技術文章
基於虛擬儀器的質量檢測機器視覺係統
日期：2018-02-28
來源：J9九游会中国
1引言
機器視覺技術作為計算機科學的一個重要分支，在最近30年中有迅猛的發展。其應用領域遍及工業、農業、科學研究、軍事等，對這些領域自動化水平的提高發揮了重要作用。機器視覺係統的特點是提高生產的柔性和自動化程度。在一些不適合於人工作業的危險工作環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;同時在大批量工業生產過程中，用人工視覺檢查產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效率和生產的自動化程度。機器視覺易於實現信息集成，是實現計算機集成製造的基礎技術。
虛擬儀器技術通過軟件將通用計算機與硬件結合起來構成測試或測控係統，將虛擬儀器技術與機器視覺技術結合起來，就可以為用戶定製完全基於pc的機器視覺係統。這樣不僅可以減少用戶的投資，而且還可以開發出自動化程度和可靠性高的係統。因此將虛擬儀器和機器視覺結合起來，可以使各自的優勢得到充分發揮，縮短係統的開發周期，提高係統的可靠性和性能價格比。
2機器視覺與虛擬儀器
機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺係統是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分cmos和ccd兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理係統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號;圖像係統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控製現場的設備動作。
機器視覺係統的輸入裝置可以是攝像機、轉鼓等，它們都把三維的影像作為輸入源，即輸入計算機的就是三維客觀世界的二維投影。如果把三維客觀世界到二維投影像看作是一種正變換的話，則機器視覺係統所要做的是從這種二維投影圖像到三維客觀世界的逆變換，也就是根據這種二維投影圖像去重建三維的客觀世界。
機器視覺係統主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。虛擬儀器通過應用程序將通用計算機與儀器硬件結合起來，用戶可以通過友好的圖形界麵操作這台計算機，就如同在操作一台自己定義、自己設計的單個傳統儀器一樣。虛擬儀器以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測量、控製能力結合在一起，通過軟件實現對數據的分析處理、表達以及圖形化用戶接口。
3係統軟硬件組成
虛擬儀器視覺係統由光源、ccd攝像頭、圖像采集卡、pc機等組成。
在機器視覺應用係統中，好的光源與照明方案往往是整個係統成敗的關鍵，起著非常重要的作用，它並不是簡單的照亮物體而已。光源與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與那些不重要部份之間應盡可能地產生明顯的區別，增加對比度，同時還應保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應該影響成像的質量。
攝像機和圖像采集卡共同完成對物料圖像的采集與數字化。高質量的圖像信息是係統正確判斷和決策的原始依據，是整個係統成功與否的又一關鍵所在。目前在機器視覺係統中，ccd攝像機以其體積小巧、性能可靠、清晰度高等優點得到了廣泛使用。ccd將目標轉換為視頻信號並輸送到圖像采集卡，圖像采集卡對視頻信號進行解析、數字化後輸送給專用的圖像處理係統。圖像采集卡可以被認為是ccd與計算機的接口，在選取上應當注意以下幾點：圖像采集卡所支持的視頻製式;輸入通道路數;像素時鍾;空間分辨率;支持的軟件等。
圖像處理係統對圖像信號施加各種運算來提取目標的特征，最後根據預先設定的條件做出決定，以控製外部的plc、電機等執行機構的動作，同時記錄相應的數據到數據庫中，以便事後分析。虛擬儀器的核心是軟件技術，它是由係統開發平台、應用軟件包、設備驅動程序三部分組成的。
4圖像處理
機器視覺係統中，視覺信息的處理技術主要依賴於圖像處理方法，它包括圖像增強、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內容。圖像處理將一幅圖像變成另一幅改進後的圖像，實質上就是將數字圖像的灰度值分布作某種變換，使圖像中受關注部分的信息更加突出，並且去除冗餘信息，以使其適應於某種特殊的要求。經過這些處理後，輸出圖像的質量得到相當程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便於計算機對圖像進行分析、處理和識別。
由於數字圖像中不僅包含被測物體的信息，而且存在背景噪聲的幹擾。需要經過數字圖像處理以達到提取目標特征量的目的。經過圖像的數字化處理，圖像已不是與原物完全一致的圖像，它包含的信息量遠比原物少，但是保留了物體有用的信息，去掉了不必要的幹擾。這時的圖像僅存所需要的信息並已很清晰，經過數字圖像分析，可以從中抽取出物體的特征信息。
圖像預處理對采集到的圖像進行濾波除噪，主要采用中值濾波算法降低噪聲，因為中值濾波具有抑製圖像噪音並保持輪廓清晰的特點。對濾波去噪後的圖像進行銳化，銳化算法采用二階差分法。再對銳化後的圖像進行對比度增強，對比度增強算法采用直方圖均衡化。經過預處理的圖像，可視化效果得到改善，利於進行圖像分割。
圖像分割模塊將預處理後的圖像，進行目標與背景分離，以便於對目標的處理，提高運算速度。特征圖像保持了場景的有用信息減少了冗餘的數據。可以有很多算法，圖像二值化算法簡單，速度快，符合圖像處理係統實時性特點，所以采用圖像二值化分割。這種方式的分割，主要問題是如何確定閾值（灰度門限）。根據實際情況，可以采用自適應門限法來確定閾值。
圖像的平滑圖像平滑處理技術即圖像的去噪聲處理，主要是為了去除實際成像過程中因成像設備和環境所造成的圖像失真，提取有用信息。眾所周知，實際獲得的圖像在形成、傳輸、接收和處理的過程中，不可避免地存在著外部幹擾和內部幹擾，如光電轉換過程中敏感元件靈敏度的不均勻性、數字化過程的量化噪聲、傳輸過程中的誤差以及人為因素等，均會使圖像變質。因此，去除噪聲，恢複原始圖像是圖像處理中的一個重要內容。圖像濾波效果比較如圖所示。
5結束語
將機器視覺和虛擬儀器結合起來進行機器視覺開發的開發方法可總結為以下幾點：
首先，應當考慮進行視覺係統開發時硬件開發平台的變化。將虛擬儀器與機器視覺相結合，對機器視覺係統開發最直接的影響就是開發的硬件平台從傳統的專用硬件平台轉化為基於pc的開發。所以，基於虛擬儀器開發機器視覺係統，首先要考慮機器視覺應用基於pc開發是否可以滿足用戶對係統的需求，進而在製定解決方案。
其次，結合虛擬儀器和機器視覺各自的特長進行設計。將虛擬儀器和機器視覺係統結合起來開發機器視覺係統，其目的之一就是為了將它們各自的優點聯係在一起，使係統有更高的靈活性和可靠性，所以在設計時應當根據係統的虛擬儀器和機器視覺各自的特長，使用虛擬儀器來實現測量與運動控製、用戶界麵設計等頂層的工作，而係統的設計、底層的算法、以及相關硬件的選取應當在機器視覺理論的指導下進行。
最後，將虛擬儀器與機器視覺係統結合起來開發機器視覺係統，可以先按照機器視覺係統的邏輯結構，對整個係統進行劃分，完成每一部分的設計，最後再將各部分進行整合。
總之，將虛擬儀器與機器視覺相結合來開發機器視覺係統，隻要注意係統硬件平台的變化、虛擬儀器和機器視覺各自的優點以及機器視覺係統的邏輯結構，就可以使係統結構清晰明確、各部分重用性高性價比好。
機器視覺技術作為計算機科學的一個重要分支，在最近30年中有迅猛的發展。其應用領域遍及工業、農業、科學研究、軍事等，對這些領域自動化水平的提高發揮了重要作用。機器視覺係統的特點是提高生產的柔性和自動化程度。在一些不適合於人工作業的危險工作環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;同時在大批量工業生產過程中，用人工視覺檢查產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效率和生產的自動化程度。機器視覺易於實現信息集成，是實現計算機集成製造的基礎技術。
虛擬儀器技術通過軟件將通用計算機與硬件結合起來構成測試或測控係統，將虛擬儀器技術與機器視覺技術結合起來，就可以為用戶定製完全基於pc的機器視覺係統。這樣不僅可以減少用戶的投資，而且還可以開發出自動化程度和可靠性高的係統。因此將虛擬儀器和機器視覺結合起來，可以使各自的優勢得到充分發揮，縮短係統的開發周期，提高係統的可靠性和性能價格比。
2機器視覺與虛擬儀器
機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺係統是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分cmos和ccd兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理係統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號;圖像係統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控製現場的設備動作。
機器視覺係統的輸入裝置可以是攝像機、轉鼓等，它們都把三維的影像作為輸入源，即輸入計算機的就是三維客觀世界的二維投影。如果把三維客觀世界到二維投影像看作是一種正變換的話，則機器視覺係統所要做的是從這種二維投影圖像到三維客觀世界的逆變換，也就是根據這種二維投影圖像去重建三維的客觀世界。
機器視覺係統主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。虛擬儀器通過應用程序將通用計算機與儀器硬件結合起來，用戶可以通過友好的圖形界麵操作這台計算機，就如同在操作一台自己定義、自己設計的單個傳統儀器一樣。虛擬儀器以透明的方式把計算機資源和儀器硬件的測量、控製能力結合在一起，通過軟件實現對數據的分析處理、表達以及圖形化用戶接口。
3係統軟硬件組成
虛擬儀器視覺係統由光源、ccd攝像頭、圖像采集卡、pc機等組成。
在機器視覺應用係統中，好的光源與照明方案往往是整個係統成敗的關鍵，起著非常重要的作用，它並不是簡單的照亮物體而已。光源與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與那些不重要部份之間應盡可能地產生明顯的區別，增加對比度，同時還應保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應該影響成像的質量。
攝像機和圖像采集卡共同完成對物料圖像的采集與數字化。高質量的圖像信息是係統正確判斷和決策的原始依據，是整個係統成功與否的又一關鍵所在。目前在機器視覺係統中，ccd攝像機以其體積小巧、性能可靠、清晰度高等優點得到了廣泛使用。ccd將目標轉換為視頻信號並輸送到圖像采集卡，圖像采集卡對視頻信號進行解析、數字化後輸送給專用的圖像處理係統。圖像采集卡可以被認為是ccd與計算機的接口，在選取上應當注意以下幾點：圖像采集卡所支持的視頻製式;輸入通道路數;像素時鍾;空間分辨率;支持的軟件等。
圖像處理係統對圖像信號施加各種運算來提取目標的特征，最後根據預先設定的條件做出決定，以控製外部的plc、電機等執行機構的動作，同時記錄相應的數據到數據庫中，以便事後分析。虛擬儀器的核心是軟件技術，它是由係統開發平台、應用軟件包、設備驅動程序三部分組成的。
4圖像處理
機器視覺係統中，視覺信息的處理技術主要依賴於圖像處理方法，它包括圖像增強、數據編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內容。圖像處理將一幅圖像變成另一幅改進後的圖像，實質上就是將數字圖像的灰度值分布作某種變換，使圖像中受關注部分的信息更加突出，並且去除冗餘信息，以使其適應於某種特殊的要求。經過這些處理後，輸出圖像的質量得到相當程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便於計算機對圖像進行分析、處理和識別。
由於數字圖像中不僅包含被測物體的信息，而且存在背景噪聲的幹擾。需要經過數字圖像處理以達到提取目標特征量的目的。經過圖像的數字化處理，圖像已不是與原物完全一致的圖像，它包含的信息量遠比原物少，但是保留了物體有用的信息，去掉了不必要的幹擾。這時的圖像僅存所需要的信息並已很清晰，經過數字圖像分析，可以從中抽取出物體的特征信息。
圖像預處理對采集到的圖像進行濾波除噪，主要采用中值濾波算法降低噪聲，因為中值濾波具有抑製圖像噪音並保持輪廓清晰的特點。對濾波去噪後的圖像進行銳化，銳化算法采用二階差分法。再對銳化後的圖像進行對比度增強，對比度增強算法采用直方圖均衡化。經過預處理的圖像，可視化效果得到改善，利於進行圖像分割。
圖像分割模塊將預處理後的圖像，進行目標與背景分離，以便於對目標的處理，提高運算速度。特征圖像保持了場景的有用信息減少了冗餘的數據。可以有很多算法，圖像二值化算法簡單，速度快，符合圖像處理係統實時性特點，所以采用圖像二值化分割。這種方式的分割，主要問題是如何確定閾值（灰度門限）。根據實際情況，可以采用自適應門限法來確定閾值。
圖像的平滑圖像平滑處理技術即圖像的去噪聲處理，主要是為了去除實際成像過程中因成像設備和環境所造成的圖像失真，提取有用信息。眾所周知，實際獲得的圖像在形成、傳輸、接收和處理的過程中，不可避免地存在著外部幹擾和內部幹擾，如光電轉換過程中敏感元件靈敏度的不均勻性、數字化過程的量化噪聲、傳輸過程中的誤差以及人為因素等，均會使圖像變質。因此，去除噪聲，恢複原始圖像是圖像處理中的一個重要內容。圖像濾波效果比較如圖所示。
圖像濾波效果比較
邊緣銳化圖像邊緣銳化處理主要是加強圖像中的輪廓邊緣和細節，形成完整的物體邊界，達到將物體從圖像中分離出來或將表示同一物體表麵的區域檢測出來的目的。它是早期視覺理論和算法中的基本問題，也是中期和後期視覺成敗的重要因素之一。5結束語
將機器視覺和虛擬儀器結合起來進行機器視覺開發的開發方法可總結為以下幾點：
首先，應當考慮進行視覺係統開發時硬件開發平台的變化。將虛擬儀器與機器視覺相結合，對機器視覺係統開發最直接的影響就是開發的硬件平台從傳統的專用硬件平台轉化為基於pc的開發。所以，基於虛擬儀器開發機器視覺係統，首先要考慮機器視覺應用基於pc開發是否可以滿足用戶對係統的需求，進而在製定解決方案。
其次，結合虛擬儀器和機器視覺各自的特長進行設計。將虛擬儀器和機器視覺係統結合起來開發機器視覺係統，其目的之一就是為了將它們各自的優點聯係在一起，使係統有更高的靈活性和可靠性，所以在設計時應當根據係統的虛擬儀器和機器視覺各自的特長，使用虛擬儀器來實現測量與運動控製、用戶界麵設計等頂層的工作，而係統的設計、底層的算法、以及相關硬件的選取應當在機器視覺理論的指導下進行。
最後，將虛擬儀器與機器視覺係統結合起來開發機器視覺係統，可以先按照機器視覺係統的邏輯結構，對整個係統進行劃分，完成每一部分的設計，最後再將各部分進行整合。
總之，將虛擬儀器與機器視覺相結合來開發機器視覺係統，隻要注意係統硬件平台的變化、虛擬儀器和機器視覺各自的優點以及機器視覺係統的邏輯結構，就可以使係統結構清晰明確、各部分重用性高性價比好。
