1、計算機(jī)世界/2007年/7月/23日/第 B11版技術(shù)專題一個成功的機(jī)器視覺系統(tǒng)需要重點解決圖像采集（包括光源、光學(xué)成像、數(shù)字圖像獲取與傳輸）、圖像處理分析幾個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。機(jī)器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)宋學(xué)勇 趙敏機(jī)器視覺系統(tǒng)是綜合現(xiàn)代計算機(jī)、光學(xué)、電子技術(shù)的高科技系統(tǒng)。機(jī)器視覺技術(shù)通過計算機(jī) 對系統(tǒng)攝取的圖像進(jìn)行處理，分析其中的信息，并做出相應(yīng)的判斷，進(jìn)而發(fā)出對設(shè)備的控制指令。機(jī)器視覺系統(tǒng)的具體應(yīng)用需求千差萬別，視覺系統(tǒng)本身也可能有多種不同的形式，但都包括以下 過程：圖像采集利用光源照射被觀察的物體或環(huán)境，通過光學(xué)成像系統(tǒng)采集圖像，通過相機(jī)和圖 像采集卡將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，這是機(jī)器視覺系統(tǒng)

2、的前端和信息來源。圖像處理和分析 計算機(jī)通過圖像處理軟件對圖像進(jìn)行處理，分析獲取其中的有用信息。如PCB板的圖像中是否存在線路斷路、 紡織品的圖像中是否存在疵點、文檔圖像中存在哪些文字等。這是整個機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心。判斷和控制 圖像處理獲得的信息最終用于對對象（被測物體、環(huán)境）的判斷，并形成對應(yīng) 的控制指令，發(fā)送給相應(yīng)的機(jī)構(gòu)。如攝取的零件圖像中，計算零件的尺寸是否與標(biāo)準(zhǔn)一致，不一 致則發(fā)出報警，做出標(biāo)記或進(jìn)行剔除。在整個過程中，被測對象的信息反映為圖像信息，進(jìn)而經(jīng)過分析，從中得到特征描述信息， 最后根據(jù)獲得的特征進(jìn)行判斷和動作。最典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)一般包括：光源、光學(xué)成像系統(tǒng)、相機(jī)、圖像采集卡

3、、圖像處理硬件平臺、圖像和視覺信息處理軟件、通信模塊?？傮w上，一個成功的機(jī)器視覺系統(tǒng)需要重點解決圖像采集（包括光源、光學(xué)成像、數(shù)字圖像 獲取與傳輸）、圖像處理分析幾個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。照明設(shè)計照明是機(jī)器視覺系統(tǒng)中極其重要而又容易為人忽視的環(huán)節(jié)。其設(shè)計是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計的重 要步驟，直接關(guān)系著系統(tǒng)的成敗和性能。因為照明直接作用于系統(tǒng)的原始輸入，對輸入數(shù)據(jù)質(zhì)量 的好壞有直接的影響。光源決不僅僅是為了照亮物體，通過有效的光源設(shè)計可以令需要檢測的特 征突出，同時抑制不需要的干擾特征，給后端的圖像處理帶來極大的便利。而不恰當(dāng)?shù)恼彰鞣桨?會造成圖像亮度不均勻，干擾增加，有效特征與背景難以區(qū)分，令圖像處理變得

4、極其困難，甚至 成為不可能完成的任務(wù)。照明設(shè)計主要包括三個方面 ：光源、目標(biāo)和環(huán)境的光反射和傳送特性、光源的結(jié)構(gòu)。由于被 測對象、環(huán)境和檢測要求千差萬別，因而不存在通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，需要針對每個具體的 案例來設(shè)計照明的方案，要考慮物體和特征的光學(xué)特性、距離、背景，根據(jù)檢測要求具體選擇光 的強度、顏色和光譜組成、均勻性、光源的形狀、照射方式等。照明設(shè)計是一項非常復(fù)雜的工作，不僅需要理論知識和分析能力，也常常需要反復(fù)的試驗和 調(diào)整?！肮庠词腔鶞?zhǔn)，打光是藝術(shù)”，這句話道出了照明設(shè)計在機(jī)器視覺系統(tǒng)中的重要地位。由此 也催生了一批以生產(chǎn)光源著稱的廠商，如CCS、Moritex、東冠科技。國內(nèi)如凌云

5、公司等系統(tǒng)集成商也開始開發(fā)自主的光源產(chǎn)品。光學(xué)成像系統(tǒng)與相機(jī)機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭相當(dāng)于人的眼睛，其主要作用是將目標(biāo)的光學(xué)圖像聚焦在圖像傳感器第1頁共3頁（相機(jī)）的光敏面陣上。視覺系統(tǒng)處理的所有圖像信息均通過鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到 視覺系統(tǒng)的整體性能。一旦信息在成像系統(tǒng)有嚴(yán)重?fù)p失，在后面的環(huán)節(jié)中試圖恢復(fù)是非常困難的。合理選擇鏡頭、設(shè)計成像光路是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。鏡頭成像或多或少會存在畸變。較大的畸變會給視覺系統(tǒng)帶來很大困擾，在成像設(shè)計時應(yīng)對 此有詳細(xì)的考慮，包括選用畸變小的鏡頭，有效視場只取畸變較小的中心視場等。鏡頭另一個特 性是其光譜特性，主要受鏡頭鍍膜的干涉特性和材料的吸收特性

6、影響。要求盡量做到鏡頭最高分 辨率的光線應(yīng)與照明波長、CCD器件接受波長相匹配，并使光學(xué)鏡頭對該波長的光線透過率盡可 能提高。在成像系統(tǒng)中選用適當(dāng)?shù)臑V光片可以達(dá)到一些特殊的效果。另外，成像光路的設(shè)計還需 要重視各種雜散光的影響。相機(jī)是一個光電轉(zhuǎn)換器件，它將光學(xué)成像系統(tǒng)所形成的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成視頻/數(shù)字電信號。相機(jī)通常由核心的光電轉(zhuǎn)換器件、外圍電路、輸出/控制接口組成。目前最常用的光電轉(zhuǎn)換器件為CCD，其特點是以電荷為信號，而不像其他器件輸出電流或者電壓信號。上世紀(jì)90年代，一種新的圖像傳感器開始興起，這種相機(jī)稱為CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconduc

7、tor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）相機(jī)。對相機(jī)除了考察其光電轉(zhuǎn)換器件外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)速度、檢測的視野范圍、系統(tǒng)所要達(dá)到的 精度等因素。相機(jī)輸出的模擬視頻信號并不能為計算機(jī)直接識別，圖像采集卡通過對模擬視頻信號的量化 處理將模擬視頻信號數(shù)字化，形成計算機(jī)能直接處理的數(shù)字圖像，并提供與計算機(jī)的高速接口。 圖像采集卡需要實時完成高速、大數(shù)據(jù)量的圖像數(shù)據(jù)采集，必須與相機(jī)協(xié)調(diào)工作，才能完成特定 的任務(wù)。除A/D轉(zhuǎn)換外，圖像采集卡還具備其他一些功能，包括：接收來自數(shù)字相機(jī)的高速數(shù)據(jù)流，并通過計算機(jī)高速總線傳輸至系統(tǒng)存儲器；對多通道圖像接收、處理和重構(gòu) ；對相機(jī)及系統(tǒng)其他模塊進(jìn)行功能控制。圖像和視覺信息處理上述

8、機(jī)器視覺系統(tǒng)的前端環(huán)節(jié)，包括光源、鏡頭、相機(jī)等，都是為圖像和視覺信息處理模塊 準(zhǔn)備素材。這一模塊才是機(jī)器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵和核心，它通過對圖像的處理、分析和識別實現(xiàn)對 特定目標(biāo)和特征的檢測。這一模塊包括機(jī)器視覺處理軟件和處理硬件平臺兩個部分，其中視覺處 理軟件可以分為圖像預(yù)處理和特征分析理解兩個層次。圖像預(yù)處理包括圖像增強、數(shù)據(jù)編碼、平 滑、銳化、分割、去噪、恢復(fù)等過程，用于改善圖像質(zhì)量。圖像特征分析理解是對目標(biāo)圖像進(jìn)行 檢測和各種物理量的計算，以獲得對目標(biāo)圖像的客觀描述，主要包括圖像分割、特征提?。◣缀?形狀、邊界描述、紋理特性）等。機(jī)器視覺中常用的算法包括 ：搜索、邊緣（Edge）、Blob分

9、析、卡尺工具（Caliper Tool ）、光 學(xué)字符識別、色彩分析。目前，機(jī)器視覺軟件的競爭已經(jīng)從追求功能轉(zhuǎn)變?yōu)樗惴ǖ臏?zhǔn)確性和效率的競爭。已有專門提 供視覺軟件或者開發(fā)包的廠商。因為常規(guī)的機(jī)器視覺軟件開發(fā)包盡管均能提供上述功能，但其檢 測效果和運算效率卻有很大差別。優(yōu)秀的機(jī)器視覺軟件可對圖像中目標(biāo)特征進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的檢 測，對圖像的適應(yīng)性強；而不好的軟件則存在速度慢、結(jié)果不準(zhǔn)確、魯棒性差的缺點。從硬件平臺的角度說，計算機(jī)在CPU和內(nèi)存方面的改進(jìn)給視覺系統(tǒng)提供了很好的支撐，多核CPU配合多線程的軟件可以成倍提高速度。伴隨DSP、FPGA技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理模塊以其強大的數(shù)據(jù)處理能力、集成性、

10、模塊化和無需復(fù)雜操作系統(tǒng)支持等優(yōu)點而得到越來越多的重視?？傮w而言，機(jī)器視覺是一個光機(jī)電計算機(jī)高度綜合的系統(tǒng)，其性能并不僅僅由某一個環(huán)節(jié)決 定。每一個環(huán)節(jié)都很完美，也未必意味著最終性能的滿意。系統(tǒng)分析和設(shè)計是機(jī)器視覺系統(tǒng)開發(fā) 的難點和基礎(chǔ)，也是許多開發(fā)商所不擅長的，急需加強。另外，在現(xiàn)場環(huán)境應(yīng)用中，振動、粉塵、電磁干擾會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的工作，這些問題都是設(shè)計和開發(fā)時應(yīng)注意的。目前，以智能相機(jī)為代表的嵌入式系統(tǒng)因其有許多獨特的優(yōu)點而為許多專家所看好，高度模 塊化、價格低廉的視覺傳感器組成的分布式網(wǎng)絡(luò)給我們展示了一個令人激動的畫面。然而，在機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)鏈條中最令人擔(dān)憂的是，一些基礎(chǔ)性的技術(shù)和器件，如相機(jī)的圖像傳 感器芯片、高級鏡頭，仍全部依賴外國的產(chǎn)品，國內(nèi)的