第五章 机器视觉的典型应用

1、机器视觉的典型应用 机器视觉被称为自动化的眼睛，在国民经济、科学研究及国防建设等领域都有着广泛的应用。 首先，机器视觉最大的优点是与被观测的对象无接触，从而对观测与被观测者都不会产生任何损伤，十分安全可靠，这是其他感觉方式无法比拟的。 其次，机器视觉所能检测的对象范围十分广泛，可以说是对对象不加选择。理论上，人眼观察不到的范围机器视觉也可以观察到，例如红外线、微波、超声波等人类就观察不到，而机器视觉则可以利用这方面的敏感器件形成红外线、微波、超声波等图像，因此可以说是扩展了人类的视觉范围。 第三，人无法长时间地观察对象，机器视觉则可以不知疲劳、始终如一地观测，所以机器视觉被广泛地用于长时间恶劣

2、的工作环境。 1)农业上的应用 检测农产品的外形尺寸并对其进行分级；检测农产品表面颜色以反映其品质，如将饱和度作为特征参数识别胚芽和胚乳；农产品表面缺陷和损伤的自动检测、分类；动物产品的品质检测，如牡蝠肉的尺寸检测与分级、检测牛奶的品质及肉牛的脂肪厚度等；在农业生产领域中的研究，如在分析小麦生长特征的技术上，用小麦叶片和茎杆之间的叉点数来检测叶片，用色相表示小麦叶片的颜色，对小麦叶片的色机值进行检测。 2)工业上的应用 生产线上部件安装、自动焊接、切割加工；大规模集成电路生产线上自动连接引线、对准芯片和封装；在纺织、印染业进行自动分色配色、其它辅助设计等。在各类检测、监视中的应用，如检查印刷底

3、版的裂痕、短路及不合格的连接部，检查标签文字标记，玻璃产品的裂痕和气泡，零件质量检测等。 3)商业上的应用 自动巡视商店或其他重要场所的门廊，自动跟踪可疑的人并及时报警。 4)遥感方面的应用 自动制图，卫星图像与地形图对准，自动测绘地图;国土资源管理，如森林、水面、土壤的管理等;还可以对环境、火警自动监测。 5)医学方面的应用 对染色体切片、癌细胞切片、X射线图像、超声波图像的自动检查，进而自动诊断等。 6)军事方面的应用 自动监视军事目标，自动发现、跟踪运动目标，自动巡航、捕获目标和确定距离。 典型的PC式机器视觉系统一般由图像采集、图像分析处理、结果输出与执行几个部分组成。图像采集部分的硬

4、件主要包括:光源、镜头、相机、图像采集卡。图像采集部分的任务是将目标物体的特征信息进行光学成像，然后通过图像传感器将光信号转换为电信号传递给计算机的图像数据采集卡;图像分析处理部分由基于个人计算机平台上的图像处理分析软件实现;处理结果的输出可以利用计算机的通信接口也可以通过附加的硬件设备来实现。基于基于PCPC式机器视觉系统的构成式机器视觉系统的构成 本例通过对一系列硬件资料的分析总结后，根据各个硬件的参本例通过对一系列硬件资料的分析总结后，根据各个硬件的参数及其选用原则选择了一套适合本文研究需要硬件，包括相机、数及其选用原则选择了一套适合本文研究需要硬件，包括相机、光源、镜头和图像采集卡。并

5、使用这些硬件搭建了机器视觉系光源、镜头和图像采集卡。并使用这些硬件搭建了机器视觉系统。统。 相机的选择除了考虑选择黑白/彩色、数字/模拟、面阵/线阵、精度、速度外，还要考虑的因素有:相机与图像采集卡之间的数据输出接口、相机与镜头之间的联接接口等。数据输出接口主要有视频制式模拟信号、CameraLink, LIDS ,IEE1394, USB等。在系统的硬件选择时要注意相机和图像采集卡之间的接口的类型，尽量选用相同接口，如果接口不同要考虑相机和图像采集卡之间的接口转换问题；根据相机和镜头间的联接支座的螺纹的不同可以分为C接口和CS接口。相机的选用相机的选用 根据要求，选用了根据要求，选用了UNI

6、QUNIQ公司的公司的UP-800UP-800型黑白面阵型黑白面阵CCDCCD数字相机，数字相机，其主要参数如下表所示。其主要参数如下表所示。UP-800UP-800是一款分辨率为是一款分辨率为1024x7761024x776的数字工业相机，它使用了逐行的数字工业相机，它使用了逐行扫描隔行传输的技术。具有外部异步采集功能，能够很容易的抓扫描隔行传输的技术。具有外部异步采集功能，能够很容易的抓拍高速运动物体的图像。其拍高速运动物体的图像。其CCDCCD为方形像素，更适合用于处理、为方形像素，更适合用于处理、测量和分析方面的应用。测量和分析方面的应用。UP-800UP-800可以应用在高速机器视觉

7、、自动可以应用在高速机器视觉、自动检测、运动采集分析以及很多其它科学和工业领域内。这款相机检测、运动采集分析以及很多其它科学和工业领域内。这款相机和许名市场上常用的图像采集卡都能够配套伸用。和许名市场上常用的图像采集卡都能够配套伸用。照明的主要目的是通过一定方式把光源发出的光投射到被测物体上，突出被测特征的对比度，使采集到的图像质量得到改善从而满足机器视觉软件对图像处理与分析的要求。照明方式的选择主要考虑被测物体的特性、工作距离、视场大小等因素。当前还没有任何一种照明方式可以适用于所有的机器视觉工程中，要针对每一个机器视觉工程选择合适的照明系统。光源选择光源选择LED光源效率高、体积小、发热少

8、、功耗低、发光稳定、寿命长，通过不同的组合方式可以制造成环形、条形、矩形等不同形状的光源来满足不同工程的需要。因此，LED光源以其优异的特性在机器视觉工程中得到了广泛的应用。机器视觉工程中使用的光源除了要适合被测量目标的特性以外，还要求光能稳定。本例在使用低角度照射、背光、环形灯对机械加工零件进行了大量试验的基础上，照明方案选用了环形灯照明。光源使用红色LED。 镜头选择镜头选择 镜头选择要根据相机的传感器尺寸、支座接口形式以及被测量的零件尺寸等进行综合考虑。镜头的成像应能够完全覆盖镜头的传感器表面；镜头和相机的联接接口形式应该尽量相同；镜头的视场和景深应该满足被测量的零件的尺寸要求。 本例选

9、用了性价比较高的COMPUTAR公司的M2514-MP百万像素固定焦距镜头，其主要性能参数见下表所示。该镜头采用C型接口与可以相机配套使用。成像尺寸满足相机的CCD传感器尺寸要求。另外，该镜头分辨率较高，适合高精度的尺寸检测。手动的光圈和焦距调节可以满足本课题的要求。图像采集卡选择图像采集卡选择 图像采集卡是一块可插入计算机或脱离计算机独立使用的板卡，图像采集卡将数字信号经过处理送入计算机，是图像采集部分和图像处理部分的接口。为了避免与其他PCI设备产生冲突时丢失数据，一般在图像采集卡上应有数据缓存。一些图像采集卡还提供数字I/O的功能。 本文使用的图像采集卡为NI公司的IMAQ 1422图像

10、采卡，其主要性能参数见下表 NI公司的公司的IMAQ-1422 LVDS图像采集卡是一款非常灵活的，对工业现场应用图像采集卡是一款非常灵活的，对工业现场应用和科学研究都适合的图像采集卡。这一图像采集卡不仅可以与多个厂家生产和科学研究都适合的图像采集卡。这一图像采集卡不仅可以与多个厂家生产的多种型号的相机配套使用，也提多种编程软件的驱动接口和一些基础的图的多种型号的相机配套使用，也提多种编程软件的驱动接口和一些基础的图像处理函数以适合各不同用户的需求。像处理函数以适合各不同用户的需求。IMAQ-1422图像采集卡能够支持的软图像采集卡能够支持的软件开发平台有件开发平台有:LabView, Lab

11、Windows/CVI，Visual C+, Visual Basic以及以及Borland C+等。等。系统软件 机器视觉系统要实现预定的功能离不开相应的计算机软件，图像处理软件要实现图像数据的采集，并且进一步通过特定的算法对采集的数字图像进行分析、处理，最终将结果显示或根据需要传送给执行机构的控制部分。系统软件的设计在整个系统的设计中占有重要的地位，是提升机器视觉系统性能的重要保障。软件系统的设计应合理高效和简洁，以保证整个检测系统运作的稳定和可靠。 本例使用Visual C+ 6.0作为程序的开发平台。选用这一开发工具的主要原因在于： C+语言具有灵活性强，可以方便的实现自己的算法，便于

12、软件功能的扩展；C+编程语言可以方便的操作内存，可以提高程序的运行速度适合图像处理；Visual C+拥有众多使用者和爱好者，方便研究学习和交流。 本例的软件包括三个部分：软件界面模块、图像采集模块、图像处理与分析模块。软件界面模块软件界面模块 本例软件的界面是基于Visual C+的MFC对话框的程序。程序的各种函数和功能通过菜单操作来实现，采集或者打开的图像和处理结果在同一界面显示，结构简清晰。图像的采集模块图像的采集模块 数字图像的形成 外界光线经过成像系统形成的图像分布在图像传感器的成像面像素点上，图像传感器再根据每一个像素点上光信号的亮度生成相应的电信号，然后对电信号进行采样和量化，

13、最终产生一个对应每一个像素的位置数值和一个代表明亮程度的值。这些与位置和亮度有关的数值就组成了一幅数字图像的图像数据信息。整个过程如图所示。 由于本文的机器视觉系统采用黑白相机采集图像，所以经过上述过程生成的图像是灰度图像，因此在本文中所指的“图像”指的均是灰度数字图像。 灰度图像是一个表示亮度值的二维数组，其参数主要有分辨率和像素深度: 分辨率指图像的行数和列数的乘积。如果图像由m列、n行组成那它的分辨率就是mxn，也就是说图像沿着水平坐标有m个像素，沿着竖直坐标有n个像素。 像素深度是指存储每个像素亮度数值所用的存储空间的位数。如果象素的深度为n，那么图像的亮度就可以用2个不同的数值来表示。 图像的采集 本例使用的图像采集硬件中NI公司的IMAQ 1422图像采集卡支持UNIQ公司的UP800相机。利用IMAQ提供的驱动程序动态链接库便可以控制相机的动作，进而进行图像采集操作。根据本文的需要，使用相机的单帧采集工作方式，具体的程序流程如图所示。 图像的