機器視覺系統(tǒng)簡介

視覺系統(tǒng)就是用機器代替人眼來做測量和判斷。視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種）將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。是用于生產(chǎn)、裝配或包裝的有價值的機制。它在檢測缺陷和防止缺陷產(chǎn)品被配送到消費者的功能方面具有不可估量的價值。

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。在一些不適合于人工作業(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(zhì)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(chǔ)技術(shù)?？梢栽谧羁斓纳a(chǎn)線上對產(chǎn)品進行測量、引導、檢測、和識別，并能保質(zhì)保量的完成生產(chǎn)任務(wù)。

一個典型的機器視覺系統(tǒng)包括以下三大塊：

機器視覺系統(tǒng)照明

照明是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設(shè)備，所以針對每個特定的應(yīng)用實例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達到最佳效果。光源可分為可見光和不可見光。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。可見光的缺點是光能不能保持穩(wěn)定。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。另一方面，環(huán)境光有可能影響圖像的質(zhì)量，所以可采用加防護屏的方法來減少環(huán)境光的影響。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攝像機之間，它的優(yōu)點是能獲得高對比度的圖像。前向照明是光源和攝像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，攝像機拍攝要求與光源同步。

機器視覺系統(tǒng)鏡頭

FOV（Field of Vision）=所需分辨率*亞象素*相機尺寸/PRTM（零件測量公差比）

鏡頭選擇應(yīng)注意：

①焦距②目標高度 ③影像高度 ④放大倍數(shù) ⑤影像至目標的距離 ⑥中心點 /節(jié)點⑦畸變

視覺檢測中如何確定鏡頭的焦距

為特定的應(yīng)用場合選擇合適的工業(yè)鏡頭時必須考慮以下因素：

· 視野 - 被成像區(qū)域的大小。

· 工作距離 (WD) - 攝像機鏡頭與被觀察物體或區(qū)域之間的距離。

· CCD - 攝像機成像傳感器裝置的尺寸。

· 這些因素必須采取一致的方式對待。如果在測量物體的寬度，則需要使用水平方向的 CCD 規(guī)格，等等。如果以英寸為單位進行測量，則以英尺進行計算，最后再轉(zhuǎn)換為毫米。

參考如下例子：有一臺 1/3” C 型安裝的 CDD 攝像機（水平方向為 4.8 毫米）。物體到鏡頭前部的距離為 12”（305 毫米）。視野或物體的尺寸為2.5”（64 毫米）。換算系數(shù)為 1” = 25.4 毫米（經(jīng)過圓整）。

FL = 4.8 毫米 x 305 毫米 / 64 毫米

FL = 1464 毫米 / 64 毫米

FL = 按 23 毫米鏡頭的要求

FL = 0.19” x 12” / 2.5”

FL = 2.28” / 2.5”

FL = 0.912” x 25.4 毫米/inch

FL = 按 23 毫米鏡頭的要求

注：勿將工作距離與物體到像的距離混淆。工作距離是從工業(yè)鏡頭前部到被觀察物體之間的距離。而物體到像的距離是 CCD 傳感器到物體之間的距離。計算要求的工業(yè)鏡頭焦距時，必須使用工作距離

機器視覺系統(tǒng)相機

按照不同標準可分為：標準分辨率數(shù)字相機和模擬相機等。要根據(jù)不同的實際應(yīng)用場合選不同的相機和高分辨率相機：線掃描CCD和面陣CCD；黑白相機和彩色相機。

圖像采集卡只是完整的機器視覺系統(tǒng)的一個部件，但是它扮演一個非常重要的角色。圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等等。

比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計算機存儲器進行處理。有些采集卡有內(nèi)置的多路開關(guān)。例如，可以連接8個不同的攝像機，然后告訴采集卡采用那一個相機抓拍到的信息。有些采集卡有內(nèi)置的數(shù)字輸入以觸發(fā)采集卡進行捕捉，當采集卡抓拍圖像時數(shù)字輸出口就觸發(fā)閘門。

視覺處理器

視覺處理器集采集卡與處理器于一體。以往計算機速度較慢時，采用視覺處理器加快視覺處理任務(wù)。由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲器，而且計算機也快多了，所以視覺處理器用的較少了。

在機器視覺系統(tǒng)中，獲得一張高質(zhì)量的可處理的圖像是至關(guān)重要。系統(tǒng)之所以成功，首先要保證圖像質(zhì)量好，特征明顯，。一個機器視覺項目之所以失敗，大部分情況是由于圖像質(zhì)量不好，特征不明顯引起的。要保證好的圖像，必須要選擇一個合適的光源。

光源選型基本要素：

對比度：對比度對機器視覺來說非常重要。機器視覺應(yīng)用的照明的最重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對比度，從而易于特征的區(qū)分。對比度定義為在特征與其周圍的區(qū)域之間有足夠的灰度量區(qū)別。好的照明應(yīng)該能夠保證需要檢測的特征突出于其他背景。

亮度：當選擇兩種光源的時候，最佳的選擇是選擇更亮的那個。當光源不夠亮時，可能有三種不好的情況會出現(xiàn)。第一，相機的信噪比不夠；由于光源的亮度不夠，圖像的對比度必然不夠，在圖像上出現(xiàn)噪聲的可能性也隨即增大。其次，光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深。另外，當光源的亮度不夠的時候，自然光等隨機光對系統(tǒng)的影響會最大。

魯棒性：另一個測試好光源的方法是看光源是否對部件的位置敏感度最小。當光源放置在攝像頭視野的不同區(qū)域或不同角度時，結(jié)果圖像應(yīng)該不會隨之變化。方向性很強的光源，增大了對高亮區(qū)域的鏡面反射發(fā)生的可能性，這不利于后面的特征提取。

好的光源需要能夠使你需要尋找的特征非常明顯，除了是攝像頭能夠拍攝到部件外，好的光源應(yīng)該能夠產(chǎn)生最大的對比度、亮度足夠且對部件的位置變化不敏感。光源選擇好了，剩下來的工作就容易多了。具體的光源選取方法還在于試驗的實踐經(jīng)驗。

在布匹的生產(chǎn)過程中，像布匹質(zhì)量檢測這種有高度重復性和智能性的工作只能靠人工檢測來完成，在現(xiàn)代化流水線后面常?？煽吹胶芏嗟臋z測工人來執(zhí)行這道工序，給企業(yè)增加巨大的人工成本和管理成本的同時，卻仍然不能保證100 %的檢驗合格率（即“零缺陷”）。對布匹質(zhì)量的檢測是重復性勞動，容易出錯且效率低。

流水線進行自動化的改造，使布匹生產(chǎn)流水線變成快速、實時、準確、高效的流水線。在流水線上，所有布匹的顏色、及數(shù)量都要進行自動確認（以下簡稱“布匹檢測”）。采用機器視覺的自動識別技術(shù)完成以前由人工來完成的工作。在大批量的布匹檢測中，用人工檢查產(chǎn)品質(zhì)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。

特征提取辨識

一般布匹檢測（自動識別）先利用高清晰度、高速攝像鏡頭拍攝標準圖像，在此基礎(chǔ)上設(shè)定一定標準；然后拍攝被檢測的圖像，再將兩者進行對比。但是在布匹質(zhì)量檢測工程中要復雜一些：

1． 圖像的內(nèi)容不是單一的圖像，每塊被測區(qū)域存在的雜質(zhì)的數(shù)量、大小、顏色、位置不一定一致。

2． 雜質(zhì)的形狀難以事先確定。

3． 由于布匹快速運動對光線產(chǎn)生反射，圖像中可能會存在大量的噪聲。

4． 在流水線上，對布匹進行檢測，有實時性的要求。

由于上述原因，圖像識別處理時應(yīng)采取相應(yīng)的算法，提取雜質(zhì)的特征，進行模式識別，實現(xiàn)智能分析。

Color檢測

一般而言，從彩色CCD相機中獲取的圖像都是RGB圖像。也就是說每一個像素都由紅（R）綠（G）藍（B）三個成分組成，來表示RGB色彩空間中的一個點。問題在于這些色差不同于人眼的感覺。即使很小的噪聲也會改變顏色空間中的位置。所以無論我們?nèi)搜鄹杏X有多么的近似，在顏色空間中也不盡相同。基于上述原因，我們需要將RGB像素轉(zhuǎn)換成為另一種顏色空間CIELAB。目的就是使我們?nèi)搜鄣母杏X盡可能的與顏色空間中的色差相近。

Blob檢測

根據(jù)上面得到的處理圖像，根據(jù)需求，在純色背景下檢測雜質(zhì)色斑，并且要計算出色斑的面積，以確定是否在檢測范圍之內(nèi)。因此圖像處理軟件要具有分離目標，檢測目標，并且計算出其面積的功能。

Blob分析（Blob Analysis）是對圖像中相同像素的連通域進行分析，該連通域稱為Blob。經(jīng)二值化（Binary Thresholding）處理后的圖像中色斑可認為是blob。Blob分析工具可以從背景中分離出目標，并可計算出目標的數(shù)量、位置、形狀、方向和大小，還可以提供相關(guān)斑點間的拓撲結(jié)構(gòu)。在處理過程中不是采用單個的像素逐一分析，而是對圖形的行進行操作。圖像的每一行都用游程長度編碼(RLE）來表示相鄰的目標范圍。這種算法與基于象素的算法相比，大大提高處理速度。

結(jié)果處理和控制

應(yīng)用程序把返回的結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫或用戶指定的位置，并根據(jù)結(jié)果控制機械部分做相應(yīng)的運動。

根據(jù)識別的結(jié)果，存入數(shù)據(jù)庫進行信息管理。以后可以隨時對信息進行檢索查詢，管理者可以獲知某段時間內(nèi)流水線的忙閑，為下一步的工作作出安排；可以獲知內(nèi)布匹的質(zhì)量情況等等。

在生產(chǎn)線上，人來做此類測量和判斷會因疲勞、個人之間的差異等產(chǎn)生誤差和錯誤，但是機器卻會不知疲倦地、穩(wěn)定地進行下去。一般來說，機器視覺系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對于每一個應(yīng)用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機、檢測目標的尺寸還是檢測目標有無缺陷、視場需要多大、分辨率需要多高、對比度需要多大等。從功能上來看，典型的機器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。

一個完整的機器視覺系統(tǒng)的主要工作過程如下：

1、工件定位檢測器探測到物體已經(jīng)運動至接近攝像系統(tǒng)的視野中心，向圖像采集部分發(fā)送觸發(fā)脈沖。

2、圖像采集部分按照事先設(shè)定的程序和延時，分別向攝像機和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動脈沖。

3、攝像機停止掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機在啟動脈沖來到之前處于等待狀態(tài)，啟動脈沖到來后啟動一幀掃描。

4、攝像機開始新的一幀掃描之前打開曝光機構(gòu)，曝光時間可以事先設(shè)定。

5、另一個啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時間應(yīng)該與攝像機的曝光時間匹配。

6、攝像機曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出。

7、圖像采集部分接收模擬視頻信號通過A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。

8、圖像采集部分將數(shù)字圖像存放在處理器或計算機的內(nèi)存中。

9、處理器對圖像進行處理、分析、識別，獲得測量結(jié)果或邏輯控制值。

10、處理結(jié)果控制流水線的動作、進行定位、糾正運動的誤差等。

從上述的工作流程可以看出，機器視覺是一種比較復雜的系統(tǒng)。因為大多數(shù)系統(tǒng)監(jiān)控對象都是運動物體，系統(tǒng)與運動物體的匹配和協(xié)調(diào)動作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動作時間和處理速度帶來了嚴格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機器人、飛行物體導制等，對整個系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會有嚴格的要求。

機器視覺系統(tǒng)的優(yōu)點有：

1、非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

2、具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴展了人眼的視覺范圍。

3、長時間穩(wěn)定工作，人類難以長時間對同一對象進行觀察，而機器視覺則可以長時間地作測量、分析和識別任務(wù)。

機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂等等行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，可以說已經(jīng)深入到我們的生活、生產(chǎn)和工作的方方面面。

臺達DMV機器視覺系統(tǒng)主要提供四類產(chǎn)品類型 ：控制器、攝像機、鏡頭、光源:

l 機器視覺控制器 (DMV)

l 攝像機 (1394、Camera link)

l 鏡頭 (CCTV鏡頭、遠心鏡頭)

l 光源 (LED)

關(guān)于臺達集團

臺達集團創(chuàng)立于1971年，為電源管理與散熱管理解決方案的領(lǐng)導廠商，并在多項產(chǎn)品領(lǐng)域居世界級重要地位。面對日益嚴重的氣候變遷議題，臺達秉持“環(huán)保 節(jié)能 愛地球”的經(jīng)營使命，運用電源設(shè)計與管理的基礎(chǔ)，整合全球資源與創(chuàng)新研發(fā)，深耕三大業(yè)務(wù)范疇，包含“電源及零組件”、“能源管理”與“智能綠生活“。

“電源及零組件“提供客制化的高效率開關(guān)式電源供應(yīng)器、散熱管理解決方案及零組件等產(chǎn)品?！澳茉垂芾怼皠t通過系統(tǒng)集成與解決方案，協(xié)助客戶提升效能、降低運營成本與資本支出服務(wù)，服務(wù)內(nèi)容橫跨工業(yè)自動化、太陽能、風能、車用電子與通訊電源等?！爸悄芫G生活”期待為個人、家庭與企業(yè)帶來更環(huán)保健康的生活型態(tài)，產(chǎn)品包括視訊顯像系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)、LED照明、智能語音系統(tǒng)及云計算等。同時，臺達積極發(fā)展品牌，持續(xù)提供高效率且可靠的節(jié)能整體解決方案。

臺達集團運營據(jù)點遍布全球，在中國大陸、臺灣、美國、泰國、日本、墨西哥、印度、巴西以及歐洲等地設(shè)有研發(fā)中心和生產(chǎn)基地。臺達為實踐對于環(huán)境保護的承諾，自2004年起，全球新建辦公大樓、生產(chǎn)基地均依綠建筑工法設(shè)計建造。

近年來，臺達陸續(xù)榮獲多項國際榮耀與肯定。2012年臺達再度入選為道瓊永續(xù)指數(shù)（Dow Jones Sustainability Indexes）之世界指數(shù)及亞太指數(shù)，并榮獲全球ITC電子設(shè)備行業(yè)領(lǐng)導企業(yè)第一名之殊榮。2013年世界知名永續(xù)評比機構(gòu)SAM (Sustainable Asset Management)將臺達評鑒為全球電子設(shè)備類“企業(yè)第一名(Sector Leader)”與“永續(xù)經(jīng)營企業(yè)金級(Gold Class)”。

關(guān)于中達電通

1992年中達電通成立于上海，自營業(yè)以來，保持著年均增長34.5%的高速發(fā)展，為工業(yè)級用戶提供高效可靠的動力、視訊、自動化及能源管理解決方案。在通信電源的市場占有率位居全國第一、同時也是視訊顯示及工業(yè)自動化方案的領(lǐng)導廠商。

中達電通整合母公司臺達集團優(yōu)異的電力電子及控制技術(shù)，持續(xù)引進國內(nèi)外性能領(lǐng)先的產(chǎn)品在深入了解中國客戶營運環(huán)境下，依據(jù)各行各業(yè)工藝需求，提出完整解決方案，為客戶創(chuàng)建競爭優(yōu)勢。秉持“環(huán)保、節(jié)能、愛地球”的經(jīng)營使命，成為中國移動的綠色行動戰(zhàn)略伙伴，在節(jié)能減排、樓宇節(jié)能的技術(shù)上，陸續(xù)開展多項新應(yīng)用。

為滿足客戶對不間斷運營的需求，中達電通在全國設(shè)立了41個分支機構(gòu)、64個技術(shù)服務(wù)網(wǎng)點與12個維修網(wǎng)點。依靠訓練有素的技術(shù)服務(wù)團隊，中達得以為客戶提供個性化、全方位的售前、售中服務(wù)和最可靠的售后保障。

二十年深耕，在近2000名員工的努力下，中達電通2012年的營業(yè)額超過三十億人民幣。未來，中達更將不斷推陳出新，藉由與客戶的緊密合作，共同開創(chuàng)更智能、更環(huán)保的未來。

中達電通——可靠的工業(yè)伙伴！

臺達視覺DMV1000系列控制器

DMV1000-80GXC

臺達機器視覺DMV1000系列機器視覺控制器提供了高速精準、多任務(wù)運算處理能力、智能型、人性化的操作接口以及多樣化的機器視覺檢測功能，檢測功能包含有『面積檢測』、『邊緣位置、距離、計數(shù)、角度』、『瑕疵及斑點檢測』、『圖形比對、輪廓比對』、『坐標、角度運算』、『尋邊測量』、以及『自動對位、坐標搜尋』等多項功能，來解決在生產(chǎn)在線因為操作人員疲勞或疏忽造成誤判，或是由人眼也無法辨識出產(chǎn)品的缺陷以及因為高精密產(chǎn)品組裝不易等各式各樣地自動化視覺檢測系統(tǒng)來進行全面升級與改造，進一步地全面提升生產(chǎn)在線的產(chǎn)品質(zhì)量、降低客退件數(shù)、增加設(shè)備產(chǎn)能以及減少人力成本。

● 面積檢測

● 邊緣位置、距離、計數(shù)、角度

● 瑕疵及斑點檢測

● 圓形比對及輪廓比對

● 坐標角度運算

● 尋邊測量

● 自動對位功能

另外，臺達DMV1000系列控制器也提供了豐富的前處理功能：

● 二值化

● 擴張

● 侵蝕

● 平均

● 中值

● 銳化

● Laplacian

● Sobel 等…

臺達視覺DMV系列攝像機

DMV-CDAXXGS

工業(yè)攝像機是機器視覺系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號。選擇合適的相機也是機器視覺系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)。

臺達視覺DMV系列選擇IEEE1394a接口型攝影機，內(nèi)嵌1/3英寸CCD感光元件，分別率主要為80萬和30萬像素兩種, 具體型號如下：

1/31寸80萬像素黑白攝像機

DMV-CD80GS(黑白、標準型)

DMV-CD30GS(黑白、標準型)

4.5m 1394a Cable

DMV-CA45(4.5米標準線纜)

1m 1394a觸發(fā)線纜

DMV-CA10T(1m觸發(fā)線纜)

臺達視覺DMV系列光源產(chǎn)品

DMV-LXXX

環(huán)形光(Ring type):

為最常使用的打光方式，使用于一般的2D平面影像照明，價格上也較為經(jīng)濟。環(huán)型LED有多種安裝角度0°、30°、45°、60°、70°、90°可選擇。

條形光(Bar type):

提供多種長度自由搭配組合。當檢測物形狀偏長條形狀，或物體過大以致于環(huán)形光無法涵蓋時，利用組合方式可達到任意所需照明區(qū)域大小。

同軸光(Coaxial type):

利用分光鏡產(chǎn)生柔化后的光線照明，適用于高反射率的物體。

其作用和柔化擴散型的環(huán)形光相似，柔化擴散型的環(huán)型光適用于中度反射率的物體上，而同軸光源可符合高度反射率的需求。

點狀光(Spot type):

具有體積小、重量輕、亮度高且集中之特性，可用來取代傳統(tǒng)鹵素燈光纖傳導打光。

于CCD攝影機側(cè)邊打光，一般搭配同軸鏡頭使用。同軸鏡頭內(nèi)部即配置如上述的同軸光源結(jié)構(gòu)。因此點狀光源搭配同軸鏡頭方式稱為內(nèi)同軸，反之如上述的同軸光源為安裝于鏡頭下方稱為外同軸。

半球漫射(Dome type):

如下所示的半球漫射形光源，將LED光向上投射后向下產(chǎn)生漫射，再經(jīng)由柔化處理，能夠減少陰影的產(chǎn)生，因此適用于高反射率物體。 此類光源成本很高，售價昂貴。

光源控制器 (Power supply)

光源控制器有1、2、4、6、8 通道輸出機型可供選擇，除了常見的外部旋鈕調(diào)光方式之外，另有支持RS232通訊、0~5V模擬輸入、8Bits(0~255)并列埠I/O等方式調(diào)整輸出量以控制LED亮度。

臺達視覺DMV系列鏡頭產(chǎn)品

DMV-LNXX

百萬像素鏡頭，焦距8、12、12、16、25、35、50：

DMV-LN08MC(焦距8mm百萬像素鏡頭)

DMV-LN12MC(焦距12mm百萬像素鏡頭)

DMV-LN16MC(焦距16mm百萬像素鏡頭)

DMV-LN25MC(焦距25mm百萬像素鏡頭)

DMV-LN35MC(焦距35mm百萬像素鏡頭)

DMV-LN50MC(焦距50mm百萬像素鏡頭)

遠心鏡頭：

DMV-LN50T(遠心鏡頭Telecentric)