機器人視覺系統(tǒng)

機器人視覺系統(tǒng)機器人視覺系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗、生產(chǎn)監(jiān)視及零件識別應(yīng)用，例如零配件批量加工的尺寸檢查，自動裝配的完整性檢查，電子裝配線的元件自動定位，IC上的字符識別等。通常人眼無法連續(xù)、穩(wěn)定地完成這些帶有高度重復性和智能性的工作，其它物理量傳感器也難有用武之地。由此人們開始考慮利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標的圖像，而后經(jīng)計算機或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進行數(shù)字化處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。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(jié)合，由此產(chǎn)生了機器視覺的概念。一個成功的機器視覺系統(tǒng)是一個經(jīng)過細致工程處理來滿足一系列明確要求的系統(tǒng)。當這些要求完全確定后，這個系統(tǒng)就設(shè)計并建立來滿足這些精確的要求。機器視覺的優(yōu)點包括以下幾點：■精度高作為一個精確的測量儀器，設(shè)計優(yōu)秀的視覺系統(tǒng)能夠?qū)σ磺€或更多部件的一個進行空間測量。因為此種測量不需要接觸，所以對脆弱部件沒有磨損和危險?！鲞B續(xù)性視覺系統(tǒng)可以使人們免受疲勞之苦。因為沒有人工操作者，也就沒有了人為造成的操作變化。多個系統(tǒng)可以設(shè)定單獨運行。■成本效率高隨著計算機處理器價格的急劇下降，機器視覺系統(tǒng)成本效率也變得越來越高。一個價值10000美元的視覺系統(tǒng)可以輕松取代三個人工探測者，而每個探測者每年需要20000美元的工資。另外，視覺系統(tǒng)的操作和維持費用非常低?！鲮`活性視覺系統(tǒng)能夠進行各種不同的測量。當應(yīng)用變化以后，只需軟件做相應(yīng)變化或者升級以適應(yīng)新的需求即可。許多應(yīng)用滿意過程控制（SPC）的公司正在考慮應(yīng)用機隨著使用時間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實用化過程中急需要解決的問題。另一個方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護屏的方法，減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問題，在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對于某些要求高的檢測任務(wù)，常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。由光源構(gòu)成的照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向照明是被測物放在光源和相機之間，它的優(yōu)點是能獲得高對比度的圖像；前向照明是光源和相機位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝；結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)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，要求相機的掃描速度與光源的頻閃速度同步。■光學系統(tǒng)對于機器視覺系統(tǒng)來說,圖像是唯一的信息來源，而圖像的質(zhì)量是由光學系統(tǒng)的恰當選擇來決定。通常，由于圖像質(zhì)量差引起的誤差不能用軟件糾正。機器視覺技術(shù)把光學部件和成像電子結(jié)合在一起，并通過計算機控制系統(tǒng)來分辨、測量、分類和探測正在通過自動處理系統(tǒng)的部件。機器視覺系統(tǒng)通常能快到100%的探測所處理的產(chǎn)品而不會降低生產(chǎn)線的速度。由于越來越多的制造商正需要“6-sigma“（小于百萬分之三的有效單位）結(jié)果，以便能夠在當今質(zhì)量意識很強的市場中更有競爭力，這種能力顯得非常重要。另外，這些系統(tǒng)能夠與滿意過程控制（SPC）非常理想的配合。光學系統(tǒng)的主要參數(shù)與圖像傳感器的光敏面的格式有關(guān)，一般包括：光圈、視場、焦距、F數(shù)等。■相機相機是實際上是一個光電轉(zhuǎn)換裝置，即將圖像傳感器所接收到的光學圖像，轉(zhuǎn)化為計算機所能處理的電信號。光電轉(zhuǎn)換器件是構(gòu)成相機的核心器件。目前，典型的光電轉(zhuǎn)換器件為真空攝像管、CCD、CMOS圖像傳感器等。真空電視攝像管由密封在玻璃管罩內(nèi)的攝像靶、電子槍兩部分組成。攝像靶將輸入光學圖像的光照度分布轉(zhuǎn)換為靶面相應(yīng)象素電荷的二維空間分布，主要完成光電轉(zhuǎn)換和電荷存貯任務(wù)；電子槍則完成圖像信號的掃描拾取過程。電視攝像管型成像系統(tǒng)具有高清晰度、高靈敏度、寬光譜和高幀速成像等特點。但由于電視攝像管屬于真空管器件，其重量、體積及功耗均較大。CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。下圖為CCD相機的原理框圖。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點。CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀70年代初。90年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部象素的編程隨機訪問的優(yōu)點。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、寬動態(tài)范圍和輸出圖像幾乎無拖影等特點而得到廣泛應(yīng)用。圖像的處理和分析在機器視覺系統(tǒng)中，相機的主要功能光敏元所接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電壓的幅值信號輸出。若要得到被計算機處理與識別的數(shù)字信號，還需對視頻信息進行量化處理。圖像采集卡是進行視頻信息量化處理的重要工具?！鰣D像采集／處理卡圖像采集卡主要完成對模擬視頻信號的數(shù)字化過程。視頻信號首先經(jīng)低通濾波器濾波，轉(zhuǎn)換為在時間上連續(xù)的模擬信號；按照應(yīng)用系統(tǒng)對圖像分辨率的要求，得用采樣/保持電路對邊疆的視頻信號在時間上進行間隔采樣，把視頻信號轉(zhuǎn)換為離散的模擬信號；然后再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出。而圖像采集／處理卡在具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的同時，還具有對視頻圖像分析、處理功能，并同時可對相機進行有效的控制。■圖像處理處理軟件機器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計算機對圖像進行分析、處理和識別。機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)是實現(xiàn)儀器設(shè)備精密控制、智能化、自動化有有效途徑，堪稱現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的“機器眼睛”。其最大優(yōu)點為：（１）實現(xiàn)非接觸測量。對觀測與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，從而提高了系統(tǒng)的可靠性；（２）具有較寬的光譜響應(yīng)范圍。機器視覺則可以利用專用的光敏元件，可以觀察到人類無法看到的世界，從而擴展了人類的視覺范圍。（３）長時間工作。人類難以長時間地對同一對象進行觀察。機器視覺系統(tǒng)則可以長時間地執(zhí)行觀測、分析與識別任務(wù),并可應(yīng)用于惡劣的工作環(huán)境。機器人視覺目前存在的主要問題：1.如何準確、高速（實時）地識別出目標。2.如何有效地構(gòu)造和組織出可靠的識別算法，并且順利地實現(xiàn)。這期待著高速的陣列處理單元，以及算法（如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、小波變換等算法）的新突破，這樣就可以用極少的計算量高度地并行實現(xiàn)功能。3.實時性是一個難以解決的重要問題。圖像采集速度較低以及圖像處理需要較長時間給系統(tǒng)帶來明顯的時滯，此外視覺信息的引入也明顯增大了系統(tǒng)的計算量，例如計算圖像雅可比矩陣、估計深度信息等等。圖像處理速度是影響視覺系統(tǒng)實時性的主要瓶頸之一。4.穩(wěn)定性是所有控制系統(tǒng)首先考慮的問題，對于視覺控制系統(tǒng)，無論是基于位置、基于圖像或者混合的視覺伺服方法都面臨著如下問題：當初始點遠離目標點時，如何保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，即增大穩(wěn)定區(qū)域和保證全局收斂；為了避免伺服失敗，如何保證特征點始終處在視場內(nèi)。機器人視覺應(yīng)當進一步研究的問題：1.圖像特征的選擇問題。視覺伺服的性能密切依賴于所用的圖像特征，特征的選擇不僅要考慮識別的指標，還要考慮控制指標。從控制的觀點看，用冗余特征可抑制噪聲的影響，提高視覺伺服的性能，但又會給圖像處理增加難度。因此如何選擇性能最優(yōu)的特征，如何處理特征以及如何評價特征，都是需要進一步研究的問題。針對任務(wù)有時可能需要從一套特征切換到另一套，可以考慮把全局特征與局部特征結(jié)合起來。2.結(jié)合計算機視覺及圖像處理的研究成果，建立機器人視覺系統(tǒng)的專用軟件庫。3.加強系統(tǒng)的動態(tài)性能研究。目前的研究多集中于根據(jù)圖像信息確定期望的機器人運動這一環(huán)節(jié)上，而對整個視覺伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能缺乏研究。4.利用智能技術(shù)的成果。5.利用主動視覺的成果。主動視覺是當今計算機視覺和機器人視覺研究領(lǐng)域中的一個熱門課題。它強調(diào)的是視覺系統(tǒng)與其所處環(huán)境之間的交互作用能力。與傳統(tǒng)的通用視覺不同，主動視覺強調(diào)兩點，一是認為視覺系統(tǒng)應(yīng)具有主動感知的能力，二是認為視覺系統(tǒng)應(yīng)基于一定的任務(wù)（TaskDirected）或目的，主動視覺認為在視覺信息獲取過程中，應(yīng)更主動地調(diào)整攝像機的參數(shù)，如方向、焦距、孔徑等并能使攝像機迅速對準感興趣的物體。更一般地，它強調(diào)注視機制，強調(diào)對分布于不同空間范圍和時間段上的信號采用不同的分辨率有選擇性地感知，這種主動感知既可在硬件層上通過攝像機物理參數(shù)的調(diào)