技術文章
機器視覺係統集成技術的三大概念
日期：2017-11-29
來源：J9九游会中国
機器視覺(MachineVision)作為光電技術應用的一個特定領域，目前已經發展成為一個前景光明、活力無限的行業，年平均增長速度超過2O％。機器視覺廣泛應用於微電子、電子產品、汽車、醫療、印刷、包裝、科研、軍事等眾多行業。涉及技術一致，應用差異明顯，是各種機器視覺應用係統的共同特點。
中國經濟經過數十年的高速發展，在很多領域完成了從無到有、從不能到可以的躍變，現在已經到了提高生產效率和產品質量、殘酷競爭的階段，很多原來使用的人工工序正逐漸被機器所取代，從而對機器視覺係統產生了越來越多的需求。而機器視覺技術本來就是為了解決生產中的各種問題發展起來的。在人類的生產活動中，人的眼睛擔負著很多重要的任務，例如放置和固定工件、觀察和估計位置、檢測外觀尺寸、確定產品的一致性、檢驗產品質量等。這些工作正在越來越多地被機器視覺係統取代，一方麵是隨著對生產速度和產品質量的要求越來越高，對檢測速度和精度的要求超過了肉眼的能力；另一方麵是因為成像技術、計算機技術或圖像處理技術的發展，機器視覺係統能夠完成的任務越來越複雜，成本也越來越低。然而，機器視覺技術作為一門新興技術，引人中國時間並不長，真正有經驗的係統集成人員也不多，而機器視覺係統涉及到照明、成像、電子、自動控製、計算機軟件硬件、機械設計、傳感器、光學等各方麵，把這些不同的技術集成到1個係統內，並使其相互完美配合工作，本身就是艱巨的任務。本文將介紹需求分析、資源配置、係統集成等幾個方麵的內容。
A、需求分析
準確地描述機器視覺係統需要完成的功能和工作環境，對於整個機器視覺係統的成功集成是至關重要的。對於需求的描述，實際定義了視覺係統工作的場景，而圍繞這個場景設計1個係統來獲取合適的圖像，並提取有用的信息或控製生產過程就是我們工作的目標。
機器視覺係統集成技術的三大概念
B、資源配置
機器視覺係統集成時，涉及到多門技術，最基本的係統也需要照明、成像、圖像數字化、圖像處理算法、計算機軟件硬件等，稍微複雜一點的係統還會用到機械設計、傳感器、電子線路、PLC、運動控製、數據庫、SPC等等。顯而易見，要把這麽多不同方麵的技術和知識組合到1個係統裏，使其相互完美配合並穩定地工作，對係統集成人員提出了很高的要求，需要根據具體的需求來確定所需要配置的資源和對策。
B.1機械設計
由於需求不同，對機械部分的要求差別很大，如果是全自動的機器視覺係統，機械部分一般需要完成的功能有理料、輸送、定位、剔除、下料等功能，而有的機器視覺係統則隻需要適當的固定支架來固定相機、鏡頭和計算機即可，差別很大。
B.2照明光源
這個看似簡單的照明係統是機器視覺係統最為關鍵的部分，直接關係到係統的成敗，其重要性無論如何強調都是不過分的。好的設計能夠使我們得到1幅好的圖像，從而改善整個係統的分辨率，簡化軟件的運算，而不合適的照明，則會引起很多問題。例如花點和過度曝光會隱藏很多重要的信息；陰影則會引起邊緣的誤檢；而信噪比的降低以及不均勻的照明會導致圖像處理閾值選擇的困難。1幅好的圖像需要滿足以下條件：
1、充分利用視場使被檢測物體特征充滿視場，從而可以最大限度地利用係統的分辨率；
2、對比度合適灰度級的最大值接近255，而最小值接近0；
3、焦距準確圖像沒有因為景深或運動而不清晰；
4、照明均勻，避免反光；
5、圖像畸變小；
6、感興趣的特征容易被檢測識別，其他特征不顯示或得到抑製。如果選擇的光源，能使圖像達到這些基本的要求，就完成了機器視覺係統集成的第1步。
B.3成像係統
從係統集成的角度，簡單列舉選擇這些硬件的原則。
由於相機鏡頭和板卡經過多年的發展，目前已經相當成熟，而且在國內市場上，選擇的餘地也不大，一般是本著經濟的原則，夠用就好。
B.4計算機係統
機器視覺係統的最佳配置，是使用工控機還是使用嵌入式係統？在這個問題上，見仁見智，各有優缺點，主要還是看使用的場合和係統的需求。
B.5圖像處理
圖像處理作為機器視覺係統必不可少的部分，顯得如此重要，以至於很多情況下，初學乍到的人會以為圖像處理就是機器視覺。其實，我們所說的圖像處理實際包含了圖像增強和圖像分析2個部分。圖像增強是指經過某種處理，使圖像改變，實現對比度提高、清晰度增加、特征突出等目的；而圖像分析是指經過某種運算，來提取某種有用的信息，如有無、好壞、位置等，以便用來進行判斷或控製。例如，如何使模糊的圖像恢複到清晰，是典型的圖像增強處理，隻要得到清晰的圖像就達到了目的；在繁忙的機場抓拍過往旅客的麵孔，找到可疑恐怖分子，則是典型的圖像分析過程。經過多年的發展，圖像增強算法已經基本成熟，例如提高對比度的灰度拉伸、假彩色、邊緣提取、濾波、傅立葉變換、小波變換等。在機器視覺係統集成時，這些一般都是在圖像分析前作為圖像預處理進行的，而圖像分析算法才是機器視覺真正需要解決的問題。
C、係統集成
明確了我們的需求，估計了我們需要配置的資源，理解了各子係統需要完成的工作，就把這些知識綜合考慮組成了1個整機係統。
中國經濟經過數十年的高速發展，在很多領域完成了從無到有、從不能到可以的躍變，現在已經到了提高生產效率和產品質量、殘酷競爭的階段，很多原來使用的人工工序正逐漸被機器所取代，從而對機器視覺係統產生了越來越多的需求。而機器視覺技術本來就是為了解決生產中的各種問題發展起來的。在人類的生產活動中，人的眼睛擔負著很多重要的任務，例如放置和固定工件、觀察和估計位置、檢測外觀尺寸、確定產品的一致性、檢驗產品質量等。這些工作正在越來越多地被機器視覺係統取代，一方麵是隨著對生產速度和產品質量的要求越來越高，對檢測速度和精度的要求超過了肉眼的能力；另一方麵是因為成像技術、計算機技術或圖像處理技術的發展，機器視覺係統能夠完成的任務越來越複雜，成本也越來越低。然而，機器視覺技術作為一門新興技術，引人中國時間並不長，真正有經驗的係統集成人員也不多，而機器視覺係統涉及到照明、成像、電子、自動控製、計算機軟件硬件、機械設計、傳感器、光學等各方麵，把這些不同的技術集成到1個係統內，並使其相互完美配合工作，本身就是艱巨的任務。本文將介紹需求分析、資源配置、係統集成等幾個方麵的內容。
A、需求分析
準確地描述機器視覺係統需要完成的功能和工作環境，對於整個機器視覺係統的成功集成是至關重要的。對於需求的描述，實際定義了視覺係統工作的場景，而圍繞這個場景設計1個係統來獲取合適的圖像，並提取有用的信息或控製生產過程就是我們工作的目標。
機器視覺係統集成技術的三大概念
B、資源配置
機器視覺係統集成時，涉及到多門技術，最基本的係統也需要照明、成像、圖像數字化、圖像處理算法、計算機軟件硬件等，稍微複雜一點的係統還會用到機械設計、傳感器、電子線路、PLC、運動控製、數據庫、SPC等等。顯而易見，要把這麽多不同方麵的技術和知識組合到1個係統裏，使其相互完美配合並穩定地工作，對係統集成人員提出了很高的要求，需要根據具體的需求來確定所需要配置的資源和對策。
B.1機械設計
由於需求不同，對機械部分的要求差別很大，如果是全自動的機器視覺係統，機械部分一般需要完成的功能有理料、輸送、定位、剔除、下料等功能，而有的機器視覺係統則隻需要適當的固定支架來固定相機、鏡頭和計算機即可，差別很大。
B.2照明光源
這個看似簡單的照明係統是機器視覺係統最為關鍵的部分，直接關係到係統的成敗，其重要性無論如何強調都是不過分的。好的設計能夠使我們得到1幅好的圖像，從而改善整個係統的分辨率，簡化軟件的運算，而不合適的照明，則會引起很多問題。例如花點和過度曝光會隱藏很多重要的信息；陰影則會引起邊緣的誤檢；而信噪比的降低以及不均勻的照明會導致圖像處理閾值選擇的困難。1幅好的圖像需要滿足以下條件：
1、充分利用視場使被檢測物體特征充滿視場，從而可以最大限度地利用係統的分辨率；
2、對比度合適灰度級的最大值接近255，而最小值接近0；
3、焦距準確圖像沒有因為景深或運動而不清晰；
4、照明均勻，避免反光；
5、圖像畸變小；
6、感興趣的特征容易被檢測識別，其他特征不顯示或得到抑製。如果選擇的光源，能使圖像達到這些基本的要求，就完成了機器視覺係統集成的第1步。
B.3成像係統
從係統集成的角度，簡單列舉選擇這些硬件的原則。
由於相機鏡頭和板卡經過多年的發展，目前已經相當成熟，而且在國內市場上，選擇的餘地也不大，一般是本著經濟的原則，夠用就好。
B.4計算機係統
機器視覺係統的最佳配置，是使用工控機還是使用嵌入式係統？在這個問題上，見仁見智，各有優缺點，主要還是看使用的場合和係統的需求。
B.5圖像處理
圖像處理作為機器視覺係統必不可少的部分，顯得如此重要，以至於很多情況下，初學乍到的人會以為圖像處理就是機器視覺。其實，我們所說的圖像處理實際包含了圖像增強和圖像分析2個部分。圖像增強是指經過某種處理，使圖像改變，實現對比度提高、清晰度增加、特征突出等目的；而圖像分析是指經過某種運算，來提取某種有用的信息，如有無、好壞、位置等，以便用來進行判斷或控製。例如，如何使模糊的圖像恢複到清晰，是典型的圖像增強處理，隻要得到清晰的圖像就達到了目的；在繁忙的機場抓拍過往旅客的麵孔，找到可疑恐怖分子，則是典型的圖像分析過程。經過多年的發展，圖像增強算法已經基本成熟，例如提高對比度的灰度拉伸、假彩色、邊緣提取、濾波、傅立葉變換、小波變換等。在機器視覺係統集成時，這些一般都是在圖像分析前作為圖像預處理進行的，而圖像分析算法才是機器視覺真正需要解決的問題。
C、係統集成
明確了我們的需求，估計了我們需要配置的資源，理解了各子係統需要完成的工作，就把這些知識綜合考慮組成了1個整機係統。
