1 引言
機器視覺的研究始(shi)於20世紀(ji)50年代二維(wei)圖像的模式识(shi)別[1]，它起初被設計用來代替人眼从(cong)事檢測识別的工(gong)作，可以大大提高檢測的工作效率以及(ji)降低人眼疲劳带來的檢測(ce)結果的不一致性。機(ji)器視覺檢測(ce)发展至今，在許多方面已經发(fa)展到可以完成(cheng)人眼难以完成的工作，如高精度的測量以及對特定產品的高速分級，還有利用紅外線、紫外(wai)線(xian)、X射線(xian)等檢測技術檢測人類視覺无法檢測到(dao)的事物[2]。但機器視覺系統設計的难點在於如何保證其可靠性(xing)與(yu)稳定性，无(wu)论从光源，相機(ji)等硬件上還是从圖像處(chu)理软件上的設計，對機器視覺的稳定性都有重(zhong)要影(ying)響。
2 機器視覺系統組成
典型的機器視覺系統一般由圖像的获(huo)取、圖像的處理和分析、輸出或顯示三(san)部分組成。按照(zhao)視覺系統組成結構主要(yao)分為兩大類：PC或板卡式(shi)機器視覺(jue)系統(PC-Based Vision System)，以及(ji)嵌入式機器視覺系統(tong)，亦称“智能相機(ji)(SmartCamera)。
2.1 PC-Based視覺系統
PC式視覺系統是一種基於個人計算機(PC)的視(shi)覺系(xi)統，其圖像获(huo)取設備一般由光源、光學镜头、CCD或CMOS摄(she)像機以及圖像采集卡組成(cheng)，圖像處理與分(fen)析設備以一臺PC機為基礎配合圖像處理(li)软件，一般以(yi)顯示器作為圖像處理結果的顯示輸出(chu)。
PC-Based視覺系統发展到現在，可以(yi)针對不同的工作坏境满(man)足各式需求，如相機的選(xuan)擇可以(yi)从分辨率200萬到1200萬，帧率从0到数百帧每秒甚至更高(gao)。同時(shi)，其(qi)通訊方式非常灵活，可以(yi)直接使用(yong)USB(USB2.0/USB3.0)接口、千兆網口(GigE)接口或着很方便的擴展(zhan)使用火線(xian)(1394a/1394b)接口(kou)以及Camera link等接口的(de)相機(ji)，在短距(ju)离情况下抗干扰(rao)性很強。速度上和精度上，PC-Based系統(tong)可以根據需求配置高速、高分辨率相機和高(gao)速(su)的處理器，可以達到運動速度(du)快或精度要(yao)求高的檢測要求。
但同時，基於PC的機器視(shi)覺的應用系統尺寸较大，除相(xiang)機外，還(hai)需圖像采集卡(ka)、工控機、各種连接線(xian)缆等，在一些對設(she)備(bei)體积限製较嚴的場合，如(ru)生產裝置内(nei)部、移送裝置上(shang)就(jiu)难以满足要求了。同時其結構复雜，多数(shu)人(ren)認為PC-Based系統包含较多的(de)外部(bu)部件，各部件由不同廠家(jia)生產，涉及兼容(rong)性和连接插(cha)件等中間環節，集成(cheng)度较低，从而导致(zhi)其稳定性下降。相(xiang)對於集成度高的智能(neng)相機，其開发周期也相對较长。
2.2 嵌入式視覺系統
智能相機主要由圖像(xiang)采集單元、通型(xing)信块，圖像處理(li)單(dan)元(處理软件)三大組成部分，圖像采集單元(yuan)類似於傳(chuan)統的普通相機，將光信號轉為模擬信號或数字(zi)信號，相当於CCD/CMOS相機和(he)圖像采集卡，圖像處(chu)理單元相当(dang)於PC-Based 系統的PC部分，是嵌入式視覺的(de)核(he)心，包括圖(tu)像處理(li)、存储單元以及相應的處理(li)软件，一般有DSP、FPGA和RISC三種(zhong)硬件平臺用來完成圖像處理的運算(suan)，软件可由外部(bu)寫入，但一般成熟的嵌入式(shi)機器(qi)視覺系統均將通用的圖相處里算法封裝為固定的模块，開发人(ren)員可以根據需要選擇(ze)調用。通信模块也是智(zhi)能相機的重(zhong)要組成部分，主要是(shi)將圖像處理的結(jie)果輸出到外部，智能相機(ji)一般内置以太(tai)網口通信模块，且可支持多種網(wang)絡和总線协議(yi)。
與PC-Based 的視覺(jue)系統相比，嵌入式(shi)視覺系統存(cun)在一些明顯的優勢，比(bi)如由於其圖像获取單元與(yu)處理單元直接相连接，在像素(su)一致性方面较好(hao)，抗干扰能(neng)力性较強，且由於(yu)智(zhi)能相機具有较高的集成水平，體(ti)积(ji)也比PC-Based視覺系統要小很多，可適用於更多恶劣的(de)工作環境。由於智能相機(ji)的高度集成性，它(ta)的圖像采(cai)集、處理與通(tong)信部件(jian)在設計與生產的過程中經過了專業人員的可靠性測試，所以其工作(zuo)稳定性(xing)要明顯高於PC-Based系(xi)統，由於結構(gou)簡單，其維護也相對(dui)於PC-Based系統(tong)要簡單的多。软(ruan)件上，成熟的智(zhi)能相機基本已經固化了視覺算法模块和通訊(xun)模块等，用戶(hu)只需要簡(jian)單的調用即可，不需要像PC-Based系統一樣進行系(xi)統底層的琐碎的開发，所以(yi)開发簡單，開发周期(qi)也短。
但相對於PC-Based視覺系統，嵌入式視覺(jue)系統也存在(zai)一定劣勢，比如在精度和速(su)度(du)上，由於體(ti)积(ji)和圖像處理能力的限製，智能相(xiang)機很难像PC-Based系統一(yi)樣，能够很方便的將高速相機或高分辨相(xiang)機集成到視覺系統中(zhong)，在目前的技術(shu)条件下，通(tong)常實現同樣分辨率和速度的兩種系統，智能相機由(you)於需要更高要求的(de)生產工藝以及電路設計問題，會需(xu)要(yao)高昂的成本。同時(shi)，智能相機高度集成化的特點也給它带來(lai)了灵活性不足的問題(ti)，它的硬件(jian)和软件開发相對固定，可擴展性较PC-Based系(xi)統差，在复雜的機(ji)器視覺場景下(xia)，有時單靠智能相機难(nan)以完成系統的功能(neng)設計，而PC-Based系統卻(que)可根據實际情况選用性能合適(shi)、价格(ge)便宜的設備，也可以(yi)選擇不同的第三(san)方软件來完成圖像處理等工作。
3 機器視覺檢測系統的不(bu)稳定性因素(su)
3.1 成像系統簡介(jie)及不稳定性因素(su)
成像系統(tong)主要(yao)由相機(CCD/CMOS)、镜头和光源(yuan)組成(cheng)，是視(shi)覺檢(jian)測的基礎，成像系統的(de)設計目的就是获取合格的原始圖像(xiang)，並(bing)且一個好的成像系統要(yao)保證系統運行期間圖像質量的稳定，稳定的圖像抓取是視覺檢測稳(wen)定性的基本(ben)保證。
3.3.1 工業相機對成像(xiang)稳(wen)定性的影響
對(dui)視覺(jue)系統設計者來說，工業(ye)相機的選擇主要考虑其傳感器類(lei)型、分辨(bian)率和(he)帧率，其(qi)中傳(chuan)感器分CCD與CMOS兩(liang)種，CMOS圖像傳感(gan)器集(ji)成度高，各元件、電路之間距离(li)很近，干扰比较(jiao)嚴重，成像噪聲高，CCD傳感器相機相對於CMOS相機(ji)具有灵敏度高、噪(zao)聲低和響(xiang)應速度快的特點，在稳定性方(fang)面，CCD相機的抗冲(chong)擊與震動性也较(jiao)強，一(yi)般來說，CCD傳感器相機在成(cheng)像質量上和稳定性方(fang)面要優於CCD相機。
影響相機成像質量的另一重要(yao)因素(su)就是相機的镜头，镜头(tou)除(chu)了需要根據具體工作状况選擇合適的焦距、景(jing)深和光圈等參数外，一個影響(xiang)系統檢測精度(du)的重要因素就是圖像的几何畸變误差，它是光學(xue)透镜固有的透視失(shi)真，受到製(zhi)作工藝(yi)的影響，无法消除，只能弥(mi)补(bu)，虽然現在許多工業相機通過(guo)各(ge)種方法弥补镜头畸變產生的误差，但(dan)在高精度的(de)檢測领域，几何畸變仍然(ran)會對檢(jian)測精度產生影響。
3.1.2 光源對成像稳(wen)定性的影響
光源具有放大圖像(xiang)的特征與(yu)缺陷、削弱(ruo)混乱(luan)及背景的作用，直接影響輸入数據的質量(liang)，由於没有通用的照明設備，光源的設(she)計一直是機器視(shi)覺系統的难點，通常不仅需(xu)要(yao)针對每個特定的應用實例來選擇光源類型，還要根據具體環境對光源安(an)裝(zhuang)、光源的照射方式進行斟(zhen)酌，以達到最佳效果。不同類型的光源稳定性存在差异，常见的可见光光源有LED光源、卤素燈、日光燈和钠光(guang)燈等(deng)，可见光最大的(de)缺點是不能持續稳定的輸出光(guang)能，如日光燈，在使用的第一個100小時内，光能會下降15%左右[4]，随着(zhe)使用時間的增加，光能(neng)輸出持續下(xia)降。除可见光外，在高檢測任務(wu)的(de)場景下，也常采(cai)用X射線和超聲波等不可见(jian)光作為光源(yuan)，可以持(chi)續稳定的輸出光能，但不利於檢測系統(tong)的(de)操作，且价格昂貴。光源的不均(jun)匀性也會對圖像質量產生影響(xiang)，不(bu)同方向的发光強度存在差別也會引起噪聲。可(ke)见光中LED光源的稳定性和寿命相對(dui)於卤(lu)素燈、日光燈等要好(hao)，響應時間(jian)短，可自由選(xuan)擇顏色，運行成本也(ye)低(di)，得到了廣泛(fan)的(de)應用。光源的(de)照射方式可分(fen)為背向照明、前向照明(ming)、結構光照明和頻闪照明，其設計要點是以突出圖像特征為準則(ze)。
3.2 软件稳定性
檢(jian)測软件稳定性對機器視覺的影響毋庸置(zhi)疑，視覺系統最終會(hui)在計算機上利用软件采用有针對性(xing)的算法進行圖像滤波，边缘檢測和边缘(yuan)提取等一系(xi)列圖像處理，不同的圖像處理和分析手段以及(ji)不同的檢測方法與計算公式(shi)，都會带(dai)來不同的误差，算法優劣決定測量(liang)精(jing)度的高低。
3.3 環境因素影響
視覺系統工作的測(ce)量環境包括(kuo)温度、光照、電源變化、灰尘、湿度以及電磁(ci)干(gan)扰等[5]，好的環境是視覺系統正常運(yun)行的保障(zhang)。外界光照會影響照射在被測物體上(shang)的总光強，增加圖像数據輸(shu)出的噪聲，電源電壓的變化也會导致(zhi)光源(yuan)不稳，產生随時間變化的噪聲。温度變(bian)化(hua)也會對相機的性能產生影響，相機在(zai)出廠時都會標志(zhi)正常工作的温度範围，過熱或過冷都會影響(xiang)相(xiang)機的正常工作。電磁(ci)干扰是工業(ye)檢測現場不可避免的干扰因素，它(ta)對工業相機電路、数據信號傳輸電(dian)路等弱電電路(lu)的影響尤為嚴重，合格(ge)的視覺產品會(hui)在出廠時經嚴格的抗干扰測試，極大的降低了外界電磁干扰對硬件電(dian)路的(de)影響。
3.3 機械結構定位影響
除成像系統硬件外，相機與物體之間的相對位(wei)置關系也會對圖像(xiang)質量的稳定性產生影響，如相機或(huo)工件的機械支撐結構如果(guo)存在震動，會(hui)影響檢測(ce)精度，且这也是(shi)一個难以排查的問題。在動態下檢測工件(jian)，需要考虑運動(dong)模糊對(dui)圖像精度的影響(模糊(hu)像素 = 物體運(yun)動速度(du)*相機(ji)曝光時間)。 另外，CCD相機與被測零件之間在理性状况下(xia)應為相機镜头光(guang)轴垂直於零件所在平面，但實际使(shi)用中，由於安裝误差(cha)或相機(ji)、工件製造误差等原因不能保證光轴與被測平面完全垂直，存在一定角度偏差，同樣(yang)對測量精度(du)產生影響。
4 保證稳定性的(de)解決方法
4.1 硬件選擇與設計
成像系統的硬件選擇(ze)尤為重要，通過以上對CCD相(xiang)機與(yu)CMOS相機的分析可知(zhi)，如果没有特殊的要求，比如摄像速度(du)较高(CMOS具有更快(kuai)的讀出(chu)速度)，CCD傳感器相(xiang)機是保證圖像質量和稳定性的首要選擇(ze)，其中相機的分辨率和帧率主要根據檢測精度和檢測速度(du)來選(xuan)擇，通過計算檢測物體的視場大小(xiao)與相機與被測(ce)物之間的距离決定合適的分辨率，考虑被測物體的運動速度與(yu)檢測精度要求選擇相機的帧率。
對於镜头，主要需(xu)要根據相機的極限分辨(bian)率來選取對應的镜头分辨率，選擇大於相機(ji)極限分辨(bian)率的相機即可，還需要(yao)根據工作距离與視野計算镜头的(de)焦距，並根據被(bei)測物體與相機的距(ju)离變化選用合適的景深。在(zai)高精度測量(liang)下，要保證測量(liang)精(jing)度，除以上(shang)參数的(de)正確選擇之外，可以選擇几何畸變(bian)相對於普通镜头(tou)小的远心镜头，远心(xin)镜头不仅几何畸變较小，還能减(jian)小(xiao)物體距离變化带來的误差。
如(ru)无特殊要求而采用X射線等不可见(jian)光光源，對(dui)於可见光光源，應優先考虑使用LED光源，在對采集圖像質量有(you)決定性(xing)影響的光源均匀性上，LED光源明顯優(you)於卤素(su)燈、日(ri)光燈等其它光源(yuan)，而(er)且它還具有耗電低、使用寿命长和(he)對環境无污(wu)染的優點。同時(shi)，為了(le)减小外界光對視覺系統稳定性的影響(xiang)，可以通過增(zeng)加光源箱(xiang)的方式屏蔽外界光源。
4.2 软件設計
4.2.1 標定
相機與镜头由於(yu)工藝的(de)原因，总會或多或(huo)少地导致获取的原始圖(tu)像存在几何畸變误差，这種误差不能(neng)通過硬件的優化消除，但可以利用標定软件算法來减(jian)弱这種误差對測量(liang)精度的影響，相機標定的基本原理是通過相機對(dui)視場内不同角(jiao)度標準圖像(通常使用標定板)的拍摄來求出相機的内、外(wai)參数以(yi)及畸變參数，建立三維坐標與圖(tu)像坐標的映射關系，从而對得到的原始畸變圖像進行矫正，通常相機標定(ding)在有精度要求的測量和(he)定位中必须使用。
4.2.2 圖像處理
硬件采(cai)集到的原始圖像最終要通過圖滤波(bo)、边缘檢(jian)測等算法(fa)才能完成檢測功能，實現(xian)檢(jian)測結果的輸出。其中圖像滤波可以抑製采集到圖像(xiang)中存(cun)在的噪聲，降低光源與灰度值不(bu)稳定的問題(ti)，提高(gao)信噪比，其本質(zhi)是通過算法保證圖像上像(xiang)素點間最小方差最小。對於高精(jing)度(du)測量系統來說，粗(cu)边界像素級(ji)精度往往难以满足要求，亚像素級边缘定位技術在像素級(ji)別位置通(tong)過細分算法與擬合方法結合可以使边缘位置達到0.1甚至0.01的亚(ya)像(xiang)素級精度，系統檢(jian)測精度得到保證。
5 总結
总的來說，機器視覺系統的設計需要考虑多方面的因素，除了根據需求按照常規選型(xing)參数選擇相(xiang)應參数的設備之外，還需要考虑光源的(de)稳定性、相機的畸變误差，以及被檢測物體與相機之間的相對(dui)運動等因素給檢測系統带來的稳定性干扰與測(ce)量误差。只有綜合考虑这些因素進行視覺系統的優化(hua)設計(ji)，才能建立稳定、合格的(de)機器(qi)視覺檢測系統。
