【文章內(nèi)容簡介】 類視覺功能對發(fā)展智能機器是及其重 要的 ， 也由此形成了一門新的學(xué)科 —— 機器視覺。機器視覺的發(fā)展不僅將大大推動智能系統(tǒng)的發(fā)展 ， 也將拓寬計算機與各種智能機器的研究范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。由此人們開始考慮利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標的圖像 ， 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。 由此人們開始考慮利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標的圖像 ， 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。 由于機器視覺涉及到多個學(xué)科 ， 給出一個精確的定義是很難的 ， 而且在這個問題上見仁見智。本文采用美國制造業(yè)工程師協(xié)會給出的正式定義 ： 機器視覺是使用器件進行非接觸感知 ， 自動獲取和解釋一個真實場景的圖像 ， 用來獲取信息和 （ 或 ） 控制機器 的 過程 ［ 18－ 20］ 。 機器視覺 的 優(yōu)缺點 市場的擴展得益于機器視覺技術(shù)的進步 ， 這體現(xiàn)在簡單化、豐富的產(chǎn)品 特性和較高的成功率。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8 基于機器視覺的人眼 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn) 精度的要求。機器視覺系統(tǒng)是實現(xiàn)儀器設(shè)備精密控制、智能化、自動化的有效途徑 ， 堪稱現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的 “ 機器眼睛 ” 。其最大的優(yōu)點為 ： 1) 實現(xiàn)非接觸測量。對觀測與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷 ， 從而提高了系統(tǒng)的可靠性。 2) 具有較寬的光譜響應(yīng)范圍。機器視覺則可以利用專用的光敏元件 ， 可以觀測到人類無法看到的世界 ， 從而擴展了人類視覺范圍。 3) 長時間工作。人類難以長時間的對同一 對象進行觀察。機器視覺系統(tǒng)則可以長時間地執(zhí)行觀測、分析與識別任務(wù) ， 并可應(yīng)用與惡劣的工作環(huán)境。 總的來說 ， 機器視覺的優(yōu)點包括以下幾點 ： 精度高 、 連續(xù)性好 、 成本效率高和靈活性強。機器視覺比光學(xué)或機器傳感器有更好的可適用性 ， 它們使自動機器具有了多樣性 、 靈活性和可重組性。當需要改變生產(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 昂貴的硬件。當生產(chǎn)線重組后 ， 視覺系統(tǒng)往往可以重復(fù)使用。機器視覺的應(yīng)用正越來越多地代替人去完成許多工作 ， 這無疑在很大程度上提高了生產(chǎn)自動化水平和檢測系統(tǒng)的智能水平 [21]。 事實上 任何系統(tǒng)都有它的缺陷 ， 視覺系統(tǒng)再快也快不過機械系統(tǒng) ， 產(chǎn)品的優(yōu)良品質(zhì)是靠全過程控制出來的 ， 并不只是檢測出來的。 機器視覺的系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)構(gòu)成 機器視覺系統(tǒng)完成的主要功能是指通過機器視覺產(chǎn)品 （ 即圖像攝取裝置 ， 分為 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 、 亮 和 顏色等信息 ， 進行各種運算來提取目標特征 ， 參照標準信號進行比較得出判別結(jié)果 ， 最終控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)所需的功能動作。 典型的視覺系統(tǒng)一般包括 ： 光源、光學(xué)鏡頭、攝像機、圖像采集卡、圖像處理軟件 及 執(zhí)行部件等。 1) 光源，光源是 為確保視覺系統(tǒng)正常取像，獲得足夠的光信息而提供照明的裝置。光源的目的有以下幾點： ① 將待測區(qū)域與背景明顯區(qū)分開 ； ② 將運動目標 “ 凝固 ”在圖像上 ； ③ 增強待測目標邊緣清晰度 ； ④ 消除陰影 ； ⑤ 抵消噪光。 第二章 機器視覺系統(tǒng)的概述 9 光源可分為熒光燈，鹵素燈 /光纖導(dǎo)管 ， LED光源和其他 （ 激光、紫外光等 ）四類。光源是一個視覺 系統(tǒng) 開始工作的第一步， 合適 的光源可以提高系統(tǒng)檢測精度、運行速度及工作效率。 2) 光學(xué)鏡頭，光學(xué)鏡頭包括以下幾個基本概念： ① 視野 (FOV)，圖像采集設(shè)備所能夠覆蓋的范圍，它可 以是在監(jiān)視器上可以見到的范圍，也可以 是 使 設(shè)備所輸出的數(shù)字圖像所能覆蓋的最大范圍。 ② 最大 /最小工作距離 (Work Distance)， 從物鏡到被檢測物體的距離的范圍，小于最小工作距離 或 大于最大工作距離 時 系統(tǒng)均不能正確成像。 ③ 景深 (Depth of Field)，在某個調(diào)焦位置上，景深內(nèi)的物體都可以清晰成像。 ④ 畸變，幾何畸變指的是由于鏡頭方面的原因?qū)е碌膱D像范圍內(nèi)不同位置上的放大率存在的差異。幾何畸變主要包括徑向畸變和切向畸變。如枕形或桶形失真。 ⑤ 鏡頭接口，包含 CMOUNT（ 鏡頭的標準接口之一 ，鏡頭的接口螺紋參數(shù)： 公稱直徑： 1毫米，螺距： 32牙 ） ， CSMOUNT（ 是 CMOUNT的一個變種，區(qū)別僅僅在于鏡頭定位面到圖像傳感器光敏面的距離不同， CMOUNT是 ，CSMOUNT是 ） ， C/CS（ 能夠匹配最大的圖像傳感器的尺寸不超過 1毫米 ）。 ⑥ 成像面，可以在鏡頭的像面上清晰成像的物體平面。 ⑦ 光圈與 F值，光圈是一個用來控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。光圈大小用 F值表示，如 ： ， f2， 。 ⑧ 焦距，焦距是像方主面到像方焦點的距離。 ⑨ 分辨率，測量 系統(tǒng)能夠重現(xiàn)的最小的細節(jié)的尺寸常常用每毫米線對來表示，也就是根據(jù)這個鏡頭能夠分辨一毫米內(nèi)多少對直線。選擇鏡頭的時候必須注意廠商給出的分辨率的定義方式。 光學(xué)鏡頭按照功能可分為變焦距鏡頭，定焦距鏡頭，定光圈鏡頭；按照用途可分為微距鏡頭和遠心鏡頭。 3) 攝像機，圖像攝取裝置。目前工業(yè)上主要分為 CMOS和 CCD兩中，將被攝取目標轉(zhuǎn)換為圖像信號，傳送給上位機。但隨著通訊方式的發(fā)展， USB、FIREWIRE138 TCP/IP等新的通訊方式越來越簡單方面，將成為未來的主流。 4) 圖像采集卡，是將攝像裝置采集的圖 像傳入上位機的硬件設(shè)備。 主要有CMOS和 CCD接口的圖像采集卡， 在本研究中采用了 USB口的攝像頭，無需圖像采集卡。 5) 圖像處理軟件，一般集成于單片機或嵌入式系統(tǒng)或是 PC中專門的圖像處理軟件。根據(jù)需要對攝取的圖像進行數(shù)字化處理，達到測量、定位、識別、匹配等目的。 6) 執(zhí)行部件，一般是經(jīng) 過 圖像處理后，將控制信息傳入執(zhí)行部件，執(zhí)行所要10 基于機器視覺的人眼 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn) 求的操作，如機械臂的控制 、 產(chǎn)品檢測篩選等。 系統(tǒng)硬件的選擇 在視覺系統(tǒng)中，根據(jù)項目目的的不同，所要求圖像的分辨率、亮度、清晰度、對比度和系統(tǒng)軟件圖圖像處理的方式不同 ，需要選用不同的軟硬件，以達到既能節(jié)約成本，又能有效完成項目的目的。 光源的選擇，光源是 為確保視覺系統(tǒng)正常取像，獲得足夠的光信息而提供照明的裝置 ， 在選取光源時應(yīng)遵循以下幾點 ： 1) 背光 ： 測量系統(tǒng)的最佳選擇 ； 2) 亮場 ： 最直接的照明 ； 3) 暗場 ： 適合光滑表面的照明 ； 4) 結(jié)構(gòu)光法 ： 最簡便的三維測量的選擇 ； 5) 影子的利用 ： 適用于間接測量 ； 6) 彩色的考慮。 常用燈源的分析 ，如表 。 表 常用燈源的分析 熒光燈 鹵素燈 +光纖導(dǎo)管 LED 燈源 價格 低 高 中 亮度 低 高 中 穩(wěn)定 性 低 中 高 閃光裝置 無 無 有 使用壽命 中 低 高 光線均勻度 高 中 低 多色光 無 無 有 復(fù)雜設(shè)計 低 中 高 溫度影響 中 低 高 鏡頭的選擇，從技術(shù)因素考慮有以下幾點： 1) 鏡頭與相機 的 匹配 ? 鏡頭接口是否為工業(yè)標準接口， C/CS 接口 ； ? 鏡頭成 像面是否 大于等于 相機 CCD 尺寸。若相機 CCD 為 1/2 毫米，而鏡頭為 1/3 毫米，則該鏡頭與相機不匹配 ； 第二章 機器視覺系統(tǒng)的概述 11 2) 系統(tǒng)工作空間 ? 鏡頭最短 焦距 是否適合系統(tǒng)工作空間 ； ? 注意鏡頭 焦距 與最短焦距間的關(guān)系 ； 3) 系統(tǒng)精度 ? 獲取最佳視野 ； ? 鏡頭畸變對系 統(tǒng)精度的影響 ； ? 鏡頭分辨率對系統(tǒng)精度的影響 ； 4) 縱深成像 ? 物 體 縱深方向的成像是否在鏡頭 景深范圍之內(nèi) ； 5) 其他 ? 超大，超小物體的檢測 ； 常見鏡頭的對比如 表 。 表 常見鏡頭對比 CCTV 鏡頭 專業(yè)攝影鏡頭 遠心鏡頭 價格 低 中 高 分辨率 低 (20L/MM) 中 (40^80L/MM) 高 畸變 高 中 低 焦距選擇范圍 廣泛 25MM/75MM/50MM 廣泛 25MM/75MM/50MM 狹窄 使用靈活性 高 中 低 適合應(yīng)用 低精度測量 /簡單檢測 標準精度測量 /定位 高精度測量 /縱深測量 相機的選擇，在選擇相機時需要從以下幾個方面考慮： 1) 系統(tǒng)精度要求與相機的分辨率 ? 相機分辨率 （ X 方向 ） ＝最佳視野范圍 （ X 方向 ） /理論像素值 （ X 方向 ） ； ? 相機分辨率 （ Y 方向 ） ＝最佳視野范圍 （ Y 方向 ） /理論像素值 （ Y 方向 ） ； ? 理論值的得出，要由系統(tǒng)精度及亞像素綜合考慮。 2) 系統(tǒng)速度要求與相機成像速度 ? 系統(tǒng)單次運行速度＝系統(tǒng)成像速度 +系統(tǒng)檢測速度。 12 基于機器視覺的人眼 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn) ? 異步觸發(fā)。 ? 快門速度。 3) 與視覺板卡的匹配 ? 視頻信號的匹配。對于模擬信號相機來說，有兩種格式， CCIR/RS170。通常采集卡都同時 支持這兩種相機。 ? 分辨率的匹配。每款板卡都只支持某一分辨率范圍內(nèi)的相機。 ? 特殊功能的匹配。如要使用相機的特殊功能，先確定所用板卡支持此功能。 ? 接口的匹配。確定相機與板卡的接口相匹配。如 CAMERALINK，F(xiàn)IREWIRE1384 等。 4) 其他 ? 動態(tài)成像 ； ? 色彩檢測 ； ? 超大目標檢測 ； ? 數(shù)字相機 。 系統(tǒng)平臺的選擇，目前市場上主流的硬件平臺主要分為 PC 式系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)，在選擇時需要考慮以下因素： 1) 系統(tǒng)板卡硬件功能、軟件包的功能、系統(tǒng)開發(fā)時限。 2) 系統(tǒng)開發(fā)的成本 。 PC 式視覺系統(tǒng)和嵌入式視覺系統(tǒng)的對 比 ， 如表 。 機器視覺系統(tǒng)的軟硬件選擇是一個需要綜合考慮的問題，需要根據(jù)項目目的、成本和實用效果來綜合考慮具體選擇什么樣的軟件和硬件。這是機器視覺系統(tǒng)中很重要的一個步驟 。 機器視覺系統(tǒng)的工作原理 機器 視覺系統(tǒng)的輸出并非圖像視頻信號 。 而是經(jīng)過運算處理之后的檢測結(jié)果（ 如面積數(shù)據(jù) ）。 通常，機器視覺測試就是用機器代替 人 眼來 測量和判斷。首先采用 CCD照相機將被攝取目標轉(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， 如 ： 面積、長度、數(shù)量、位置等。最后，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量 、 個數(shù)、合格 /不合格、有 /無等。上位機 （ 如 PC和 PLC） 實時獲得檢測結(jié)果后，指揮運動系統(tǒng)或 I/O系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動作 （ 如定位和分類 ） 。 機器 視覺系統(tǒng)基本的流程圖如圖 。 第二章 機器視覺系統(tǒng)的概述 13 表 PC 式 機器 視覺系統(tǒng)和嵌入式視覺系統(tǒng)的對比 PC 式視覺系統(tǒng) 嵌入式視覺系統(tǒng) 檢測速度 強 弱 測量精度 強 弱 多相機支持 強 弱 閃光裝置 強 弱 相機功能支持 強 弱 用戶化功能支持 強 弱 復(fù)雜運算 強 弱 系統(tǒng)成本 弱 強 工作空間 弱 強 操作難度 弱 強 集成能力 弱 強 穩(wěn)定性 弱 強 取 像 分 析 控 制 模 塊結(jié) 果 輸 出 圖 機器 視覺系統(tǒng)基本的流程圖 本章小結(jié) 本章主要介紹了機器視覺系統(tǒng)的概況，機器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成和系統(tǒng)軟硬件 選擇 的考慮因素，以及機器視覺系統(tǒng)的基本流程。為本文研究人眼追蹤系統(tǒng)的搭建提供了理論依據(jù) 。 第三章 LabVIEW 虛擬儀器和數(shù)字圖像處理概述 15 第三章 LabVIEW 虛擬儀器和數(shù)字圖像處理概述 LabVIEW 概念 利用在 PC上運行的軟件平臺，將以往依靠 專用儀器完成的測控任 務(wù)改由軟件和模塊化硬件集成的平臺