機器人視覺系統(tǒng)

機器人視覺系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗、生產(chǎn)監(jiān)視及零件識別應(yīng)用，例如零配件批量加工的尺寸檢查，自動裝配的完整性檢查，電子裝配線的元件自動定位，IC上的字符識別等。通常人眼無法連續(xù)、穩(wěn)定地完成這些帶有高度重復(fù)性和智能性的工作，其它物理量傳感器也難有用武之地。由此人們開始考慮利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像，而后經(jīng)計算機或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進行數(shù)字化處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。這樣，就把計算機的快速性、可重復(fù)性，與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機器視覺的概念。一個成功的機器視覺系統(tǒng)是一個經(jīng)過細致工程處理來滿足一系列明確要求的系統(tǒng)。當(dāng)這些要求完全確定后，這個系統(tǒng)就設(shè)計并建立來滿足這些精確的要求。機器視覺的優(yōu)點包括以下幾點：■精度高作為一個精確的測量儀器，設(shè)計優(yōu)秀的視覺系統(tǒng)能夠?qū)σ磺€或更多部件的一個進行空間測量。因為此種測量不需要接觸，所以對脆弱部件沒有磨損和危險?！鲞B續(xù)性視覺系統(tǒng)可以使人們免受疲勞之苦。因為沒有人工操作者，也就沒有了人為造成的操作變化。多個系統(tǒng)可以設(shè)定單獨運行?！龀杀拘矢唠S著計算機處理器價格的急劇下降，機器視覺系統(tǒng)成本效率也變得越來越高。一個價值10000美元的視覺系統(tǒng)可以輕松取代三個人工探測者，而每個探測者每年需要20000美元的工資。另外，視覺系統(tǒng)的操作和維持費用非常低?！鲮`活性視覺系統(tǒng)能夠進行各種不同的測量。當(dāng)應(yīng)用變化以后，只需軟件做相應(yīng)變化或者升級以適應(yīng)新的需求即可。許多應(yīng)用滿意過程控制（SPC）的公司正在考慮應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)來傳遞持續(xù)的、協(xié)調(diào)的和精確的測量SPC命令。在SPC中，制造參數(shù)是被持續(xù)監(jiān)控的。整個過程的控制就是要保證這些參數(shù)在一定的范圍內(nèi)。這使制造者在生產(chǎn)過程失去控制或出現(xiàn)壞部件時能夠調(diào)節(jié)過程參數(shù)。機器視覺系統(tǒng)比光學(xué)或機器傳感器有更好的可適應(yīng)性。它們使自動機器具有了多樣性、靈活性和可重組性。當(dāng)需要改變生產(chǎn)過程時，對機器視覺來說“工具更換”僅僅是軟件的變換而不是更換昂貴的硬件。當(dāng)生產(chǎn)線重組后，視覺系統(tǒng)往往可以重復(fù)使用機器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成機器視覺技術(shù)用計算機來分析一個圖像，并根據(jù)分析得出結(jié)論。現(xiàn)今機器視覺有兩種應(yīng)用。機器視覺系統(tǒng)可以探測部件，在此光學(xué)器件允許處理器更精確的觀察目標(biāo)并對哪些部件可以通過哪些需要廢棄做出有效的決定；機器視覺也可以用來創(chuàng)造一個部件，即運用復(fù)雜光學(xué)器件和軟件相結(jié)合直接指導(dǎo)制造過程。盡管機器視覺應(yīng)用各異，但都包括以下幾個過程；■圖像采集光學(xué)系統(tǒng)采集圖像，圖像轉(zhuǎn)換成模擬格式并傳入計算機存儲器?！鰣D像處理處理器運用不同的算法來提高對結(jié)論有重要影響的圖像要素?！鎏匦蕴崛√幚砥髯R別并量化圖像的關(guān)鍵特性，例如印刷電路板上洞的位置或者連接器上引腳的個數(shù)。然后這些數(shù)據(jù)傳送到控制程序?！雠袥Q和控制處理器的控制程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出結(jié)論。例如：這些數(shù)據(jù)包括印刷電路板上的洞是否在要求規(guī)格以內(nèi)或者一個自動機器如何必須移動去拾取某一部件。機器視覺系統(tǒng)解析典型的視覺系統(tǒng)一般包括：光源、光學(xué)系統(tǒng)，相機、圖像處理單元（或圖像采集卡）、圖像分析處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。圖像采集圖像的獲取實際上是將被測物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計算機處理的數(shù)據(jù)，它直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。一般利用光源、光學(xué)系統(tǒng)，相機、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）獲取被測物體的圖像?！龉庠垂庠春陀绊憴C器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(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。許多工業(yè)用的機器視覺系統(tǒng)用可見光作為光源，這主要是因為可見光容易獲得，價格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的一個最大缺點是光能不能保持穩(wěn)定。以日光燈為例，在使用的第一個100小時內(nèi)，光能將下降15%，隨著使用時間的增加，光能將不斷下降。因此，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。另一個方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護屏的方法，減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問題，在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對于某些要求高的檢測任務(wù)，常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。由光源構(gòu)成的照明系統(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相機之間，它的優(yōu)點是能獲得高對比度的圖像；前向照明是光源和相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，2.結(jié)合計算機視覺及圖像處理的研究成果，建立機器人視覺系統(tǒng)的專用軟件庫。3.加強系統(tǒng)的動態(tài)性能研究。目前的研究多集中于根據(jù)圖像信息確定期望的機器人運動這一環(huán)節(jié)上，而對整個視覺伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能缺乏研究。4.利用智能技術(shù)的成果。5.利用主動視覺的成果。主動視覺是當(dāng)今計算機視覺和機器人視覺研究領(lǐng)域中的一個熱門課題。它強調(diào)的是視覺系統(tǒng)與其所處環(huán)境之間的交互作用能力。與傳統(tǒng)的通用視覺不同，主動視覺強調(diào)兩點，一是認為視覺系統(tǒng)應(yīng)具有主動感知的能力，二是認為視覺系統(tǒng)應(yīng)基于一定的任務(wù)（TaskDirected）或目的，主動視覺認為在視覺信息獲取過程中，應(yīng)更主動地調(diào)整攝像機的參數(shù)，如方向、焦距、孔徑等并能使攝像機迅速對準(zhǔn)感興趣的物體。更一般地，它強調(diào)注視機制，強調(diào)對分布于不同空間范圍和時間段上的信號采用不同的分辨率有選擇性地感知，這種主動感知既可在硬件層上通過攝像機物理參數(shù)的調(diào)整實現(xiàn)，也可以在基于被動攝像機的前提下，在算法和表示層上通過對已獲得的數(shù)據(jù)有選擇性地處理實現(xiàn)。同時，主動視覺認為不基于任何目的的視覺過程是