机器视觉控制技术

技术分类: 测试与测量  | 2007-05-24
Richard A Quinnell,EDN特约技术编辑

  处理功能、软件和数码相机的改进都促使工业控制机器视觉系统的使用日益具有吸引力。但要使系统功能符合自己的预期,还需要注意一些细节。
  
要点
  机器视觉简化了基于物体大小、形状、颜色和位置的系统控制工作。
  数码相机在分辨率和帧速率之间做出折衷。
  在部件级有 CPU、DSP 和专用硬件等处理器选项,同时还有很多可用的板级系统。
  新一代高性能图像处理器正在进入汽车应用,如险情检测系统,以及监控驾驶员的摄像系统。


  对人类来说,视觉是最重要的感觉之一。视力可以使我们辨别物体,无需用手触摸而对它们作检查,确定它们的空间尺寸及关系,以及安全引导我们环游世界。当相机和处理系统的配置满足应用的需求时,装有视觉系统的机器也会带来相同的好处。

  现在很多应用都采用了机器视觉系统,其中很多用于工厂自动化。装备有视觉系统的机器可检查产品的缺陷、判断并分捡物体、测量尺寸及用于自动装配线上物料的校准与定位。非工厂应用包括基于视觉的汽车导航,以及汽车安全系统。虽然这些应用各不相同,但它们有三个共享元素:一台相机、一个处理器以及图像处理软件。

图1数码相机中的图像传感器是一只CCD它一般一次移出一个像素的图像数据并将图像分辨率与可实现最大帧速率结合起来


  无疑,相机是建立机器视觉系统功能的关键部件。相机
决定了细节的程度或系统可以识别的分辨率。它还确定了系统帧速率的上限,或者系统生成图像的速度,以及快门速度或图像捕捉时间。帧速率确定了控制系统能以多快速度获得刷新,而快门速度则影响到物体以多快速度通过视场。在制造系统中,这些因素控制着系统可以处理的生产能力。

  机器视觉系统既可以用模拟相机,也可以用数码相机。但很多高端模拟相机的设计是针对电视图像的生成,因此只有很少的帧速率或分辨率选项。互联网视频的出现促生了一些采用其它分辨率的低价模拟相机,通常是 VGA 或其片段。这类相机可能更适合那些对成本高度敏感、但它们只提供有限性能的应用。所有模拟相机均需使用一个单独的数字转换器(一般是帧接收器硬件的一部分),以捕捉供进一步处理的图像。

  数码相机从其特性来说不需要外部数字转换器,因而具有不受视频标准分辨率和帧速率约束的优点。过去十年来,数码相机在消费应用(从摄影到手机)中的爆炸性增长大大促进了其技术进步。数码相机现在有多种分辨率,也可实现多种类的帧速率,而成本在不断下降。大多数机器视觉控制系统都用数码相机作为它们的“眼睛”。

  选择一台相机

  选择数码相机时要考虑一系列折衷因素。最主要的是分辨率对帧速率。一般来说,相机的分辨率越高,可以实现的帧速率就越低。这种折衷源于数码相机图像传感器的工作方式。

  数码相机的核心是一只CCD(电荷耦合器件),用作图像传感器。如图 1 所示,CCD 的基本结构是一个长方形的光敏单元阵列(图像元素或像素),它连接到传送单元,构成一个行/列点阵。照在阵列上的光在像素上生成电荷。命令信号将电荷从像素送至传送阵列,并以戽链形式穿过阵列,到达提供数字读出的电荷传感器。从 VGA 分辨率到 100 万以上像素的 CCD 均可提供正方形和长方形阵列。

表1常见机器视觉算法


  一台基本数码相机只有一只电荷传感器,因此读出相机图像时,一次只读一个像素。这种每次一个像素的动作就将相机的帧速率与分辨率捆绑在一起。对于某种确定的 CCD 工艺技术,传输阵列移动像素电荷的速度存在着一个上限。因此,阵列越大,读出整个帧所花费的时间也越长。

  但这种折衷不是绝对的。现在有带多个电荷传感器的相机。它们将图像分成互不重叠的块,可以同时读出,从而可提高帧速率。但是,此时要对电荷到数字值的多次转换作出平衡,以使各个块产生匹配的图像,这会使设计复杂化。

  另外,还有一种能够提高高分辨率相机帧速率的方法,即只使用一张完整图像的子图。提供这种功能的相机能够使控制系统确定一个感兴趣的图像区域,用于数据读出,而不是移出整个阵列的图像。这种方法能够以较快帧速率产生较小的图像。

  应用折衷

  对机器视觉系统来说,帧速率与分辨率之间的最理想平衡主要取决于应用。例如,当需要寻找大型物体上的小缺陷或对物体尺寸作精确测量时,就需要高分辨率。而按单位时间检测物体或扫描一个大型物体所需时间而言,高帧速率则有助于提高系统吞吐量。

图2最新的机器视觉控制系统浪潮出现在汽车上用于物体识别应用如邻近的行人警告驾驶者可能的危害


  帧速率与分辨率的均衡会影响相机的价格。快速多区块和重点区域相机要比相同分辨率的较低速相机更昂贵。较高图像分辨率意味着有更多昂贵的传感器,并且相机中通常需要用更昂贵的光学器件实现恰当的景深和视场。除了成本考虑以外,还必须在选择相机时考虑这样一些要求,如照明度(见附文1“机器视觉的照明”)和颜色(见附文2“关于颜色问题”)。

  相机的选择决定了一个机器视觉系统可以实现的性能上限,但它不是唯一的决定因素。图像处理的速率也会面临限制。很多因素会影响这个速率,包括图像分辨率、需要的处理类型,以及图像处理器的性能。

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