基于halcon的機器視覺試驗平臺的設計與研究

1、基于 HALCON 的機器視覺系統(tǒng)的研究和實現(xiàn) 摘要 近年來，機器視覺系統(tǒng)以其高效率、 高可靠、 低成本的特點在國外取得了廣泛 的使用。機器視覺系統(tǒng)適用于眾多領域，例如工業(yè)自動化、醫(yī)藥業(yè)、制造業(yè)、農(nóng) 業(yè)等，彌補了人類視覺的很多不足。本文采用德國 MVTec 公司的專業(yè)機器視覺 軟件 HALCON 來開發(fā)機器視覺系統(tǒng)，提出了相關機器視覺實現(xiàn)方法，并且在機 器視覺實驗平臺上完成了一個彈簧片檢測任務。目前關注較多的是機器視覺系統(tǒng)的硬件部分，而機器視覺軟件部分關注較少， 一個先進的機器視覺系統(tǒng)除了具有高性能的硬件外， 還需要有高性能的軟件， 雖 然說許多常見的開發(fā)軟件例如 Mircosoft 的 Vi

2、sual Studio、NI 的 LabWindowsCVI 等等都可以開發(fā)機器視覺系統(tǒng)， 但是開發(fā)周期比較長， 針對性較弱， 程序的復雜 程度較高。而采用 HALCON 作為機器視覺和圖像處理核心軟件，不僅大大縮短 了開發(fā)周期，降低了開發(fā)難度，而且可以參考 HALCON 提供的眾多機器視覺和 圖像處理例程來針對具體的任務做具體開發(fā)。文章的第一章研究了機器視覺系統(tǒng)的組成、 使用現(xiàn)狀和發(fā)展， 并且對機器視覺 軟件 HALCON 做了概述。第二章根據(jù)相關要求，選擇合適的硬件單元，設計和 搭建了 VS-ZM1200 機器視覺實驗平臺。第三章研究了機器視覺中常用的一些圖 像處理技術， 重點討論了在彈簧

3、片檢測任務中所采用的圖像處理技術和算法， 如 圖像的增強，分割，邊緣檢測等。第四章研究了機器視覺軟件，重點研究了 HALCON ，并且對在 Visual C+開發(fā)環(huán)境下如何使用 HALCON 編寫的程序做了 討論。第五章介紹了在 VS-ZM1200機器視覺實驗平臺上，使用HALCON 和Visual C+開發(fā)的一套彈簧片檢測系統(tǒng)， 該系統(tǒng)完成關于彈簧片的尺寸參數(shù)測量和外觀 參數(shù)判別的任務。第一章：緒論機器視覺概述人類在征服自然、改造自然和推動社會進步的過程中 ,為了克服自身能力、能 量的局限性 ,發(fā)明和創(chuàng)造了許多機器來輔助或代替人類完成任務。這類機器,我們通常稱為智能機器 ,它能模擬人類的功能

4、 ,能感知外部世界并有效地解決人所希望 解決的問題。 人類感知外部世界主要是通過視覺、 觸覺、聽覺和嗅覺等感覺器官 , 而視覺 ,是人類最重要的感覺功能。 視,就是看;覺,就是感覺、感知。通過看來感知 外部世界豐富多采的信息。 “百聞不如一見” ,這句話生動地說明了視覺對獲得客 觀世界信息的重要性。據(jù)統(tǒng)計 ,人所感知的外界信息有 80%以上是由視覺得到的,通過視覺 ,我們可以感受到物體的位置 ,亮度以及物體之間的相互關系等。 因此, 對于智能機器來說 ,賦予機器人類的視覺功能對發(fā)展智能機器是極其重要的 ,由此 形成了 一門新的學科機器視覺。機器視覺，就是用機器（通常是數(shù)字計算機）代替人眼來做測

5、量及判斷，對圖 像進行自動處理并報告“圖像中有什么”的過程。美國制造工程師協(xié)會（ SME Society of Manufacturing Engineers）機器視覺分會和美國機器人工業(yè)協(xié)會（ RIARobotic Industries Association）的自動化視覺分會對機器視覺下的定義為： “機器 視覺是通過光學的裝置和非接觸的傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖 像，以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置” 。具體來講，是指通過鏡頭 將被測目標轉化為圖像信號， 投射至影像接受器件 （一般為 CCD 元件）上再通 過數(shù)字計算機進行分析處理。 CCD 是英文（ Charge Co

6、upling Device）的縮寫， 其中文含義為電荷耦合組件。 當不同強度的光線照射在 CCD 表面， CCD 即發(fā)生 光電效應， 產(chǎn)生對應分布的電荷量。 通過模數(shù)轉換即可得到對應的數(shù)字量。 由于 一般均采用 8 位模數(shù)轉換，則最低強度光線（黑）到最高強度光線（白）分成 256 等分（ 0255），專業(yè)術語稱之為灰階或灰度隨著信息時代的到來， 用計算機處理各種信息的需求越來越多。 多媒體信息處 理技術已經(jīng)成為日常生活各個領域的迫切需要， 而人們就更希望能用計算機來處 理視覺問題， 例如利用人臉、 虹膜、指紋等識別技術來處理和個人有關的一切事 務。利用自動識別技術幫助盲人， 利用視覺自動監(jiān)控系

7、統(tǒng)監(jiān)視環(huán)境中發(fā)生的非常 事件，如陌生人的侵入、老年人的異常行動等。在如智能交通管理系統(tǒng)、視頻檢 索、用于軍事目的的自動目標檢測等， 都需要使用機器視覺技術來解決問題。 正 如視覺是人類在自然環(huán)境和社會環(huán)境生存不可缺少的最重要感知器官， 機器視覺 技術也是信息技術中一門不可缺少的技術， 因此它成為計算機學科中不可或缺的 一們學科。1.1.1 機器視覺組成原始數(shù)據(jù)圖 1-1 機器視覺系統(tǒng)的組成框圖圖 1-1 用圖的方式表示了一個機器視覺系統(tǒng)在最基本層次上的組成。首先對未 知物體進行度量， 并確定一組特征的度量值。 在工業(yè)使用中， 這些特征包括被度 量零件在圖像中的長， 寬和面積。 一旦特征經(jīng)過度量

8、后， 其數(shù)值就被送到一個實 現(xiàn)決策規(guī)則的過程中去。 這種決策的規(guī)則一般用一個子程序實現(xiàn)。 它對度量值進 行計算，并根據(jù)所度量的值確定物體最可能屬于的類別。典型的機器視覺系統(tǒng)一般包括：光源，光學鏡頭，攝像機，傳感器，圖像分析 處理軟件，通訊接口等組成的。場景圖像描述圖 1-2 ：機器視覺基本結構如圖 1-2 所示光源：在目前的機器視覺使用系統(tǒng)中， 好的光源和照明方案往往是整個系統(tǒng)成敗 的關鍵，光源和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 部分和那些不重要部份之間應盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別。 其中 LED 光源憑借其 諸多的優(yōu)點在現(xiàn)代機器視覺系統(tǒng)中得到越來越多的使用光學鏡頭： 光

9、學鏡頭相當于人眼的晶狀體， 在機器視覺系統(tǒng)中非常重要。 鏡頭的 主要性能指標有焦距、光闌系數(shù)、倍率、接口等。相機：相機是機器視覺系統(tǒng)獲取原始信息的最主要部分， 目前主要使用的 CMOS 相機和 CCD 相機。目前 CCD 攝像機以其小巧、可靠、清晰度高等特點在商用 和工業(yè)領域都得到了廣泛地使用。圖像采集卡：在基于 PC 機的機器視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機拍照， 完成圖像采集和數(shù)字化，協(xié)調整個系統(tǒng)的重要設備。視覺傳感器：基于 PC 機的機器視覺系統(tǒng)結構沒有模塊化，安裝不方便，可移 植性差，特別是和工業(yè)廣泛使用的 PLC 接口比較麻煩。從軟件和硬件開發(fā)兩個 方面來考慮， 都需要一種更適合工

10、業(yè)需求的機器視覺組件。 目前國外已經(jīng)開發(fā)出 了一種叫做視覺傳感器的模塊化部件，圖 2 為實物圖。這種視覺傳感器集成了 光源、攝像頭、圖像處理器、標準的控制和通訊接口，自成為一個智能圖像采集 和處理單元，內部程序存儲器可存儲圖像處理算法，并能使用 PC 機，利用專 用組態(tài)軟件編制各種算法下載到視覺傳感器的程序存儲器中。視覺傳感器將 PC 的靈活性， PLC 的可靠性、分布式網(wǎng)絡技術結合在一起。用這樣的視覺傳感器 和 PLC 可以更容易地構成機器視覺系統(tǒng)1.1.2 機器視覺使用機器視覺被稱為自動化的眼睛， 在國民經(jīng)濟、 科學研究及國防建設等領域都有 著廣泛的使用。 視覺的最大優(yōu)點是和被觀測的對象無

11、接觸， 因此對觀測和被觀測 者都不會產(chǎn)生任何損傷，十分安全可靠，這是其他感覺方式無法比擬的。另外， 視覺方式所能檢測的對象十分廣泛， 可以說對對象是不加選擇的。 理論上， 人眼 觀察不到的范圍計算機視覺也可以觀察。 例如紅外線、 微波、超聲波等人類就觀 察不到，而機器視覺則可以利用這方面的敏感器件形成紅外線、 微波、超聲波等 圖像。因此可以說機器視覺擴展了人類的視覺范圍。 另外， 人無法長時間地觀察 對象，計算機視覺則不知疲勞， 始終如一地觀測， 所以機器視覺可以廣泛地用于 長時間惡劣的工作環(huán)境。下面列舉一些已取得的使用成果 10-14 ： 檢測技術是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎技術之一 ,是保證產(chǎn)品質量

12、的關鍵。 近年來 ,隨著 市場競爭的不斷加劇 ,對產(chǎn)品質量的要求幾乎近于苛刻 ,產(chǎn)品在線 100%檢測、控制 和管理已成為企業(yè)不可缺少的技術裝備 ,并可通過網(wǎng)絡和制造業(yè)信息化系統(tǒng)連接 , 實現(xiàn)產(chǎn)品質量管理。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展 ,許多傳統(tǒng)的檢測技術已不能滿足其 需要,表現(xiàn)在 :現(xiàn)代制造產(chǎn)品種類有很大的擴充 ,現(xiàn)代制造強調實時、在線、非接觸 檢測 ,現(xiàn)代產(chǎn)品的制造精度大大提高 ;現(xiàn)代制造業(yè)的進步需要研究新型的產(chǎn)品檢測 技術,視覺檢測技術具有非接觸、速度快、精度合適、現(xiàn)場抗干擾能力強等突出 的優(yōu)點 ,能很好地滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求 ,在實際中顯示出廣闊的使用前景。機器 視覺檢測系統(tǒng)正是適應以上要求而

13、發(fā)展起來的一門學科。 機器視覺檢測系統(tǒng)是建 立在計算機視覺研究基礎上的一門新興檢測技術 ,可用于工業(yè)領域的很多方面 ,如 零件檢驗和尺寸測量、 零件的缺陷檢查、 零件裝配、 機器人的引導和零件的識別 等。在現(xiàn)代制造業(yè)自動化生產(chǎn)中 ,涉及到各種各樣的檢查、測量和零件識別使用。 這類加工生產(chǎn)的共同特點是連續(xù)大批量生產(chǎn)、 對尺寸精確度的要求非常高。 這種 帶有高度重復性和智能性判斷的工作一般只能靠人手工檢測來完成,我們經(jīng)常在一些工廠的現(xiàn)代化流水線后面看到數(shù)以百計甚至逾千的檢測工人來執(zhí)行這道工 序 ,在給工廠增加巨大的人工成本和管理成本的同時 ,仍然不能保證 100%的檢驗 合格率 ,而當今企業(yè)之間的

14、競爭 ,已經(jīng)不允許哪怕是 0.1%的缺陷存在。有些時候 如微小尺寸的精確快速測量 ,形狀匹配 ,顏色辨識等 ,用人眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地 進行 ,其它物理量傳感器也難有用武之地。以鑄件而言 ,它的形狀不規(guī)則導致難以 測量 ,而鈑金件也是千變萬化。這時 ,計算機的快速性、可靠性、結果的可重復性 和人類視覺的高度智能化和抽象能力相結合 ,使機器視覺在工業(yè)檢測中的使用越 來越廣泛。機器視覺的特點是自動化、客觀、非接觸和高精度,和一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比 ,機器視覺強調的是精度和速度 ,以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠 性。機器視覺系統(tǒng)形式多樣，在不同的場景中使用所采用攝像裝置也是不同的。 主要區(qū)分為，線陣

15、和面陣兩類。 工業(yè)視覺大多數(shù)使用線陣系統(tǒng)。 下面列出部分使 用線陣和面陣視覺系統(tǒng)的使用。(1)紡織和服裝 斷紗檢測; 織染檢測 ;布料、皮革形狀檢測。食品和糧食糧食異物檢測、分揀和色選 ;飲料液位檢測 ;生產(chǎn)日期、保質期字符識別 ; 灌裝線上空瓶的破損、潔凈檢測。特種檢驗 纜繩磨損和破損檢測 ; 容器和管道探傷 ; 游樂設施速度檢測 ; 危險裝備的在線狀態(tài)檢測。包裝外觀完整性檢測 ;條碼識別;唆頭、密封性檢測。機械制造 零部件外形尺寸檢測 ; 裝配完整性檢測 ; 部件的定位和姿態(tài)識別 ; 零件、發(fā)動機、底盤等編號的同色凹字符識別。郵政分揀郵政編碼識別 ;包裹物品檢測。海關和口岸 指紋、掌紋、虹

16、膜和人臉識別 ; 貨物識別;安檢危險物品檢測。 此外，機器視覺還廣泛使用于集成電路檢測、航空航天、軍事國防、消防和 公路交通等。1.1.3 機器視覺的現(xiàn)狀和發(fā)展機器視覺自七步發(fā)展到現(xiàn)在，已有接近 15 年的歷史。應該說機器視覺作為一 個使用系統(tǒng)，其功能特點是隨著工業(yè)自動化的發(fā)展而逐漸完善和發(fā)展的。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球整個視覺市場總量大概在 70 億美元這個規(guī)模，并且 按照每年 8.8%的速度在增長。而在中國，由于工業(yè)自動化成都還沒有達到國外 的先進水平， 所以機器視覺在中國的使用還處于起步階段， 但是隨著制造業(yè)對自 動化的需求以及對生產(chǎn)質量和管理水平的不斷提高， 中國對機器視覺的需求將會 不

17、斷上升。目前機器視覺朝著兩個大方向在發(fā)展，一個是嵌入式，如傳感器和智能相機， 另一個是基于 PC 的采集板卡和 SDK 的解決方案。兩者不能說孰優(yōu)孰劣，他們 都有各自的適用場合和適用時期?；?PC 的采用板卡和 SDK 的產(chǎn)品有比較悠久的歷史，它是機器視覺在作為 一個產(chǎn)業(yè)發(fā)展之前以圖像處理的概念在工業(yè)控制領域萌芽時期就存在的， 一直延 續(xù)到今日。她需要用戶有比較好的編程基礎和對現(xiàn)場使用有比較豐富的經(jīng)驗。按照國外的發(fā)展經(jīng)驗， 這類產(chǎn)品加上開發(fā)費用一般價格都比較昂貴， 所以一般 只在一些要求高速度、高精度的場合如半導體行業(yè)等使用。隨著 IC 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以及圖像處理算法技術的不斷成熟，過去很多需要

18、定制開 發(fā)的軟件使用現(xiàn)在都可以做成嵌入式的固定模塊化產(chǎn)品。 這類產(chǎn)品適用于被檢測 產(chǎn)品大多具有比較規(guī)則的形狀、簡單的檢測項目等一類的常規(guī)使用。目前，在很多中低端的使用場合， 傳感器和智能相機得到了很大的發(fā)展。 因為 其易于使用， 容易學習，特別對于系統(tǒng)集成商來說， 對于其快速進行系統(tǒng)集成項 目非常有利。然而，隨著終端客戶對產(chǎn)品從外觀、 內部結構、 產(chǎn)品質量到功能的多樣化等需 求的不斷增長， 給生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)提出了更高的要求， 使得生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)從制造到 管理都必須符合新形式的需求。 客戶需要更多的靈活使用的產(chǎn)品。 嵌入式系統(tǒng)以 及基于 PC 的系統(tǒng)都在向前發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品在使用高速器件之后的處

19、理速度和精度越來越高， 基本上可以 滿足高端使用場合， 這使得嵌入式產(chǎn)品已經(jīng)可以覆蓋高中低端的需求， 從而不斷 的搶占原來基于 PC 的采用板卡和 SDK 的產(chǎn)品市場。而基于PC的采用板卡和 SDK的產(chǎn)品，其 SDK也變得越來越易用和開放。他 們把機器視覺的底層算法進行模塊化封裝， 對機器視覺的處理過程進行流程化的 設計，使得整個機器視覺設計猶如“搭積木”一樣，在易用性和靈活性方面取得 平衡，既方便非專業(yè)用戶進行設計， 又不會使得機器視覺只局限于某集中特定的 使用。它除了含有最一般的圖像處理常用方法如濾波、 圖像增強等外， 還還有機器視 覺領域很多處理模塊如尺寸測量肌酸、邊緣檢測、 Blob

20、分析等，同時配合系統(tǒng)仿真處理環(huán)境， 利用這些處理模塊， 配合不同的行業(yè)使用面而是用相應的處理流 程，是可以在很短的時間內為用戶開發(fā)出性價比很高的行業(yè)解決方案。 硬件方面， 新的系統(tǒng)都整合有圖像采集、 圖像處理、在線顯示、標準的 I/O 包括串口、并口、 鼠標鍵盤、網(wǎng)絡接口等。同時還集成有和外部工業(yè)控制設備連接的數(shù)據(jù)I/O、運動控制、 PLC 等接口。因為機器視覺必須和工業(yè)自動化設備配合使用， 所以這些擴展接口被整合到圖 像處理裝置里， 同時配合模塊化的圖像處理軟件， 為用戶提供一體化的圖像解決 方案，并能和外部的工業(yè)控制設備實現(xiàn)無縫對接。同時，隨著制造行業(yè)對管理的要求越來越高， 信息管理系統(tǒng)在

21、制造過程越來越 重要，而機器視覺系統(tǒng)本質上是屬于一個質量檢測環(huán)節(jié)，它需要和制造環(huán)節(jié)的 MES 系統(tǒng)以及上層管理環(huán)節(jié)的 ERP系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，故此，圖像處理裝置的 用戶二次開發(fā)使用環(huán)境和外部接口就顯得更為重要。顯然，中國的工業(yè)自動化的發(fā)展較歐美日等工業(yè)發(fā)達的國家相差不少距離。 在 中國目前的機器視覺的產(chǎn)業(yè)環(huán)境中， 終端用戶和系統(tǒng)集成商都比較偏好于使用嵌 入式的視覺系統(tǒng)如傳感器和智能相機。 這類系統(tǒng)只需要經(jīng)過一段短時間的培訓即 可讓用戶使用，比較快速地解決問題。然而隨著實際使用的深入， 不少用戶開始覺得固定式的嵌入式使用靈活性不足， 于是，基于 PC 的產(chǎn)品依然有存在市場的合理性。按照國外的發(fā)展

22、經(jīng)驗， 一般來說， 嵌入式傳感器類的視覺產(chǎn)品大多定位于中低 端的使用，基于 PC 的這類開放式的產(chǎn)品因為其需要一定量的二次開發(fā)，能夠靈 活地適應多種需求，因此大多定位于中高端的產(chǎn)品使用基于 PC 的機器視覺系統(tǒng)。當然，在中國的產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境， 由于人力成本的差異等因素， 不一定會完全按 照國外的發(fā)展路線和模式。 例如，在本土市場， 有系統(tǒng)集成商采用各種低廉的產(chǎn) 品組件可以開發(fā)出性能和嵌入式產(chǎn)品一致但價格較為低廉的視覺系統(tǒng)。隨著工業(yè)自動化使用在中國各行各業(yè)的縱深發(fā)展，按照未來產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢， 嵌入式的產(chǎn)品和基于 PC 的產(chǎn)品會在市場上長期并存，嵌入式的產(chǎn)品會集成更多 的功能和更加靈活的使用，市場份

23、額會越來越大，而基于 PC 的產(chǎn)品其開發(fā)難度 也會隨著軟件包的易用性的不斷增強而減少， 其使用會在一些高速和高精度場合 得到保留。機器視覺的研究、 發(fā)展和使用還遠沒有達到成熟的程度。 機器視覺從誕生到今 天才只有短短的三十多年時間， 在機器視覺中承擔 “大腦”作用的圖像分析處理、 圖像理解和模式識別理論和技術基礎還非常不完善 4 。甚至，機器視覺的圖像 獲取系統(tǒng)也存在許多局限， 比如高速圖像采集實現(xiàn)困難、 價格過高，圖像分辨率、 靈敏度等不高， 敏感元件的制造困難， 視覺系統(tǒng)的體積較大， 自適應的圖像獲取 無法實現(xiàn)等。 本文從這幾個方面介紹機器視覺的最新發(fā)展情況： 圖像獲取、圖像 處理和模式識

24、別理論。1，圖像獲取技術的最新發(fā)展圖像獲取技術的發(fā)展迅猛， CCD 、CMOS 等固體器件已經(jīng)變成成熟使用的技 術。首先來看， 線陣圖像敏感器件， 像元尺寸不斷減小， 陣列像元數(shù)量不斷增加， 像元電荷傳輸速率得到極大提高。如表 1 所示，為一種高性能線陣 CCD 器件的 參數(shù) 5 。從中可以看到，目前的線陣器件的性能和參數(shù)發(fā)生了根本的變化，主 要表現(xiàn)在像元數(shù)和數(shù)據(jù)率得極大提高， 而且器件設計集成了新的功能， 具有可編 程能力，如增益調整、曝光時間選擇、速率調節(jié)，以及維護等。在機器視覺中， 高速器件使用的場合在不斷拓展， 如高速掃描圖像獲取， 在集成電路檢查、 零件 姿態(tài)識別、快速原型中的逆向工

25、程、紡織、色選等，都是高速器件的用武之地 在線陣器件性能提高的同時， 高速面陣圖像器件性能也在快速提高。 某種超高 速面陣 CCD 器件，允許的最大分辨率達 12801024像 素，最大幀率 1MHz 時 可采集 4 幀圖像，且像素靈敏度達 1 2bits。在提高諸如分辨率、速率、靈敏度等 性能的同時， 也在發(fā)展一些用途和使用場合特殊的器件， 如對紅外敏感的或微光 攝像機，對其他射線和超聲波敏感的器件等。 此外，其他類型的圖像獲取器件的研究也展露頭角，比如，光纖視覺傳感器，結 合其他光電技術，以及構成陣列器件已經(jīng)有報道。 作為圖像獲取裝置的組成部分， 嵌入式系統(tǒng)、 DSP 對圖像獲取起著圖像采

26、集和時序控制的作用。 大量的工業(yè)圖像 處理系統(tǒng)中采用嵌入式系統(tǒng)或 DSP，也有部分系統(tǒng)采用工業(yè) PC 機作為主控機器， 完成圖像采集、 處理和識別， 并完成控制的功能。 嵌入式系統(tǒng)或嵌入式微控制器 （Embedded MCU）芯片技術發(fā)展迅速，主要的工業(yè)使用采用 8位、16 位芯片， 高端使用已經(jīng)采用 32 位 芯片。在高精度的運動檢測和控制領域， 32 位嵌入式 微控制器使用報道也不鮮見。 在機器視覺系統(tǒng)中， 對嵌入式系統(tǒng)性能的要求比一 般的工業(yè)控制、機器人控制等場合要高。如，某種 32 位嵌入式微控制器芯片， 內嵌大容量的 Flash ROM 和 SRAM ，其主頻達到 700MHz，帶豐

27、富的 DSP 指令 系統(tǒng)，高速并行接口、通信接口齊備，提供可視化編程，支持匯編、 ANSIC 以 及 V isua lC+ 等語言編程，支持在線仿真和調試等，使得開發(fā)使用的周期大大 縮短。，圖像處理、圖像理解和模式識別理論研究及最新發(fā)展前面已經(jīng)述及， 機器視覺是針對工業(yè)使用領域。 但作為視覺系統(tǒng)， 所采用的圖 像處理、 圖像理解和模式識別的基礎理論和技術是相同的。 數(shù)字圖像處理、 圖像 理解和模式識別， 這是當今計算機視覺研究的熱點。 這既表明， 圖像處理和模式 識別在現(xiàn)代信息技術中的重要作用， 同時也說明， 該研究領域仍然存在大量沒有 解決的研究難題。圖像的增強、圖像的平滑、圖像的數(shù)據(jù)編碼和

28、傳輸、邊緣銳化、圖像的分割 等在不同的研究目標和使用中會采取不同的方法，也在不斷出現(xiàn)新的研究成果， 本文不述及。作為機 器視覺能否得到使用， 關鍵在于圖像的識別。 圖像的模式識別過程實際上可以看 作是一個標記過程， 即利用識別算法來辨別景物中已分割好的各個物體， 給這些 物體賦予特定的標記， 它是機器視覺系統(tǒng)必須完成的一個任務。 什么是模式和模 式識別？廣義地說， 存在于時間和空間中可觀察的事物， 如果可以區(qū)別它們是否 相同或相似， 都可以稱之為模式； 狹義地說，模式是通過對具體的個別事物進行 觀測所得到的具有時間和空間分布的信息； 把模式所屬的類別或同一類中模式的 總體稱為模式類（或簡稱為類

29、） 。而“模式識別”則是在某些一定量度或觀測基 礎上把待識模式劃分到各自的模式類中去 6 。模式識別的方法，即數(shù)據(jù)聚類、 神經(jīng)網(wǎng)絡、統(tǒng)計分類和結構（句法）模式識別方法。用于圖像識別的方法主要分 為決策理論和結構方法。 決策理論方法的基礎是決策函數(shù)， 利用它對模式向量進 行分類識別，是以定時描述（如統(tǒng)計紋理）為基礎的；結構方法的核心是將物體 分解成了模式或模式基元，而 不同的物體結構有不同的基元串（或稱字符串） ，通過對未知物體利用給定的模 式基元求出編碼邊界， 得到字符串， 再根據(jù)字符串判斷它的屬類。 這是一種依賴 于符號描述被測物體之 間關系的方法。廣泛使用于統(tǒng)計模式識別中密度估計的方法之一

30、是基于混合密度模型的。根據(jù)期望最大（ EM ）算法得到了這些模型中有效的訓練過程。按照共 享核函數(shù)可以得出條件密度估計的更一般的模型， 類條件密度可以用一些對所有 類的條件密度估計產(chǎn)生作用的核函數(shù)表示。 提出了一個模型， 該模型對經(jīng)典徑向 基函數(shù)（ RBF）網(wǎng)絡進行了修改，其輸出表示類條件密度。和其相反的是獨二混 合模型的萬法， 其中每個類的密度采用獨二混合密度進行估計。 提出了一個更一 般的模型，共享核函數(shù)模型是這個模型的特殊情況。在 20 世紀 70 年代，波蘭學者 Pawlak Z 和一些波蘭的邏輯學家們一起從事關 于信息系統(tǒng)邏輯特性的研究。 粗糙集理論就是在這些研究的基礎上產(chǎn)生的。 1

31、982 年，Pawlak Z 發(fā)表了經(jīng)典論又 Rough Sets，宣告了粗糙集理論的誕生。此后，粗 糙集理論引起了許多科學家、 邏輯學家和計算機研究人員的興趣， 他們在粗糙集 的理論和使用萬面作了大量的研究工作。 1991年，Pawlak Z的專著和 1992年使 用專集的出版， 對這一段時期理論和實踐工作的成果作了較好的總結， 同時促進 了粗糙集在各個領域的使用。 此后召開的和粗糙集有關的國際會議進一步推動了 粗糙集的發(fā)展。越來越多的科技人員開始了解并準備從事該領域的研究。目前， 粗糙集已成為人工智能領域中一個較新的學術熱點， 在模式識別、 機器學習、 知 識獲取、決策分析、過程控制等許多

32、領域得到了廣泛的使用。參考又獻 f71 提出了一種模式識別理論的新模型，它是基于“認識”事物而 不是基于“區(qū)分”事物為目的。和傳統(tǒng)以“最佳劃分”為目標的統(tǒng)計模式識別相 比，它更接近于人類“認識”事物的特性，故稱為“仿生模式識別” 。它的數(shù)學 萬法在于研究特征空間中同類樣本的連續(xù)性 （不能分裂成兩個彼此不鄰接的部分 ） 特性。又中用“仿生模式識別” 理論及其“高維空間復雜幾何形體覆蓋神經(jīng)網(wǎng)絡” 識別萬法， 對地平面剛性目標全萬位識別問題作了實驗。 對各種形狀相像的動物 及車輛模型作全萬位 8 800 次識別，結果正確識別率為 99.75，錯誤識別率和拒 識率分別為 0和 0.25%。在特征生成上

33、，發(fā)展出許多新的技術，包括基于小波、小波包、分形的特征， 以及獨二分量分析。其他研究，也都取得了長足的進展，諸如關子支持向量機， 變形模板匹配，線性以及非線性分類器的設計， 包括貝葉斯分類器、 多層感知器， 決策樹和 RBF 網(wǎng)絡，獨二于上下又的分類，包括動態(tài)規(guī)劃和隱馬爾科夫建模技 術。2.3 機器視覓領域使用的拓展 機器視覺的使用研究，已經(jīng)拓展到幾乎每個可能的工業(yè)領域。最主要的使用 行業(yè)，為汽車、制藥、電子和電氣、制造、包裝 /食品 /飲料、醫(yī)學等。在現(xiàn)代工 業(yè)自動化生產(chǎn)中， 涉及到各種各樣的檢查、 測量和零件識別使用， 例如汽車零配 件尺寸檢查和自動裝配的完整性檢查、 電子裝配線的元件自動

34、定位、 飲料瓶蓋的 印刷質量檢查、 產(chǎn)品包裝上的條碼和字符識別等。 這類使用的共同特點是連續(xù)大 批量生產(chǎn)、 對外觀質量的要求非常高。 這種帶有高度重復性和智能性的工作， 過 去是靠人工檢測來完成。 人工執(zhí)行這些工序， 在給工廠增加巨大的人工成本和管 理成本的同時，仍然不能保證 100%的檢驗合格率 （即“零缺陷 ）0 0.1%的缺陷的 存在，對企業(yè)在幣場上的競爭也是極為不利的。 有些時候， 如微小尺寸的精確快 速測量、形狀匹配、顏色辨識等，用人眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地進行。機器視覺的 引入，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工檢測萬法， 避免了人眼的視覺疲勞。 由于機器視覺系統(tǒng)可 以快速獲取大量信息， 而且易于自動處理

35、， 也易于同設計信息以及加工控制信息 集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，機器視覺系統(tǒng)廣泛地使用于工況監(jiān)視、 成品檢驗和質量控制等領域。 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。 而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成， 是實 現(xiàn)計算機集成制造的基礎技術， 極大地提高了投放幣場的產(chǎn)品質量， 提高了生產(chǎn) 效率。典型的線徑的在線檢測和控制， 如被加工工件的直徑測量、 銅線的拉

36、線線 徑測量和控制， 傳統(tǒng)的接觸式測量方法存在缺陷， 人工在線測量是不可能的。 采 用線陣 CCD 線徑測量方法，是較早期機器視覺成功使用的例證。機器視覺的特 點是自動化、客觀、非接觸和高精度，和一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比，機器 視覺強調的是精度和速度， 以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。 機器視覺極適用于大 批量生產(chǎn)過程中的測量、檢查和辨識。線陣 CCD 在連續(xù)、掃描在線測量中的使 用非常具有優(yōu)勢，如面積測量” ，不僅得到的結果準確，而且實時、快捷。再 如，零件裝配完整性、裝配尺寸精度、零件加工精度、位置 /角度測量、零件識 別、特性 /字符識別等。在零售業(yè)界， POS 的終端設備，如條碼識讀機

37、，也是線 陣 CCD 在機器視覺上的典型使用。連續(xù)流動流體測量，如，透明管道水的澄清 度、異物測量，為自來水、工業(yè)污水水質測量和控制，江河污染監(jiān)測;此外，如在線食用油品油質監(jiān)測，為保證生產(chǎn)出合格的油品提供保障。隨著圖像處理和模式識別理論研究的進展， 采用二維圖像的機器視覺系統(tǒng)在最 近幾年得到了成功使用。 如指紋、 掌紋、虹膜和人臉等食物特征識別的機器視覺 系統(tǒng)，已經(jīng)在機場、車 站安檢、考勤、門禁認證、海關通關等場合使用 ; 在恐怖主義威脅下，不僅對人 的識別更加重視， 貨物運輸中也逐步考慮使用更加先進的機器視覺系統(tǒng)， 如，采 用計算機斷層掃描技術的貨物安檢和成分識別研究正在開展。在醫(yī)學診療過程

38、中，病癥的識別離不開機器視覺系統(tǒng)的使用。如，超聲波、 CT.磁共振、基于 CCD 的內窺鏡等裝備，在大、中型醫(yī)院已經(jīng)獲得普遍推廣。目前，國際上視覺系統(tǒng)的使用方興未艾， 國內， 機器視覺系統(tǒng)也進入使用的快 速發(fā)展期， 主要的視覺系統(tǒng)采用進口， 不同類型的使用， 均可以采取購買成熟系 統(tǒng)的方法。 國內形成產(chǎn)品的視覺系統(tǒng)主要有， 用于糧食的色選機、 線徑測量系統(tǒng)HALCON 概述德國 MVtec 公司的圖像處理軟件 HALCON ，是世界公認具有最佳效能的機器 視覺軟件。它發(fā)源自學術界，有別于市面一些商用軟件包。事實上，這是一套圖 像處理庫， 由一千多個各自獨立的函數(shù)， 以及底層的數(shù)據(jù)管理核心構成。

39、 其中包 含了各類濾波、色彩分析以及幾何、數(shù)學變換、形態(tài)學計算分析、校正、分類、 辨識、形狀搜索等等基本的幾何以及圖像計算功能， 由于這些功能大多并非針對 特定工作設計的，因此只要用得到圖像處理的地方，就可以用 HALCON 強大的 計算分析能力來完成工作。 使用范圍幾乎沒有限制， 涵蓋醫(yī)學、遙感探測、監(jiān)拎、 及工業(yè)上的各類自動化檢測。近年來，由于機器視覺技術的發(fā)展，這種可以”取 代人眼”，對重復工作不會疲勞， 精度高且穩(wěn)定的特質， 促進了高科技業(yè)的發(fā)展， 例如電子業(yè)產(chǎn)量的大幅提升。而 MVTec 公司更是不斷的和學術界合作，并且將 最新的學術研究成果納入其中， 不但使自己的技術處于業(yè)界領導地

40、位， 同時也將 機器視覺技術推向更高的境界。機器視覺軟件 HALCON 在世界范圍內被廣泛的使用，用戶可以利用其開放式 結構快速開發(fā)圖像處理和機器視覺使用。一個專業(yè)的圖像處理工具不只包含一個圖像處理函數(shù)庫。 圖像處理任務的解決 只是整個機器視覺解決方案的一部分， 還包括處理控件和或者數(shù)據(jù)庫連接等軟件 部分，圖像獲取及其照明等硬件部分。因此，圖像處理系統(tǒng)簡單易用，并且能活 嵌入到開發(fā)項目中是非常重要的。 Halcon 充分考慮到這些方面，它有如下的特 點:1. HALCON 包含了一套交互式的程序設計接口 HDevelop，可在其中以 HALCON 程序代碼直接編寫、修改、執(zhí)行程序，并且可以查看

41、計算過程中的所有變量，設 計完成后，可以直接輸出 C/ C+，或是 COM(visual basic)程序代碼，嵌入到使 用程序程序中。2, HALCON 不限制取像設備，可以自行挑選合適的設備。原廠己提供了 4 0 余 種相機的驅動，即使是尚未支持的相機，除了可以透過指針 (pointer)輕易的抓取 影像，還可以利用 HALOCN 開放性的架構，自行編寫 DLL 文件和系統(tǒng)連接。3、使用 HALCON 有最好的投資效益。這套軟件支持的操作系統(tǒng)除了微軟的 NT/XP/2000，還有 Linux, Solaris7, 181X6. 5, 1ru64 UN1X5. 1 等等，當需要開 發(fā)出一套系

42、統(tǒng)，就可以輕易轉換作業(yè)平臺，以符合需求。為了加快速度，還可以 使用多處理器的計算機，所編寫的程序不必更動。使用 HALOCN ，在設計人機接口時沒有特別的限制，也不需要特別的可視化 組件，可以完全使用開發(fā)環(huán)境下的程序語言，例如 Mircosoft Visual Studio 等等， 架構自己的接口， 最終用戶看不到開發(fā)工具， 而且在執(zhí)行軟件的機器上， 只需要 很少的資源。論文主要工作及結構本文在分析機器視覺發(fā)展和使用現(xiàn)狀， 從教學實驗， 工業(yè)機器視覺檢測等方面的 需要上進行考慮，搭建了一個機器視覺實驗平臺，該平臺核心為機器視覺軟件 HALCON 。該實驗平臺可以進行多種機器視覺相關實驗的設計和

43、研究，并在該 實驗平臺上設計完成了一個彈簧片檢測任務，本論文完成了以下主要內容 據(jù)項目要求和實驗要求選擇機器視覺系統(tǒng)的硬件， 設計集成方案， 組建一個實驗 平臺。采用德國 MVTec公司的機器視覺軟件 HALCON作為系統(tǒng)軟件的處理核心，降低了 機器視覺任務軟件設計的難度和開發(fā)周期。針對彈簧片工件，選擇相關算法，對其進行尺寸測量和合格判斷。對 IC 芯片表面字符進行識別基于字符全局特征和局部特征， 設計了利用多級分類器并且基于特征點特征識別 字符的特征匹配法，完成大寫英文字母和阿拉伯數(shù)字的混和識別。利用上述結果對 IC 表面標識進行識別使用。第二章： ZM-VS1200 機器視覺實驗平臺硬 件

44、設計典型的機器視覺系統(tǒng)從組成結構來分，可以分為個人計算機（PC）式機器視覺系統(tǒng)和嵌入式機器視覺系統(tǒng)。 嵌入式機器視覺系統(tǒng)也稱為智能相機， 具有易 學、易用、易維護、易安裝等特點。嵌入式機器視覺使用廠家提供的軟件開發(fā)工 具和函數(shù)來編制需要的機器視覺系統(tǒng)程序， 通過相機中嵌入的處理系統(tǒng)來執(zhí)行程 序判別、被檢測目標的特征， 并輸出結果。 使用嵌入式機器視覺系統(tǒng)可以在短時 期內構建機器視覺系統(tǒng)， 但是這類系統(tǒng)成本高， 提供的函數(shù)也有限， 同時其功能 也受到限制，很難滿足多種機器視覺實驗和測量的需求?；?PC 的機器視覺系 統(tǒng)相對來講較大、 結構復雜， 開發(fā)周期也比較長， 但是可以使用的通用軟件也比

45、較多，編制其軟件平臺的選擇性也多，本系統(tǒng)采用的是德國 MVTec 公司提供的 HALCON 機器視覺軟件作為其核心處理程序，同時用 Mircosoft Visual Studio 來 完成整體軟件系統(tǒng)集成。 該機器視覺平臺軟件算法更加靈活多樣， 而且能夠完成 功能復雜和智能化程序高的任務。系統(tǒng)功能及技術要求根據(jù)目前機器視覺教學和相關項目的需求， 設計一套整體的系統(tǒng)解決方案， 考慮 到能夠具有以下的功能和要求： 1，高性能處理功能，可滿足復雜處理過程和實時在線監(jiān)測功能； 2，多路視頻輸入功能，多路 I/O ，滿足多路測控任務； 3，支持 USB 數(shù)字相機，滿足高分辨率問題的處理要求； 4，支持

46、Mircosoft Windows XP Embedded 專業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)； 5，適用各種有形物體的視覺檢測問題； 6，可編程內部隔離輸入輸出端口，更貼近工業(yè)現(xiàn)場； 7，固態(tài)存儲，外觀優(yōu)美，安裝方便，完全模擬工業(yè)現(xiàn)場的測控環(huán)境； 8，USB2.0 接口，千兆以太網(wǎng)接口， RS232串行接口，適用聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集；系統(tǒng)硬件組成本文根據(jù)系統(tǒng)要求進行分析，選擇硬件選型，包括光源，相機，圖像采集卡等。 并且獨立設計機器視覺系統(tǒng)的主機部分， 將其連接成一個完整機器視覺平臺。 該 機器視覺平臺如下圖所示圖 2-1 VS-ZM1200 機器視覺實驗平臺2.2.1 光源照明的主要目的是通過一定方式把光源發(fā)出的

47、光投射到被測物體上， 突出被測 特征的對比度，使采集到的圖像質量得到改善從而滿足機器視覺軟件對圖像處理 和分析的要求。 照明方式的選擇主要考慮被測物體的特性、 工作距離、 視場大小 等因素。當前還沒有任何一種照明方式可以適用于所有的機器視覺工程中， 要針 對每一個機器視覺工程選擇合適的照明系統(tǒng)。表 2-2 是常用照明方式的特點、使 用場合及其原理。在目前的機器視覺使用系統(tǒng)中， 好的光源和照明方案往往是整個系統(tǒng)成敗的關 鍵。光源和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 和那些不重要部分之間應盡可能地產(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，盡可能突出所

48、要提取的特征。機器視覺工程中使用的光源除了要適合被測量目標的特性以外， 還要求光能穩(wěn) 定。光源的分類方法也很多， 目前沒有一種統(tǒng)一的分類方法。 通常根據(jù)發(fā)光器件 的不同將光源分為鹵素燈，熒光燈，氙燈，持續(xù)光電致發(fā)光管， LED 燈等。光源類型顏色壽命（小時）發(fā)光亮度特點鹵素燈白色偏黃5000-7000很亮發(fā)熱多，較便 宜熒光燈白色偏綠5000-7000亮較便宜氙燈白色偏藍3000-7000亮發(fā)熱多持續(xù)光電致發(fā) 光管由發(fā)光頻率決定5000-7000較亮發(fā)熱少，較便 宜LED 燈紅黃綠白藍60000-100000較亮發(fā)熱少，固體， 能做成各種形 狀其中， LED 光源效率高、體積小、發(fā)熱少、功耗低

49、、發(fā)光穩(wěn)定、壽命長，通 過不同的組合方式可以制造成環(huán)形、 條形、矩形等不同形狀的光源來滿足不同工程的需要。因此， LED 光源以其優(yōu)異的特性在機器視覺工程中得到了廣泛的使 用。本文選擇的是白色 LED 環(huán)形光源，同時有一個可調亮度的亮度控制器。型號： UT-70-99-W規(guī)格：外徑 99mm，內徑 70mm光色：純白色UT-70-99-W LED 燈帶有螺旋接口，專為單筒顯微鏡設計的， ，外徑，保用三年優(yōu)力特 LED無影冷光源是新世紀照明科研成果， 用戶可以根據(jù)需要加裝濾光片， 減少光線干 擾從而顯著提高圖像質量， 徹底解決了自身存在的先天缺陷 , 是環(huán)形節(jié)能燈的升級換代產(chǎn)品。 目前 LED無

50、影冷光源的優(yōu)越性逐漸被顯微鏡等使用廠商所了解和接受，使用成本亦較環(huán)形節(jié)能燈低，減少了每 1-2 個月就需更換環(huán)形燈管的麻煩。具體特點：沒有頻閃： 因為 LED無影冷光源為純直流供電，無頻閃，不易使眼睛產(chǎn)生疲勞感,亦不會對工作區(qū)域的其他設備 （ 如示波器 ）產(chǎn)生諧波干擾。光照均勻： LED無影冷光源是 360 度均勻照射，在被觀察物體上無虛影產(chǎn)生,清晰度高。超長壽命： LED無影冷光源由于發(fā)熱量極低 （ 沒有輻射 ） 、不影響觀測物的質量，耗 電量?。ǖ碗妷骸⒌碗娏髌饎樱┢骄鶋勖笥?35000 小時，遠大于普通環(huán)形燈的 1500-2500 小時，壽命為普通環(huán)形熒光的十倍以上。消除隱患： 大多數(shù)

51、環(huán)形燈工作電壓為： AC110V或 AC220V，由于使用不當燒壞電源和 燈管現(xiàn)象屢見不鮮， LED無影冷光源使用 AC100-240V 開關電源， 徹底消除上述隱患。亮度可調： 配有專用的亮度控制器（亮度控制器具有短路、過載、溫度保護功能）， 操作者可根據(jù)自身對亮度的適應性隨意調節(jié)亮度，使之達到最為理想的舒適度，使 長時間工作的眼睛不易產(chǎn)生疲勞感。環(huán)保安全： 較熒光環(huán)形比較耐震、耐沖擊不易破、廢棄物可回收，沒有汞污染，是 真正的環(huán)保、節(jié)能產(chǎn)品。2.2.2 相機相機是機器視覺系統(tǒng)中的一個關鍵組件， 其最本質的功能就是將光信號轉變成 有序的電信號。 選擇何時的相機也是機器視覺系統(tǒng)設計中的重要環(huán)節(jié)

52、， 相機的選 擇不僅直接決定所采集的圖像的分辨率、 圖像質量等， 同時也和整個系統(tǒng)的運行 模式直接相關。2.3.2.1 機器視覺中相機的分類根據(jù)不同的感光芯片可以將相機分為 CCD 相機和 CMOS 相機兩種， 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(chǎn)品上，而工業(yè)上使用較為普遍的是 CCD 相機：CCD相機： CCD 稱為電荷耦合器件， CCD實際只是一個把從圖像半導體中 出來的墊子有組織地存儲起來的方法；CMOS相機： CMOS 稱為“互補金屬氧化物半導體“， CMOS 實際上只是將 晶體管放在硅塊上的技術。人眼能看到 1Lux 照度（滿

53、月的夜晚）一下的目標， CCD 傳感器通常能看到 的照度范圍在 0.13Lux，是 CMOS 傳感器感光度的 3 到 10 倍，所以目前一般 CCD 相機的圖像質量要優(yōu)于 CMOS 相機。按照輸出圖像的格式可以分為模擬相機和數(shù)字相機：模擬相機： 模擬相機所輸出信號形式為標準的模擬量視頻信號， 需要配專用的 圖像采集卡才能轉換成計算機可以處理的數(shù)字信號。 模擬相機一般用于電視攝像 和監(jiān)控領域，具有通用性好， 成本低的特點。但是一般分辨率較低， 采集速度慢， 而且在圖像傳輸中容易受到干擾， 導致圖像質量下降， 所以只能用于對圖像質量 要求不高的機器視覺系統(tǒng)。常見的模擬相機輸出信號格式有：PAL（黑

54、白為 CCIR），中國電視標準， 625 行，50場；NTSC（黑白為 EIA ），日本電視標準， 525 行， 60場；SECAM；S-VIDEO；分量傳輸；CCD 相機成像示意圖：CCD攝像機數(shù)字相機：數(shù)字相機是在內部集成 A/D 轉換電路，可以直接將模擬量的圖像 信號轉換成數(shù)字信號， 不僅有效避免了傳輸線路的干擾問題， 而且優(yōu)于擺脫了標 準視頻信號格式的制約， 對外的信號輸出使用更加高速和靈活的數(shù)字信號傳輸協(xié) 議，可以做成各種分辨率的形式。常見的數(shù)字相機圖像輸出標準有： IEEE1394，USB2.0，DCOM3 ，RS-644LVDS， Channel Link LVDS ，Camer

55、a Link LVDS，千兆網(wǎng)。按照像素元排列方式劃分可以分為面陣相機和線陣相機：面陣相機： 面陣相機是最常見的形式， 其像素元是按行列整齊排列的， 每個像 素元對應圖像上的一個像素點。線陣相機： 是一種比較特殊的相機， 其像素元是一堆線狀排列的， 即只有一行 像素元，每次只能采集一行的圖像數(shù)據(jù)， 只有當攝像機和被攝物體在縱向相對運 動時才能得到我們平?？吹降亩S圖像。所以適用于被測物體連續(xù)運動的場合， 尤其適用于運動速度較快，分辨率要求較高的情況。根據(jù)相機采集圖像色彩不同， 可以分為黑白相機和彩色相機。 彩色相機適用于 需要提取場景中的顏色信息進行檢測和識別的場合，黑白相機只能生成灰度圖 像

56、。相對于相同精度的彩色相機來講黑白相機價格低、數(shù)據(jù)量小、速度快、也能 夠體現(xiàn)場景中的亮度信息。2.3.2.2相機的分類 相機的選擇要根據(jù)系統(tǒng)的要求綜合考慮鏡頭和圖像采集卡的情況來選擇相 機的參數(shù)。通常相機根據(jù)其參數(shù)的不同進行分類，下面是常用的分類方法 :根據(jù)相機采集圖像色彩不同， 可以分為黑白相機和彩色相機。 彩色相機適用 于需要提取場景中的顏色信息進行檢測和識別的場合， 黑白相機只能生成灰度圖 像。相對于相同精度的彩色相機來講黑白相機價格低、數(shù)據(jù)量小、速度快、也能 夠體現(xiàn)場景中的亮度信息。根據(jù)信號傳輸方式的不同相機分為模擬信號相機和數(shù)字信號相機， 模擬信號 相機成本低，在成像質量、速度、分辨

57、率方面不如數(shù)字相機性能好。根據(jù)圖像傳感器的不同相機可以分為 CCD 相機和 CMOS 相機。其中，CCD 是目前比較成熟的成像器件，已經(jīng)廣泛的被使用于各種成像和光學探測領域中， CCD 相機也成為圖像傳感器的主流產(chǎn)品。對于 CCD 相機來說，按照傳感器的像素幾何排列不同可分為線陣和面陣兩 種。面陣相機的像素幾何排列是二維平面，一般為矩形 ;線陣相機的像素按一維 直線排列。面陣相機一次可以采集到一定視野范圍內的全部圖像信息;線陣相機一次只能觀察物體的一個條狀部分，攝像頭和物體必須有相對運動來完成掃描， 把每次采集的圖像進行拼接得到圖像。 線陣相機的成像質量不如面陣相機， 但是 線陣相機分辨率高，

58、速度快，對于運動物體的連續(xù)檢測(例如 :連續(xù)運動的紙張 )有著自身的優(yōu)勢。相機的選擇除了考慮選擇黑白 /彩色、數(shù)字 /模擬、面陶線陣、精度、速度外， 還要考慮的因素有 :相機和圖像采集卡之間的數(shù)據(jù)輸出接口、相機和鏡頭之間的 聯(lián) 接 接 口 等 。 數(shù) 據(jù) 輸 出接 口 主 要 有 視 頻 制 式 模 擬 信 號 、 CameraLink, LIDS ,IEEE1394. USB 等。在系統(tǒng)的硬件選擇時要注意相機和圖像采集卡之間的 接口的類型， 盡量選用相同接口， 如果接口不同要考慮相機和圖像采集卡之間的 接口轉換問題 ;根據(jù)相機和鏡頭間的聯(lián)接支座的螺紋的不同可以分為 C 接口和 CS 接口。目

59、前工業(yè)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(chǎn)品上， 而工 業(yè)上使用較為普遍的是 CCD 相機。CCD( Charge Coupled Device)是美國人 Boyle 發(fā)明的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(xiàn)就在固體圖像傳感、 信息存儲和處理等方面得到 廣泛使用 iii 。在選擇相機時，主要有以下幾個方面的問題要考慮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，線掃描相機是指對物體進行行掃描的相機， 線掃

60、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(tài) ;需處理可旋轉圓柱體的邊緣圖像濡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面掃描相機 “。線掃描 相機的特點是運動平穩(wěn)、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(jīng)達到幾千，檢測速率也達到 61 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(tài)目標連續(xù)無遺漏 的高精度檢測。但是，針對其工作原理，采用以下技術 :選用禎傳送或行間傳 送 CC 采用高速快門 ( 電子快門 采用單場技術 ; 選用高頻光源