工業(yè)視覺系統(tǒng)（用于自動(dòng)檢驗(yàn)等的圖像識(shí)別機(jī)器）

正文

工業(yè)視覺系統(tǒng)

一般結(jié)構(gòu)。按照現(xiàn)有技術(shù)水平，實(shí)用工業(yè)視覺系統(tǒng)的性能遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)驗(yàn)室中的機(jī)器視覺系統(tǒng)。對(duì)工業(yè)視覺系統(tǒng)的要求是成本低、可靠性高和速度快。因此通常針對(duì)已知現(xiàn)場(chǎng)條件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，例如安排攝像機(jī)和照明之間的一定布局、對(duì)視覺對(duì)象的數(shù)目和特性加以限制等。下圖是工業(yè)視覺系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)，包括照明、攝像機(jī)、圖像預(yù)處理和數(shù)據(jù)壓縮、圖像存儲(chǔ)以及圖像解釋等部分。從攝像機(jī)來的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中以供數(shù)據(jù)壓縮和解釋使用。圖像預(yù)處理的作用是增強(qiáng)圖像和抑制噪聲。由于需要對(duì)序貫出現(xiàn)的圖像進(jìn)行快速的解釋，通常在前級(jí)設(shè)置數(shù)據(jù)壓縮裝置

照明 　在現(xiàn)代技術(shù)條件下照明部分是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵。為了使系統(tǒng)能有效地工作，人們力圖在目標(biāo)和背景之間產(chǎn)生清晰的對(duì)比。有人甚至把工業(yè)視覺系統(tǒng)稱為“受控照明計(jì)算機(jī)視覺”。照明的布局大致可分為 4種：①背光，可產(chǎn)生強(qiáng)反差，常用于二值圖像識(shí)別技術(shù)。例如，用于對(duì)傳送帶上的部件分類。②漫射頂光，適用于識(shí)別分離的部件或表面方向未知的部件，例如混裝于箱中的扁平物件。③直射頂光，它能在目標(biāo)表面穩(wěn)定時(shí)產(chǎn)生可靠的高反差圖像，適用于二值圖像識(shí)別。對(duì)表面略為粗糙的扁平部件能產(chǎn)生光亮穩(wěn)定的圖像區(qū)域。對(duì)彎曲表面或平面拋光表面可設(shè)置強(qiáng)光。④結(jié)構(gòu)光，即用激光點(diǎn)、束或網(wǎng)照明景物，用于景物三維信息的三角測(cè)量。例如，用激光束照明焊槽以測(cè)量關(guān)于焊槽位置和形狀的三維信息。

攝像 　常采用陰極射線管式或固體式攝像機(jī)獲取圖像數(shù)據(jù)。對(duì)于高精度測(cè)量可采用線掃描攝像機(jī)。固體攝像機(jī)用于工業(yè)視覺系統(tǒng)有很大優(yōu)越性，它的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、壽命長(zhǎng)和成像較穩(wěn)定等。固體攝像機(jī)在價(jià)格方面已能與真空管攝像機(jī)相匹敵。

圖像預(yù)處理 　其作用是改進(jìn)圖像質(zhì)量，以便進(jìn)行圖像識(shí)別。典型的圖像預(yù)處理有4個(gè)步驟：①陰影校正，即對(duì)景物上不均勻的照明進(jìn)行平滑補(bǔ)償。②灰度校正，即將輸入的灰度值進(jìn)行線性或非線性的變換以求改進(jìn)圖像質(zhì)量。③噪聲過濾，通常采用低（頻）通（過）運(yùn)算器抑制噪聲。④圖像增強(qiáng)，即圖像輪廓增強(qiáng)，采用高(頻)通（過）運(yùn)算器。

數(shù)據(jù)壓縮 　最簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是取圖像灰度的閾值，產(chǎn)生二值圖像。二值圖像還可進(jìn)一步壓縮。按區(qū)域壓縮和按輪廓壓縮是兩種基本的數(shù)據(jù)壓縮方法，它們既可用于二值圖像也可用于灰度圖像。但在工業(yè)視覺系統(tǒng)中，按區(qū)域壓縮的方法常用于二值圖像，按輪廓壓縮的方法則常用于灰度圖像。這是因?yàn)樵缙诘墓I(yè)視覺系統(tǒng)多采用二值圖像，所處理的部件可用整體區(qū)域特征加以識(shí)別，而從灰度圖像獲取可靠的區(qū)域型特征則比較困難。二值圖像按區(qū)域的壓縮是將圖像分為若干連通區(qū)域。通過連通程序來完成這項(xiàng)工作，同時(shí)為每個(gè)區(qū)域編號(hào)。對(duì)每個(gè)區(qū)域計(jì)算面積、重心、慣量矩、空洞數(shù)目、輪廓線長(zhǎng)度、最小外切矩形等典型特征參數(shù)。這些特征參數(shù)就作為下一步圖像解釋的輸入。灰度圖像按輪廓的壓縮是從經(jīng)過增強(qiáng)處理的圖像上抽取直線、拐角、圓弧等輪廓特征或求出代表輪廓線方向斜率的一組線段。這后一種方法常出現(xiàn)線段丟失、破碎以及重合等誤差，需要用關(guān)于景物的先驗(yàn)知識(shí)加以判斷。數(shù)據(jù)壓縮有時(shí)被當(dāng)作圖像分割（見模式識(shí)別），但實(shí)際上比把圖像分為有意義單元的圖像分割簡(jiǎn)單。

圖像解釋 　即按照任務(wù)對(duì)圖像內(nèi)容進(jìn)行高度概括的描述。它基于圖像的模型匹配。模型是對(duì)所要識(shí)別的理想模式外形的描述，包括所有可能的部分畸變、平移或旋轉(zhuǎn)的模式的集合。將其中一個(gè)模式當(dāng)作原型，那么解釋就是尋找與經(jīng)壓縮后的數(shù)據(jù)匹配得最好的原型，并用描述模型的參數(shù)給出解釋。最簡(jiǎn)單的模型匹配方法是樣板匹配，它僅適用于原型很少的場(chǎng)合，而且計(jì)算量也很大。在一般情況下需要考慮大量原型，此時(shí)可采用搜索法、松弛法和聚類法，但對(duì)于工業(yè)視覺系統(tǒng)都不太理想。已經(jīng)用這些方法初步解決重疊工件的識(shí)別問題。雖然松弛法和聚類法已經(jīng)是實(shí)驗(yàn)室中用于圖像解釋的極普通的方法，但由于成本昂貴尚未被普遍采用到工業(yè)視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中去。

建?！≡O(shè)計(jì)工業(yè)視覺系統(tǒng)的首要指標(biāo)是靈活性。而在目前技術(shù)水平下設(shè)計(jì)通用工業(yè)視覺系統(tǒng)的成本又過于昂貴。所以實(shí)現(xiàn)軟件和硬件的模塊化是解決這個(gè)問題的可能途徑。其關(guān)鍵是規(guī)定一類問題，針對(duì)它建立硬件和軟件結(jié)構(gòu)，在該類問題中可直接改變模型參數(shù)使系統(tǒng)適應(yīng)所處理的問題。采用人機(jī)交互的方式來找出系統(tǒng)的參照景物和從該景物導(dǎo)出的可供選擇的參數(shù)。這種做法實(shí)際上是在識(shí)別程序中隱含了人的經(jīng)驗(yàn)，即人關(guān)于什么是圖像的可靠和有意義特征的看法。完全自動(dòng)化的“示教式”方法尚待進(jìn)一步發(fā)展。

應(yīng)用　工業(yè)視覺系統(tǒng)可用于種類繁多的任務(wù)。按用途可列舉如下例子：用于CIDMAC中的目標(biāo)定位、定向和識(shí)別；缺陷檢查（如金屬元件的裂痕）；分揀（如從果殼中挑果仁）；分級(jí)（如計(jì)算肉的肥瘦率）；測(cè)定瓶或罐內(nèi)的液面；在線測(cè)量食品、布料或機(jī)加工件的尺寸；檢驗(yàn)組裝的正確性；檢驗(yàn)食物、化妝品、藥品的污染；檢測(cè)化學(xué)物質(zhì)的泄漏；儀表校準(zhǔn)；工具磨損檢測(cè)以及產(chǎn)品包裝檢驗(yàn)等。工業(yè)視覺系統(tǒng)按被測(cè)景物的特點(diǎn)和復(fù)雜性以及所處理的特定任務(wù)又大致可分為自動(dòng)檢驗(yàn)、部件加工和裝配、生產(chǎn)過程控制三類。

自動(dòng)檢驗(yàn) 　自動(dòng)檢驗(yàn)是工業(yè)視覺系統(tǒng)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。它的優(yōu)點(diǎn)是可提供快速無接觸測(cè)量，對(duì)部件的檢驗(yàn)率幾乎可達(dá)100%,而且視覺檢驗(yàn)機(jī)器裝入現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)比機(jī)器人視覺系統(tǒng)方便。在很多工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，自動(dòng)檢驗(yàn)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的必要條件。在自動(dòng)輸送部件的系統(tǒng)中，甚至像螺釘這樣簡(jiǎn)單的零件也必須 100%地加以檢驗(yàn)，否則會(huì)降低機(jī)器的效率，甚至引起嚴(yán)重事故。自動(dòng)檢驗(yàn)的任務(wù)主要包括完備性檢驗(yàn)、形狀檢驗(yàn)和表面檢驗(yàn)：

①　完備性檢驗(yàn)　對(duì)部件上的零件是否完備、缺失進(jìn)行檢驗(yàn)。部件上丟失零件可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。例如，如果丟失發(fā)動(dòng)機(jī)閥門彈簧的帽卡，則有可能使發(fā)動(dòng)機(jī)毀壞。

②　形狀檢驗(yàn)　這方面的例子有檢驗(yàn)螺桿或螺釘這樣的簡(jiǎn)單部件、檢驗(yàn)小圓片的圓度、檢驗(yàn)包裝上或瓶子上的標(biāo)簽的尺寸、形狀和位置等。形狀檢驗(yàn)的一個(gè)最重要的應(yīng)用是檢驗(yàn)印刷電路板，包括檢測(cè)板上的導(dǎo)線破裂、短路、突出物以及相鄰兩線的距離等。

③　表面檢驗(yàn)　這是質(zhì)量控制的一個(gè)重要步驟。例如，檢驗(yàn)鋼板、軸承部件、搪瓷或玻璃的表面。通常必須檢驗(yàn)一批序貫通過的不同形狀的表面，并能對(duì)缺陷損傷加以區(qū)分。

部件加工和裝配 　這類應(yīng)用的主要視覺任務(wù)是確定部件的位置和方向。部件通常裝在容器中運(yùn)輸或存儲(chǔ)，在此過程中原始位置被打亂。包括從托板對(duì)部件位置的微小干擾到把部件裝箱這樣的過程都會(huì)使原始位置混亂。對(duì)此尚無通用解決辦法。針對(duì)機(jī)器人隨機(jī)抓取傳送帶上的定向部件已研制了數(shù)種視覺系統(tǒng)。但這類應(yīng)用場(chǎng)合在生產(chǎn)過程中不具普遍性。在芯片焊接過程中需用視覺系統(tǒng)導(dǎo)引焊接位置，并輔助振動(dòng)傳送帶對(duì)元件的機(jī)械分類。在用機(jī)器人安裝摩托車輪時(shí)也需用視覺系統(tǒng)確定輪轂的位置和方向。大多數(shù)裝配任務(wù)需要用視覺和觸覺配合才行，例如把針插入洞中這樣的任務(wù)還可用特制的機(jī)械系統(tǒng)配合完成。

生產(chǎn)過程控制 　工業(yè)視覺系統(tǒng)在生產(chǎn)過程控制中的最重要的應(yīng)用領(lǐng)域是焊接控制。在自動(dòng)焊接過程中，由于存在焊件連接準(zhǔn)備工作的差異以及焊接期間發(fā)生的不準(zhǔn)確定位和熱畸變，因此常常需要采用視覺系統(tǒng)跟蹤焊縫。在弧焊中，強(qiáng)光和焊花四濺給圖像分析帶來困難。為此研制了特殊的快門，僅在過程的短路期間打開。在浸入弧焊中，焊接過程對(duì)視覺系統(tǒng)的干擾不大。工業(yè)視覺系統(tǒng)還用于讀出部件的特征或貼于其上的條碼以協(xié)助生產(chǎn)過程中部件的分配。

參考書目

B.G.Batchelor(ed.)，Pattern Recognition:Ideas in Practice,Plenum, New York,1978.

B.G.Batchelor,D.A.Hill,D.C.Hodgson，Automated Visual Inspection,IFS, Bedford, UK, 1958.