摘要：機器視覺以機器代替人眼進行目標對象的識別、判斷和測量。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，相對于傳統(tǒng)測量檢驗方法，機器視覺技術(shù)的最大優(yōu)點是快速、準確、可靠與智能化。機器視覺對提高產(chǎn)品檢驗的一致性、產(chǎn)品生產(chǎn)的安全性、降低工人勞動強度以及實現(xiàn)企業(yè)的高效安全生產(chǎn)和自動化管理具有不可替代的作用。本文介紹一種通過優(yōu)化視覺系統(tǒng)照明從而提高圖像模式識別準確度的方法。

前言

    隨著科學與技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機器人的應用領(lǐng)域也不斷擴大。目前，工業(yè)機器人不僅應用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦、冶金、石油、化學、船舶等領(lǐng)域，同時也應用于核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復等服務業(yè)領(lǐng)域。機器視覺作為工業(yè)機器人一項核心技術(shù)，主要研究計算機模擬人的視覺功能進行目標對象的識別、判斷和測量。

    機器視覺系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理。所有信息均來源于目標圖像，目標圖像本身的質(zhì)量對整個視覺系統(tǒng)極為關(guān)鍵。而光源則是影響機器視覺系統(tǒng)圖像水平的重要因素，因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應用效果。通過適當?shù)墓庠凑彰鲀?yōu)化，使圖像中的目標信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，提高系統(tǒng)的定位、測量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高。

    而目前市場并沒有通用的機器視覺照明設備，現(xiàn)有的照明不能針對每個特定的應用實例，只能通過對相應照明裝置的分析和優(yōu)化，才能達到最佳的成像效果。機器視覺系統(tǒng)的光源的價值也正在于此。實現(xiàn)機器視覺系統(tǒng)光源照明的優(yōu)化，能夠有效地提高圖像識別的質(zhì)量和效果，提高工業(yè)機器人的工作效率。

    本文工以工業(yè)機器人象棋教學儀器為主題，針對工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)對棋子的識別準確度不高情況，提出一種機器人視覺系統(tǒng)照明優(yōu)化方案，通過對系統(tǒng)中照明裝置進行優(yōu)化，提高視覺系統(tǒng)識別準確度。

1、機器視覺系統(tǒng)組成

    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。主要部件由機器視覺光源，光學鏡頭，工業(yè)相機，傳感器，圖像分析處理軟件，通訊接口等組成的。

    （1）光源

    在目前的機器視覺應用系統(tǒng)中，優(yōu)質(zhì)光源與照明方案往往是整個系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，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(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)中得到越來越多的應用

    （2）光學鏡頭

    光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。

    （3）相機

    相機是機器視覺系統(tǒng)獲取原始信息的最主要部分，目前主要使用的有CMOS相機和CCD相機。CCD攝像機以其小巧、可靠、清晰度高等特點在商用與工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛地使用。

    （4）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，完成圖像采集與數(shù)字化，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的重要設備。

    （5）視覺傳感器

    傳感器的模塊化部件集成了光源、攝像頭、圖像處理器、標準的控制與通訊接口，自成為一個智能圖像采集與處理單元，內(nèi)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。

2、光源技術(shù)

    光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征參量，在增加圖像對比度的同時，應保證足夠的整休亮度；物體位置的變化不應該影響成像的質(zhì)量。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度等。好的光源能夠改善整個系統(tǒng)的分辨率，減輕后續(xù)圖像處理的壓力。不合適的光源，會給機器視覺系統(tǒng)帶來很多麻煩，如攝像機的花點和過度曝光會隱藏很多重要信息；陰影會引起邊緣的誤檢；信噪比的降低以及不均勻的照明會增加圖像處理閾值選擇的困難。要保證好的圖像，必須要選擇一個合適的光源。機器視覺中光源的分類主要以下幾種：

    2.1前光源

    前光源是指放置在待測物前方的光源，這種光照方式稱為“前光式照明”，如圖1所示。前光源又可以分為“高角度”與“低角度”兩種，其區(qū)別在于光源與被測物待測表面的夾角大小的不同。在選用“高角度照明”，或“低角度照明”時，主要考慮被測物表面待測部分的機理。

圖1 前光源照明示意圖

    2.2背光源

    背光源與前光源在放置位置上剛好相反，放置于待測物體背面，如圖2所示。通過背光源照射待測物體，相對攝像機形成不透明物體的陰影或觀察透明物體的內(nèi)部，使待測物透光與不透光部分邊緣清晰，為圖像邊緣提取奠定基礎(chǔ)。它主要應用于被測對象的輪廓檢測、透明體的污點缺陷檢測、液晶文字檢查、小型電子元件尺寸和外形檢測、軸承外觀和尺寸檢查、半導體引線框外觀和尺寸檢查等。

圖2 后光源照明示意圖

    2.3環(huán)形光源

    環(huán)形光源能為待測物體提供大面積均衡的照明。實際應用中，環(huán)形光源與CCD鏡頭同軸安放，一般與鏡頭邊緣相對齊。環(huán)形光源的優(yōu)點在于可直接安裝在鏡頭上，如圖3所示，與待測物體距離合適時，可大大減少陰影、提高對比度、可實現(xiàn)較大面積照明。但應用距離不合適時會造成環(huán)形反光現(xiàn)象。

圖3 環(huán)形光源照明示意圖

    三菱RV-2F工業(yè)機器人象棋教學儀器主要由三菱RV-2F工業(yè)機器人、三菱FX3U系類PLC、三菱GOT1000系類觸摸屏、三菱MR-J4系類伺服、康耐視工業(yè)相機、邦納安全光幕等設備組成?？梢詫崿F(xiàn)對普通中國象棋進行棋子的抓取、擺放、識別，以及棋盤上對棋子的移動、吃子等動作。該系統(tǒng)中視覺系統(tǒng)照明正是采用了環(huán)狀照明光源，如圖4所以。

圖4 三菱RV-2F工業(yè)機器人象棋教學儀器

圖5環(huán)形照明光源

3、工業(yè)機器人象棋教學儀器環(huán)形光源分析

    最初的環(huán)形照明光源內(nèi)部采用純水平排列的LED，可以為整個工件提供較為均勻的照明。其照明原理如圖5所示。

圖6 純水平排列環(huán)形照明光源示意圖

    這種結(jié)構(gòu)環(huán)形照明光源將LED顆粒安裝在平面結(jié)構(gòu)上，因設計簡單且組裝簡便，故成本較低。但這種照明最大的缺點是視場中心的亮度不夠均勻，由CCD獲取的圖像存在中心亮度低，環(huán)形四周亮度高的缺陷。這種照明和COGNEX1100工業(yè)視覺傳感器成像鏡頭的光闌大小很難形成好的匹配，獲取圖像的特征部分細節(jié)會被掩蓋，給In-SightExplorer視覺的取模和圖像判別帶來不少困難。

    為了更好的獲取到均勻的照明光源，可以將圖5中LED顆粒的排列陣列進行優(yōu)化設計。采用非球面的結(jié)構(gòu)形式，將LED照明顆粒鑲嵌在非球面表明，最終通過多角度擴散方式給工件提供照明。其照明原理如圖6所示。

圖7 非球面排列環(huán)形照明光源示意圖

    采用圖6所示的非球面環(huán)狀光源與現(xiàn)有普通LED環(huán)形光源相比，優(yōu)點在于能產(chǎn)生統(tǒng)一、表面均勻的照明效果。兩種比較如圖7和圖8所示。通過比較圖7和圖8可以發(fā)現(xiàn)后者所能提供的照明更均勻柔和。

圖8 純水平排列環(huán)形照明光源反射圖

圖9 非球面排形照明光源反射圖

4、工業(yè)機器人象棋教學儀器環(huán)形光源分析

    In-SightExplorer電子表格視圖是用于康耐視In-SightMicro系類工業(yè)視覺傳感器的編程界面，如圖9所示。In-SightExplorer電子表格視圖如同Exce一樣方便使用，只需將所需的指令拖放到表格的適當位置，編輯處理數(shù)據(jù)的單元格數(shù)據(jù)即可。三菱RV-2F工業(yè)機器人象棋視覺系統(tǒng)使用圖像對比指令FindPatterns，界面如圖10所示。只需對圖像取模后進行對比，得出相似值后進行相應的四則十進制運算，發(fā)送二進制數(shù)到網(wǎng)絡。

    如圖9所示，一般相機的曝光時間只需要調(diào)整到2-3秒左右。圖中ERR表示錯誤的意思。總分為100分，得分判斷值一般取60-70即可。分值的取得是靠圖像特征的對比，當?shù)梅种荡笥诘梅峙袛嘀禃r，則后面數(shù)值會顯示為1，當沒有通過得分判斷值時，后面顯示數(shù)值為0。1表示圖像識別成功，0表示沒有圖形識別失敗。

圖10 In-SightExplorer電子表格視圖

圖11 圖像取模界面

    將優(yōu)化的光源安裝到工業(yè)機器人象棋教學系統(tǒng)中，選取同類的拍攝棋子圖像在不同的環(huán)形照明光源下進行拍攝取圖形，如下圖11和12所示。

圖12 純水平排列環(huán)形照明光源反射圖

圖13 非球面排形照明光源反射圖

    通過圖像的比較可以發(fā)現(xiàn)圖12所拍攝的圖片亮度更高，均勻度更好。兩張圖片經(jīng)過取模操作和系統(tǒng)比較發(fā)現(xiàn)圖12成功地通過了圖像的識別，圖11則出現(xiàn)判別錯誤。

5、結(jié)束語

    本文通過對三菱RV-2F工業(yè)機器人象棋視覺系統(tǒng)的照明進行改造，將常見的純水平排列LED環(huán)形照明光源優(yōu)化為非球面排列LED環(huán)形照明光源，有效地提高了目標物體的照明亮度和均勻度，提高了視覺系統(tǒng)的圖像識別成功率。