機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　機(jī)器視覺系統(tǒng)集成是將各種不同的組件和子系統(tǒng)組合在一起并使它們充當(dāng)單個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)的過程。

　　視覺系統(tǒng)集成包括光源，鏡頭，相機(jī)，相機(jī)接口和圖像處理軟件等等。您可能想知道如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整，成功的機(jī)器視覺系統(tǒng)。

　　在本文中，我們將討論構(gòu)成機(jī)器視覺系統(tǒng)集成的廣泛任務(wù)的通用部分，然后重點(diǎn)介紹使用基本機(jī)器視覺應(yīng)用程序的真實(shí)示例進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)的分步過程。

　　從根本上說，“系統(tǒng)集成”是將各種不同的組件和子系統(tǒng)組合在一起并使它們作為單個(gè)統(tǒng)一系統(tǒng)運(yùn)行的過程。不同的視覺系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的步驟，階段和相關(guān)術(shù)語(yǔ)會(huì)相差很大。

　　一般來(lái)說，對(duì)于機(jī)器視覺中的整個(gè)系統(tǒng)集成過程，步驟可能包括：

　　第1部分–準(zhǔn)備：初步分析和項(xiàng)目需求規(guī)范。

　　第2部分–設(shè)計(jì)：詳細(xì)的最終技術(shù)/系統(tǒng)規(guī)范。

　　第3部分–實(shí)施：組裝/構(gòu)建/初始測(cè)試

　　第4部分–部署：交付/安裝/啟動(dòng)和驗(yàn)收測(cè)試。

　　但是，在此討論中，我們將僅專注于非常關(guān)鍵且有時(shí)很復(fù)雜的“設(shè)計(jì)”階段，以及它如何進(jìn)入“實(shí)施”階段。這是按執(zhí)行順序進(jìn)行設(shè)計(jì)的基本順序：

　　■ 選擇相機(jī)

　　■ 選擇鏡頭

　　■ 選擇光源

　　■ 采集一些圖像以驗(yàn)證成像

　　■ 選擇計(jì)算機(jī)（如果使用智能相機(jī)則不需要）

　　■ 開發(fā)程序（圖像處理，操作員界面等）

　　■ 將所有內(nèi)容結(jié)合在一起，開始測(cè)試和優(yōu)化

　　在開始設(shè)計(jì)之前，您需要有一個(gè)已經(jīng)過全面審查的“需求規(guī)范”，它標(biāo)識(shí)了系統(tǒng)必須執(zhí)行的操作以及它將如何運(yùn)行，“驗(yàn)收測(cè)試”文檔詳細(xì)說明了如何驗(yàn)證系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)功能演示測(cè)試。事先應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑u(píng)估，以確認(rèn)建議的機(jī)器視覺設(shè)計(jì)和組件將能夠滿足要求的需求。

　　同樣重要的是要認(rèn)識(shí)到，在任何學(xué)科中進(jìn)行整合都是團(tuán)隊(duì)活動(dòng)。在機(jī)器視覺中，它始于客戶和系統(tǒng)集成團(tuán)隊(duì)（公司內(nèi)部或外部）。系統(tǒng)集成團(tuán)隊(duì)必須具備光學(xué)，照明，電子，控制，編程，機(jī)械設(shè)計(jì)和項(xiàng)目管理等技能，并且可能還具有其他技能，例如機(jī)器人技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制，文檔和培訓(xùn)。

　　鑒于所有這些都已經(jīng)準(zhǔn)備就緒，是時(shí)候從組件選擇開始著手進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)了。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)：組件選擇和規(guī)格

相機(jī)選擇

　　我們將使用“相機(jī)”一詞來(lái)廣泛地描述執(zhí)行圖像采集的機(jī)器視覺系統(tǒng)中的組件。相機(jī)的基本規(guī)格受物體的特征檢測(cè)，識(shí)別，位置或測(cè)量的要求以及處理速度（以及其他一些注意事項(xiàng)）的驅(qū)動(dòng)。根據(jù)需求，確定應(yīng)用程序所需的空間分辨率，圖像分辨率和幀速率。

　　● 空間分辨率

　　通過處理的最小特征的像素?cái)?shù)或必須達(dá)到的測(cè)量精度/可重復(fù)性，或兩者來(lái)確定空間分辨率。

　　舉例來(lái)說，從規(guī)格上，您需要檢測(cè)一個(gè)直徑為0.3mm的小孔。從理論上講，兩個(gè)像素就足夠了，但是經(jīng)驗(yàn)告訴我們，只有兩個(gè)像素是不可靠的。需要三個(gè)，四個(gè)或更多像素來(lái)覆蓋小孔的特征。如果您說需要四個(gè)像素，則您的空間分辨率為0.3毫米除以四個(gè)像素，為0.075毫米/像素。

　　在測(cè)量應(yīng)用程序中，您會(huì)使用一種算法，可以達(dá)到亞像素精度的可重復(fù)性。亞像素究竟有多小，取決于多種因素，包括圖像中要測(cè)量的特征的大?。梢砸愿叩木葴y(cè)量較大的特征），測(cè)量的特征與其背景的對(duì)比度以及相機(jī)噪聲。實(shí)際可達(dá)到的子像素分辨率取決于具體應(yīng)用。有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，亞像素精度下限約為像素的十分之一。

　　假設(shè)您需要測(cè)量0.01mm的精度（可重復(fù)性），并且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或一些實(shí)驗(yàn)，您認(rèn)為該算法的重復(fù)精度可以做到像素的五分之一。然后，您所需的空間分辨率為0.01mm除以1/5像素，則系統(tǒng)所需的空間分辨率為0.05mm/像素。

　　如果您同時(shí)對(duì)最小特征的像素?cái)?shù)或必須達(dá)到的測(cè)量精度/可重復(fù)性有要求，可以同時(shí)計(jì)算空間分辨率并選擇較小的結(jié)果。

　　● 圖像分辨率

　　所需的圖像分辨率就是實(shí)現(xiàn)我們的計(jì)算所確定的空間分辨率所需的像素列數(shù)和行數(shù)。定義成像區(qū)域（“視場(chǎng)”/FOV），將FOV除以空間分辨率。例如，如果我們指定了133x133mm的視野，而空間分辨率（根據(jù)我們的計(jì)算）為.075mm/像素，那么我們的圖像分辨率為133mm除以.075mm/像素，則寬度和高度均為1,733像素。

　　選擇像素行和列計(jì)數(shù)等于或大于您計(jì)算的攝像機(jī)。在此示例中，您可能會(huì)考慮使用圖像傳感器像素尺寸為3.45um，分辨率為2448x2448的相機(jī)。

　　● 成像幀率

　　相機(jī)選擇的最后一個(gè)基本步驟是驗(yàn)證候選相機(jī)是否可以達(dá)到適用于指定應(yīng)用程序的圖像幀速率（每秒幀數(shù)），并從選擇合適的圖像采集接口（“智能攝像機(jī)”不需要）。大多數(shù)基本的通用機(jī)器視覺應(yīng)用程序的工件吞吐量都相對(duì)較低（每秒10-15個(gè)零件，并且通常要慢得多）。實(shí)現(xiàn)高成像速率應(yīng)用程序的細(xì)節(jié)不在此討論的范圍內(nèi)，但一定要意識(shí)到分辨率越高，成像幀率越慢。

鏡頭選擇

　　決定鏡頭選擇的基本因素包括：鏡頭格式，所需的視場(chǎng)，成像組件從物體到圖像的距離（工作距離/WD）以及所需的光學(xué)分辨率。在我們的討論中，我們將考慮選擇“固定焦距”鏡頭。（其他更專業(yè)的鏡頭，例如“遠(yuǎn)心”鏡頭在許多機(jī)器視覺應(yīng)用中很有用，但這將用于另一次討論。）鏡頭規(guī)格的選擇包含三個(gè)相關(guān)計(jì)算：光學(xué)分辨率，放大倍數(shù)（也稱為PMAG）和對(duì)鏡頭的焦距。

　　● 鏡頭屬性

　　鏡頭屬性就是標(biāo)明制造廠商、鏡頭卡口型號(hào)以及適用什么圖像傳感器尺寸等等

　　● 光學(xué)分辨率

　　此度量標(biāo)準(zhǔn)有助于評(píng)估鏡頭清晰地再現(xiàn)被攝景物纖微細(xì)節(jié)的能力，是評(píng)價(jià)鏡頭質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。（這是一個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)，盡管可以使用許多其他附加措施來(lái)比較鏡頭。）圖像傳感器的目標(biāo)光學(xué)分辨率為1線/（2*像素大小，單位為mm）；在我們的示例中為1/（2*0.00345）大約為145lp/mm。

　　● 放大倍率

　　鏡頭將所需的FOV轉(zhuǎn)換或“放大”，并將其“投影”到相機(jī)傳感器上。通過將FOV的短邊尺寸除以傳感器的短邊物理尺寸，可以計(jì)算出特定FOV所需的放大倍數(shù)。例如，根據(jù)上面的討論，傳感器短邊尺寸為7.07mm，F(xiàn)OV為133mm，推導(dǎo)所需的放大倍數(shù)（M）為約0.053x。

　　最后，要獲得鏡頭焦距（f）的估計(jì)值，可以使用供應(yīng)商提供的鏡頭參數(shù)對(duì)照表或鏡頭計(jì)算器或公式。

　　對(duì)于我們的示例，假設(shè)工作距離（WD）約為500mm，得出焦距為25.17mm。然后，我們最終的鏡頭選擇可能是25mm焦距，具有160線對(duì)/mm的光學(xué)分辨率和C型卡口。

照明選擇

　　機(jī)器視覺照明的目標(biāo)是在工件及其背景之間產(chǎn)生對(duì)比度。有大量關(guān)于機(jī)器視覺照明技術(shù)的文獻(xiàn)參考，以及每種技術(shù)在什么條件下都能很好地工作。

評(píng)估和最終設(shè)計(jì)

圖像評(píng)估和測(cè)試

　　在致力于構(gòu)建完整的系統(tǒng)之前，證明您的設(shè)計(jì)非常重要。通常，可行性測(cè)試期間，會(huì)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷，在投入更多時(shí)間和金錢之前迅速糾正設(shè)計(jì)缺陷，之后再進(jìn)行更改會(huì)更加昂貴和耗時(shí)。

　　為了進(jìn)行測(cè)試，請(qǐng)使用設(shè)計(jì)中的實(shí)際相機(jī)，鏡頭和光源。并使用多個(gè)實(shí)物樣本進(jìn)行成像，以代表在實(shí)際生產(chǎn)中將出現(xiàn)的變化。如果需要，使用與生產(chǎn)環(huán)境等效的零件外觀模型，并包括預(yù)期的外觀變化。

　　基本評(píng)估應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

　　■ 確認(rèn)鏡頭和相機(jī)在所需的WD處產(chǎn)生正確的FOV

　　■ 確認(rèn)成像系統(tǒng)（相機(jī)，鏡頭，照明）相對(duì)于應(yīng)用程序需求，創(chuàng)建了高質(zhì)量（對(duì)比度和特征清晰度）圖像。

　　■ 檢查系統(tǒng)分辨率是否產(chǎn)生了預(yù)期的需求定義，并適合于應(yīng)用程序。

　　■ 評(píng)估基本處理（缺陷檢測(cè)，測(cè)量等），以確認(rèn)預(yù)期的系統(tǒng)功能

　　當(dāng)然，在整個(gè)測(cè)試和評(píng)估過程中，可能有必要重新考慮組件的選擇。在需要的地方，重新評(píng)估組件的選擇，以找到可提供更高質(zhì)量圖像的組件。

電腦/處理器

　　如果您為相機(jī)選擇了智能相機(jī)，那么您已經(jīng)選擇了處理器。否則，您可以選擇專用處理器（集成了處理器，操作系統(tǒng)和機(jī)器視覺軟件的專用處理器），工業(yè)PC或在某些不太苛刻的環(huán)境中可以正常工作的標(biāo)準(zhǔn)PC，確保處理器具有相機(jī)和/或其他外部設(shè)備所需的接口，以及具有以目標(biāo)速率處理結(jié)果的計(jì)算能力。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)：文檔

　　設(shè)計(jì)的最后一步是對(duì)其進(jìn)行記錄?？梢允占挠嘘P(guān)成像設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)將幫助您進(jìn)行故障排除和復(fù)制。

其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

　　機(jī)器視覺系統(tǒng)作為獨(dú)立組件集成的確很少見。至少要進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)；可能設(shè)計(jì)和構(gòu)建完整的自動(dòng)化系統(tǒng)。其他自動(dòng)化組件也可能會(huì)起作用，包括PLC，機(jī)器人和其他設(shè)備。

結(jié)論

　　設(shè)計(jì)階段自然會(huì)演變?yōu)閷?shí)施階段：組裝，構(gòu)建和測(cè)試。這是一個(gè)反復(fù)的過程，在設(shè)計(jì)和構(gòu)建階段之間會(huì)有重疊。在集成期間，請(qǐng)考慮一個(gè)總體規(guī)則：測(cè)試，優(yōu)化/調(diào)整，重復(fù)。希望本機(jī)器視覺集成設(shè)計(jì)的基本介紹將幫助您在下一個(gè)機(jī)器視覺項(xiàng)目中取得成功。