工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的構(gòu)成與開(kāi)發(fā)過(guò)程（理論篇—1）
在說(shuō)到機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)時(shí)候，各位可能會(huì)對(duì)：機(jī)器視覺(jué)（machine vision）、圖像處理（image processing）以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)（computer vision）這三個(gè)概念感到困惑。
機(jī)器視覺(jué)、圖像處理以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)是既相互交叉又有區(qū)別的幾個(gè)概念。
機(jī)器視覺(jué)則主要是指工業(yè)領(lǐng)域視覺(jué)的應(yīng)用研究，例如自主機(jī)器人的視覺(jué)，用于檢測(cè)和測(cè)量的視覺(jué)系統(tǒng)等。它通過(guò)在工業(yè)領(lǐng)域?qū)D像感知、圖像處理、控制理論與軟件、硬件緊密結(jié)合，并研究解決圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中的問(wèn)題，以實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)動(dòng)控制或各種實(shí)時(shí)操作。
圖像處理是指用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原、校正、增強(qiáng)、統(tǒng)計(jì)分析、分類和識(shí)別等加工，以達(dá)到所需結(jié)果的技術(shù)和過(guò)程，它通常是機(jī)器視覺(jué)中必不可少的階段（日常生活中圖像處理常常指對(duì)圖像的藝術(shù)化，與工業(yè)領(lǐng)域的圖像處理的概念稍有差別)。
計(jì)算機(jī)視覺(jué)的研究很大程度上是針對(duì)圖像內(nèi)容的視覺(jué)理論研究。它的研究對(duì)象主要是映射到單幅或多幅圖像上的三維場(chǎng)景，例如三維場(chǎng)景的重建等。
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工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成
工業(yè)環(huán)境下，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)通常包含：光源、光學(xué)傳感器、圖像采集設(shè)備、圖像處理設(shè)備、機(jī)器視覺(jué)軟件、輔助傳感器、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，這些軟、硬件聯(lián)動(dòng)共同完成機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)承擔(dān)的任務(wù)。典型工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
光源是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的重要組成部分，它作為輔助成像設(shè)備，為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的圖像獲取提供足夠的光線，光源的設(shè)計(jì)和選取往往直接決定機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。
光學(xué)傳感器（如CCD攝像機(jī)）負(fù)責(zé)將外部場(chǎng)景轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。
圖像采集設(shè)備（如圖像采集卡)可以將來(lái)自光學(xué)傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流，傳送給圖像處理設(shè)備。
圖像處理設(shè)備（如PC或其他嵌入式硬件設(shè)備）上運(yùn)行有機(jī)器視覺(jué)軟件，可以對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并發(fā)送控制指令。
控制指令經(jīng)由數(shù)字I/O卡發(fā)送給控制單元（如PLC)后，由控制單元綜合輔助傳感器傳回的信息，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的動(dòng)作。
例如，PCB分揀機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，在充足光源的照射下，CCD攝像機(jī)將生產(chǎn)線上的PCB圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并經(jīng)由插在PC中的圖像采集卡將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像。計(jì)算機(jī)中的機(jī)器視覺(jué)軟件可以對(duì)采集到的圖像進(jìn)行分析、處理以檢查PCB是否符合質(zhì)量要求。如果發(fā)現(xiàn)PCB中缺少元件，則經(jīng)過(guò)數(shù)字IO卡向PLC發(fā)出一個(gè)信號(hào)，通知它控制機(jī)械手拿出該P(yáng)CB。此時(shí)PLC會(huì)綜合輔助定位傳感器，檢查PCB的位置，控制機(jī)械手準(zhǔn)確地抓取有質(zhì)量缺陷的PCB，從而達(dá)到分揀的目的。
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工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程
工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程包括：需求分析以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)后的軟、硬件選型、軟件開(kāi)發(fā)、測(cè)試與驗(yàn)證、系統(tǒng)集成驗(yàn)收以及最終的試運(yùn)行幾個(gè)主要階段，如下圖所示：
軟、硬件選型階段，開(kāi)發(fā)人員將對(duì)用戶的需求進(jìn)行細(xì)化，并分析各個(gè)子系統(tǒng)的詳細(xì)需求，然后根據(jù)詳細(xì)需求中的各種指標(biāo)，確定構(gòu)建機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所需的軟硬件。如果項(xiàng)目工期比較緊張，或者在項(xiàng)目初期用戶的需求還不能完全確定，則可以先與用戶確定采購(gòu)周期較長(zhǎng)的軟硬件相關(guān)功能需求和指標(biāo)，以便盡早開(kāi)展采購(gòu)工作。
搭建機(jī)器視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)階段，通常先在實(shí)驗(yàn)室將關(guān)鍵硬件連接在一起，構(gòu)建一套系統(tǒng)的原型機(jī)，并在PC上安裝機(jī)器視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)包，開(kāi)發(fā)并驗(yàn)證各種算法。
軟件開(kāi)發(fā)完成后，還需要在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)地測(cè)試。當(dāng)然在這之前需要在現(xiàn)場(chǎng)按照設(shè)計(jì)安裝搭建最終的機(jī)器視覺(jué)硬件系統(tǒng)，此后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的集成測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的功能是否完善，實(shí)時(shí)性、可用性等性能是否達(dá)標(biāo)，并在客戶驗(yàn)收后進(jìn)入系統(tǒng)的試運(yùn)行。值得一提的是，無(wú)論在原型機(jī)還是最終的硬件系統(tǒng)的搭建過(guò)程中，都需要根據(jù)系統(tǒng)的成像情況，對(duì)出現(xiàn)的畸變和投影誤差等進(jìn)行多次校正。
機(jī)器視覺(jué)軟件直接決定機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的功能和性能，它是整個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中最為重要的部分。機(jī)器視覺(jué)軟件通常由“圖像操作與增強(qiáng)"、"圖像分割與分析"以及“特征識(shí)別與機(jī)器決策"等主要部分組成。
圖像操作與增強(qiáng)部分用于對(duì)采集到的圖像進(jìn)行初步分析、變換和預(yù)處理，以便后續(xù)快速分析并提取目標(biāo)特征，如對(duì)圖像進(jìn)行幾何變換、時(shí)域?yàn)V波、頻域?yàn)V波操作等。
圖像分割與分析部分用于對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理或分割，以便提取機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要識(shí)別或檢測(cè)目標(biāo)的特征。
特征識(shí)別與機(jī)器決策部分則基于各種目標(biāo)的特征進(jìn)行最終測(cè)量、計(jì)算或?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行分類。
由于機(jī)器視覺(jué)軟件的最終目的是通過(guò)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理、分析、特征提取后做出決策，因此，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)往往還包括基于機(jī)器視覺(jué)軟件運(yùn)行結(jié)果，控制外部機(jī)械手臂或其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的指令模塊，并以機(jī)器視覺(jué)軟件為核心，構(gòu)成一套完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
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