摘要：機(jī)器視覺以機(jī)器代替人眼進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別、判斷和測量。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，相對(duì)于傳統(tǒng)測量檢驗(yàn)方法，機(jī)器視覺技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是快速、準(zhǔn)確、可靠與智能化。機(jī)器視覺對(duì)提高產(chǎn)品檢驗(yàn)的一致性、產(chǎn)品生產(chǎn)的安全性、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度以及實(shí)現(xiàn)企業(yè)的高效安全生產(chǎn)和自動(dòng)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(shí)別準(zhǔn)確度的方法。

前言

隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前，工業(yè)機(jī)器人不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域，同時(shí)也應(yīng)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(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域。機(jī)器視覺作為工業(yè)機(jī)器人一項(xiàng)核心技術(shù)，主要研究計(jì)算機(jī)模擬人的視覺功能進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別、判斷和測量。

機(jī)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(biāo)圖像，目標(biāo)圖像本身的質(zhì)量對(duì)整個(gè)視覺系統(tǒng)極為關(guān)鍵。而光源則是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像水平的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。通過適當(dāng)?shù)墓庠凑彰鲀?yōu)化，使圖像中的目標(biāo)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(shí)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(jī)器視覺照明設(shè)備，現(xiàn)有的照明不能針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，只能通過對(duì)相應(yīng)照明裝置的分析和優(yōu)化，才能達(dá)到最佳的成像效果。機(jī)器視覺系統(tǒng)的光源的價(jià)值也正在于此。實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)光源照明的優(yōu)化，能夠有效地提高圖像識(shí)別的質(zhì)量和效果，提高工業(yè)機(jī)器人的工作效率。

本文工以工業(yè)機(jī)器人象棋教學(xué)儀器為主題，針對(duì)工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)對(duì)棋子的識(shí)別準(zhǔn)確度不高情況，提出一種機(jī)器人視覺系統(tǒng)照明優(yōu)化方案，通過對(duì)系統(tǒng)中照明裝置進(jìn)行優(yōu)化，提高視覺系統(tǒng)識(shí)別準(zhǔn)確度。

1、機(jī)器視覺系統(tǒng)組成

典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分。主要部件由機(jī)器視覺光源，光學(xué)鏡頭，工業(yè)相機(jī)，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(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中，優(yōu)質(zhì)光源與照明方案往往是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，光源與照明方案的配合應(yīng)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(yīng)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(diǎn)在現(xiàn)代機(jī)器視覺系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用

（2）光學(xué)鏡頭

光學(xué)鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中非常重要。鏡頭的主要性能指標(biāo)有焦距、光闌系數(shù)、倍率、接口等。

（3）相機(jī)

相機(jī)是機(jī)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(jī)和CCD相機(jī)。CCD攝像機(jī)以其小巧、可靠、清晰度高等特點(diǎn)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(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照，完成圖像采集與數(shù)字化，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的控制與通訊接口，自成為一個(gè)智能圖像采集與處理單元，內(nèi)部程序存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)圖像處理算法，并能使用PC機(jī)，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(chǔ)器中。

2、光源技術(shù)

光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征參量，在增加圖像對(duì)比度的同時(shí)，應(yīng)保證足夠的整休亮度；物體位置的變化不應(yīng)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(gè)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(huì)給機(jī)器視覺系統(tǒng)帶來很多麻煩，如攝像機(jī)的花點(diǎn)和過度曝光會(huì)隱藏很多重要信息；陰影會(huì)引起邊緣的誤檢；信噪比的降低以及不均勻的照明會(huì)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(gè)合適的光源。機(jī)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(shí)，主要考慮被測物表面待測部分的機(jī)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(duì)攝像機(jī)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(yīng)用于被測對(duì)象的輪廓檢測、透明體的污點(diǎn)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(dǎo)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(shí)際應(yīng)用中，環(huán)形光源與CCD鏡頭同軸安放，一般與鏡頭邊緣相對(duì)齊。環(huán)形光源的優(yōu)點(diǎn)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(shí)，可大大減少陰影、提高對(duì)比度、可實(shí)現(xiàn)較大面積照明。但應(yīng)用距離不合適時(shí)會(huì)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(jī)器人象棋教學(xué)儀器主要由三菱RV-2F工業(yè)機(jī)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(jī)、邦納安全光幕等設(shè)備組成。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)普通中國象棋進(jìn)行棋子的抓取、擺放、識(shí)別，以及棋盤上對(duì)棋子的移動(dòng)、吃子等動(dòng)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(jī)器人象棋教學(xué)儀器

圖5環(huán)形照明光源

3、工業(yè)機(jī)器人象棋教學(xué)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(gè)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(shè)計(jì)簡單且組裝簡便，故成本較低。但這種照明最大的缺點(diǎn)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(xì)節(jié)會(huì)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(kuò)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(diǎn)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(jī)器人象棋教學(xué)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(dāng)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(jī)器人象棋視覺系統(tǒng)使用圖像對(duì)比指令FindPatterns，界面如圖10所示。只需對(duì)圖像取模后進(jìn)行對(duì)比，得出相似值后進(jìn)行相應(yīng)的四則十進(jìn)制運(yùn)算，發(fā)送二進(jìn)制數(shù)到網(wǎng)絡(luò)。

如圖9所示，一般相機(jī)的曝光時(shí)間只需要調(diào)整到2-3秒左右。圖中ERR表示錯(cuò)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(duì)比，當(dāng)?shù)梅种荡笥诘梅峙袛嘀禃r(shí)，則后面數(shù)值會(huì)顯示為1，當(dāng)沒有通過得分判斷值時(shí)，后面顯示數(shù)值為0。1表示圖像識(shí)別成功，0表示沒有圖形識(shí)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(jī)器人象棋教學(xué)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(jìn)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(shí)別，圖11則出現(xiàn)判別錯(cuò)誤。

5、結(jié)束語

本文通過對(duì)三菱RV-2F工業(yè)機(jī)器人象棋視覺系統(tǒng)的照明進(jìn)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(biāo)物體的照明亮度和均勻度，提高了視覺系統(tǒng)的圖像識(shí)別成功率。

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