發布日期：2022-07-14 點擊率：79
1 引言
機器視覺是利用光電成像系統采集被控目標的圖像,經計算機或專用的圖像處理模塊進行數字處理,根據圖像的像素分布、亮度和顏色等信息,進行尺寸、形狀、顏色等的識別。這樣,就把計算機的快速性、可重復性,與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結合,大大提高了生產的柔性和自動化程度。
2 基于PC的機器視覺系統的基本結構
圖1是基于PC的機器視覺系統在啤酒生產線上空瓶檢測系統中的應用。由圖1可知,該系統主要由相機、鏡頭、光源、圖像采集卡、PC平臺和控制單元等六部分組成,各個部分之間相互配合,最終完成對酒瓶的質量檢測和剔除。下面以圖1為例,對各個組成部分的功能和選型進行介紹。
圖1 機器視覺空瓶檢測框圖
3 相機
目前工業用相機主要有CCD和CMOS兩種。CMOS相機起步較晚,所攝取的畫面質量也不是很好,所以主要用在圖像品質要求不是很高的產品上,比如手機附帶的相機大多數采用CMOS相機。CCD相機比CMOS相機更靈敏,在昏暗的光照下可以照出較好的相片,因此工業上應用較為普遍的是CCD相機。CCD(Charge Coupled Device)是一種半導體光學器件。該器件具有光電轉換、信息存儲和延時等功能,并且集成度高、能耗小,故一出現就在固體圖像傳感、信息存儲和處理等方面得到廣泛應用。在選擇相機時,主要有以下幾個方面的問題要考慮:
3.1 相機的掃描方式
相機按照掃描方式可以分為面掃描和線掃描相機。顧名思義。
(1) 線掃描相機是指對物體進行行掃描的相機,線掃描相機又可分為隔行掃描和逐行掃描。線掃描相機適用于以下情況:
●對固定的物體做一維的測量;
●對象物體處于運動狀態;
●需處理可旋轉圓柱體的邊緣圖像;
●需要對象物體的高分辨率圖像,而又要考慮價格因素等,其他情況下可以考慮使用。
(2) 面掃描相機
線掃描相機的特點是運動平穩、速度跟蹤精度高、光源強度要求高。目前,線掃描相機的分辨率已經達到幾千,檢測速率也達到60楨/秒甚至更高。面掃描相機一次只能拍攝一副圖像。由于面掃描相機的自身局限性,使其不適于動態目標連續無遺漏的高精度檢測。但是,針對其工作原理,采用以下技術:
●選用楨傳送或行間傳送CCD;
●采用高速快門(電子快門);
●采用單場技術;
●選用高頻光源等,是完全可以進行動態圖像的實時采集的,滿足工業在線檢測的要求。
3.2 相機的顏色
工業相機按顏色可以分為黑白和彩色相機。其中,黑白相機比彩色相機的分辨率高,而且數據采集速度快。隨著相機制造技術的不斷發展,現在,彩色相機也越來越
多的得到了應用。這是因為過去的彩色相機系統要由三臺相機組成,這三臺相機分別對應R(紅色)、G(綠色)、B(藍色)波長,而現在則出現了單CCD彩色相機。彩色相機可以提供更強的觀察和區別能力,因此在醫學、生物學以及一些工業過程控制方面發揮了重要作用。
3.3 相機的輸出接口形式
相機輸出接口形式有RS-422、RS-644、USB、IEEE1394以及Cameralink等,在選擇圖像處理卡時應注意其是否支持所選用相機的輸出形式。
3.4 鏡頭
鏡頭的幾個主要參數有:成像面,CCD感光片尺寸,焦距,視野,物距,景深和視角
選擇鏡頭時應考慮以下幾個因素:
(1) 鏡頭的成像面與所用的CCD相機是否匹配。成像面與鏡頭本身的設計及生產有關。成像應該是越大越好。可是有些廠家的鏡頭由于設計或生產上達不到技術要求,成像面會較小。
(2) 確定鏡頭的焦距、物距和視野(這個主要是依據實際的工作或安裝環境來確定)這幾個參數關系是:焦距越小,視角越大,最小物距越短,視野越大。以最常用的三種鏡頭(50mm, 25mm, 16mm)為例:50mm的鏡頭焦距是最大的,所以50mm鏡頭的視角就最小,而視野就最小,最小物距卻是最遠的;25mm的鏡頭焦距次之; 16mm的鏡頭焦距則是最小的,所以16mm鏡頭的視角就最大,而視野也就最大,最小物距是最近的。
4 其它部件
4.1 光源
光源是影響機器視覺系統輸入的重要因素,因為它直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。由于被檢測物體的顏色、材質、折射率等特性的千差萬別,就必須根據每個特定的應用實例,選擇相應的照明裝置,以達到最佳的效果。
光源按其照射方式可分為背向照明、前向照明、結構光和頻閃光照明等。背向照明是被測物放在光源和攝像機之間,其優點是能獲得高對比度的圖像;前向照明是光源和攝像機位于被測物的同側, 這種方式便于安裝;結構光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上, 根據它們所產生的畸變,解調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,照相機拍攝要求與光源同步,這樣能有效地拍攝高速運動物體的圖像。
用光源的類型有鹵素燈、熒光燈和LED光源等, 其主要性能的比較見附表。
附表 常用光源的類型
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設計時可以根據要求選用光源,但大多數情況下,選用LED光源是一種趨勢。
4.2 圖像采集卡
圖像采集卡是視頻信號從相機到電腦之間傳輸的橋梁。目前大多數相機還是模擬信號輸出,圖像采集卡則將各種模擬視頻信號經A/D轉換成數字信號送入計算機,供計算機作處理、存儲、傳輸等之用。
選擇圖像采集卡要考慮以下幾個方面:
(1) 視頻輸入的格式和數據傳輸率
大多數攝像機使用RS-422或者EIA644作為輸出信號格式,這樣圖像采集卡就需要支持系統使用的攝像機所采用的輸出信號格式。從靈活性來說,如果兩種格式都支持就更好。當攝像機以較高的速度拍攝高分辨率圖像后,會產生很高的輸出速率,這時攝像機一般使用多路信號同時輸出,而圖像采集卡必須能夠支持多路輸入及攝像機的輸出速率。
(2) 數據的吞吐量
當圖像采集卡的信號輸
入速率較高時,需要考慮圖像采集卡與圖像處理系統之間的帶寬問題。在使用PC時, 圖像采集卡使用PCI接口。PCI接口的理論峰值帶寬為132Mbps。但在實際使用中, 多數計算機上PCI 接口的平均數據傳輸率為50～90Mbps,有可能在瞬間高傳輸率時不能滿足傳輸的需要。為了避免與其他PCI 設備產生沖突時丟失數據,圖像采集卡上應有數據緩存。在一般情況下,有2MB的板載存儲器可以滿足大部分的任務要求。
(3) 數字I/O控制
在機器視覺系統中,輸入/輸出的控制很重要。系統中常要根據處理過程的需要來決定攝像機的拍攝時間。如果采用了可重設的攝像機,需要產生重設信號。在一些系統中,由于需要設定拍攝的幀率,應該有像素時鐘發生器。外同步是指不同的視頻設備之間用同一同步信號來保證視頻信號的同步,它可以保證不同設備輸出的視頻信號具有相同的幀行起止時間。為了實現外同步,需要給攝像機輸入一個復合同步信號或復合視頻信號。如果圖像采集卡已經具有數字I/O功能, 能夠 產生攝像機和其他電子設備所需的選通、觸發及其他電子信號,對系統是很有用的,否則將需要獨立的數字I/O卡。
4.3 PC平臺
本系統中PC平臺用于接受圖像采集卡輸出的圖像,然后由圖像處理軟件進行預處理、分析和識別,判斷空瓶質量的好壞,最后將判斷結果發送給PLC。由于圖像采集卡和圖像處理軟件的運行都消耗很大的系統資源,因此應當選用高性能的工控機作為PC平臺,保證系統快速穩定的運行。
4.4 控制單元
本系統選用PLC作為底層控制器,它通過I/O口與光電傳感器,編碼器,擊出器,圖像采集子系統等相連,通過圖像采集子系統控制CCD攝像機的拍攝以及直接控制擊出器的動作。同時PLC通過485總線與工控機連接,接收工控機傳來的控制信息和系統參數等。
在系統運行過程中,PLC負責及時地通知圖像采集子系統啟動CCD攝像機,抓拍處于拍攝位置的空瓶。為了達到這一目的,需要使用光電傳感器來檢測空瓶的位置。在系統中使用了反射式光電傳感器,這種光電傳感器在沒有接收到從反光板反射回來的光束時,就會輸出觸發信號。將光電傳感器安裝到CCD攝像機拍攝位置旁,把輸出接到PLC的I/O輸入口上。當沒有空瓶經過時,光電傳感器可以接收到反射光束,沒有輸出信號,而當有空瓶經過時,光電傳感器無法接收到返回的光束,于是輸出觸發信號。PLC從輸入口接收到此信號后,即可判定空瓶已到達拍攝位置,從I/O輸出口輸出啟動信號給圖像采集系統,啟動CCD攝像機,攝像機及時進行拍攝,獲取被檢空瓶的圖像。
在專門的信息處理模塊對獲取的圖像信息進行分析處理后,將得出空瓶質量是否合格的結論。如果不合格,主控的工控機就會通過485總線發出控制命令,要求PLC控制擊出器擊出該空瓶。PLC在接到擊出命令后,需要標定不合格空瓶,并追蹤其位置,當不合格空瓶到達擊出器所在位置時控制擊器動作,擊出不合格空瓶。為了確定需擊出空瓶位置,在系統中使用一個編碼器與驅動傳送帶的電機相連,當電機轉動時,編碼器相應發出脈沖。計算脈沖的數目,即可知道傳送帶運動的距離。這樣一來,如果能測出不合格空瓶要運動多長距離才到達擊出位置就能將其準確擊出。可以在事先把編碼器的脈沖輸出與PLC的I/O輸入口相連,然后在傳送帶上放一空瓶,讓其依次經過檢測位置和擊出位置,PLC使用計數器記下此過程中脈沖的數目,這一數值即對應著檢測位置和擊出位置之間的距離。
5 視覺處理軟件
5.1 視覺處理軟件研發重心
視覺處理軟件是基于PC的機器視覺系統的重要組成部分,主要通過對圖像的分析、處理和識別,實現對特定目標特征的處理。視覺處理軟件的編寫非常復雜,如果從底層開始編寫,往往需要很長的開發周期,而且自己編寫的軟件在運行速度、穩定性等方面也很難達到要求。
; 為了滿足系統集成商和終端用戶的需求,圖像采集卡的生產廠家都為自己的產品開發了相應的圖像處理軟件包。這樣,就可以將工作重心放在軟件應用層面的開發上,使用這些軟件包進行二次開發,節約了開發成本。因此,在對整個機器視覺系統選型時,應該根據系統應完成的功能和圖像采集卡廠家提供的軟件包的功能來對圖像采集卡進行選型。
5.2 圖像采集軟件包功能
(1) 邊緣尋找功能
邊緣尋找是圖像處理中最為基本也是最為常用的工具。通過邊緣尋找,將所拍圖像中的目標與背景區分開,減少處理象素數,提高軟件處理速度。
(2) 目標定位功能
當被測空瓶在生產線上高速順序地通過相機的拍攝區域時,由于生產線的不穩定和拍攝時間的誤差,各個空瓶會出現在拍攝圖像的不同區域。通過目標定位 功能,使處理軟件中的感興趣區域(ROI)隨著工件在圖像中位置的變化而變化,始終定位在工件的關鍵部位。
(3) 圖像預處理功能
包括二值化、邊緣銳化、反差調節等等,通過適當的預處理算法,可以突出目標圖像、提高圖像分析速度和簡化分析過程,是必不可少的功能。
(4) 字符讀取功能(OCR)
對于主要應用于各種字符讀取的視覺系統來說,此功能尤為重要。
(5) 接口功能
軟件包應該能夠方便的和其他軟件或控件接口,一起運行。
6 結束語
基于PC的機器視覺系統具有高速度、高精度、高度自動化的特點,集成了當今先進的傳感器、計算機、數字圖像處理和機器視覺技術,可廣泛應用于工業制造、電子半導體、包裝、農業、醫藥和啤酒生產等領域,可以大幅度提高了現有生產線的自動化水平,保障產品質量,提高生產效率。但是我國機器視覺的研究起步比較晚,目前市場上的該類設備仍然主要依靠進口。隨著社會生產力水平的不斷提高和工廠自動化程度的提高,此項技術的應用前景非常廣闊,只有在理論和實際技術上進行深入的研究和探索,才能縮小和國外先進技術的差距,占領國內機器視覺市場。
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