語

將機器視覺和虛擬儀器結(jié)合起來進行機器視覺開發(fā)的開發(fā)方法可總結(jié)為以下幾點：

首先，應當考慮進行視覺系統(tǒng)開發(fā)時硬件開發(fā)平臺的變化。將虛擬儀器與機器視覺相結(jié)合，對機器視覺系統(tǒng)開發(fā)最直接的影響就是開發(fā)的硬件平臺從傳統(tǒng)的專用硬件平臺轉(zhuǎn)化為基于pc的開發(fā)。所以，基于虛擬儀器開發(fā)機器視覺系統(tǒng)，首先要考慮機器視覺應用基于pc開發(fā)是否可以滿足用戶對系統(tǒng)的需求，進而在制定解決方案。

其次，結(jié)合虛擬儀器和機器視覺各自的特長進行設計。將虛擬儀器和機器視覺系統(tǒng)結(jié)合起來開發(fā)機器視覺系統(tǒng)，其目的之一就是為了將它們各自的優(yōu)點聯(lián)系在一起，使系統(tǒng)有更高的靈活性和可靠性，所以在設計時應當根據(jù)系統(tǒng)的虛擬儀器和機器視覺各自的特長，使用虛擬儀器來實現(xiàn)測量與運動控制、用戶界面設計等頂層的工作，而系統(tǒng)的設計、底層的算法、以及相關硬件的選取應當在機器視覺理論的指導下進行。

最后，將虛擬儀器與機器視覺系統(tǒng)結(jié)合起來開發(fā)機器視覺系統(tǒng)，可以先按照機器視覺系統(tǒng)的邏輯結(jié)構，對整個系統(tǒng)進行劃分，完成每一部分的設計，最后再將各部分進行整合。

總之，將虛擬儀器與機器視覺相結(jié)合來開發(fā)機器視覺系統(tǒng)，只要注意系統(tǒng)硬件平臺的變化、虛擬儀器和機器視覺各自的優(yōu)點以及機器視覺系統(tǒng)的邏輯結(jié)構，就可以使系統(tǒng)結(jié)構清晰明確、各部分重用性高性價比好。