一、機器視覺系統(tǒng)
機器視覺系統(tǒng)是指利用機器替代人眼做出各種測量和判斷。機器視覺是工程領(lǐng)域和科學(xué)領(lǐng)域中的一個非常重要的研究領(lǐng)域，它是一門涉及光學(xué)、機械、計算機、模式識別、圖像處理、人工智能、信號處理以及光電一體化等多個領(lǐng)域的綜合性學(xué)科，其能以及應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中母子圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機、DSP、ARM嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識別等技術(shù)的快速發(fā)展，有力地推動了機器視覺的發(fā)展。
機器視覺是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因為大多數(shù)系統(tǒng)監(jiān)控對象都是運動物體，系統(tǒng)與運動物體的匹配和協(xié)調(diào)動作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動作時間和處理速度帶來了嚴(yán)格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機器人、飛行物體導(dǎo)致等，對整個系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會有嚴(yán)格的要求。
機器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成和工作過程
一個完整的機器視覺系統(tǒng)包括：照明光源、光學(xué)鏡頭、CCD攝相機、圖像采集卡、圖像檢測軟件、監(jiān)視器、通訊單元等。
工業(yè)機器視覺系統(tǒng)的工作過程主要如下：
1、當(dāng)傳感器探測到被檢測物體接近運動至攝像機的拍攝中心，將觸發(fā)脈沖發(fā)送給圖像采集卡；
2、圖像采集卡根據(jù)已設(shè)定的程序和延時，將啟動脈沖分別發(fā)送給照明系統(tǒng)和攝像機；
3、一個啟動脈沖送給攝像機，攝像機結(jié)束當(dāng)前的拍照，重新開始一副新的拍照，或者在啟動脈沖到來前攝像機處于等待狀態(tài)，檢測到啟動脈沖后啟動，在開始新的一副拍照前攝像機打開曝光構(gòu)件（曝光時間事先設(shè)定好）；另一個啟動脈沖送給光源，光源的打開時間需要與攝像機的曝光時間匹配；攝像機掃描和輸出一幅圖像；
4、圖像采集卡接收信號并通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號數(shù)字化，或者是直接接收攝像機數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)；
5、圖像采集卡將數(shù)字圖像存儲在計算機的內(nèi)存中；
6、計算機對圖像進行處理、分析和識別，獲得檢測結(jié)果；
7、處理結(jié)果控制流水線的動作、進行定位、糾正運動的誤差等。
二、機器視覺相關(guān)技術(shù)
1、圖像采集技術(shù)——機器視覺的基礎(chǔ)
圖像采集部分一般由光源、鏡頭、數(shù)字?jǐn)z像機和圖像采集卡構(gòu)成。采集過程可簡單描述為在光源提供照明的條件下，數(shù)字?jǐn)z像機拍攝目標(biāo)物體并將其轉(zhuǎn)化為圖像信號，最后通過圖像采集卡傳輸給圖像處理部分。在設(shè)計圖像采集部分時，要考慮到多方面的問題，主要是關(guān)于數(shù)字?jǐn)z像機、圖像采集卡和光源方面的問題。
（1）光源照明
照明是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，其直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。到目前為止，還未有哪種機器視覺照明設(shè)備能通用各種應(yīng)用，因此在實際應(yīng)用中，需針對應(yīng)用選擇相應(yīng)的照明設(shè)備以滿足特定需求。
照明系統(tǒng)按其照射方法可分為:背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向照明是指將被測物放在光源和攝像機之間，以提高圖像的對比度。前向照明是光源和攝像機位于被測物的同側(cè)，其優(yōu)點是便于安裝。結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，并根據(jù)其產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測物的三維信息。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機拍攝要求與光源同。
（2）光學(xué)攝像頭
光學(xué)攝像頭的任務(wù)就是進行光學(xué)成像，一般在測量領(lǐng)域都又專門的用于測量的攝像鏡頭，因為其對成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用。攝像頭需要注意的一個問題是畸變。這個就需要使用相應(yīng)的畸變校正方法，目前也開發(fā)出了很多自動畸變自動校正系統(tǒng)。
（3）CCD攝像機及圖像采集卡
CCD(ChargeCoupledDevice)攝像機及圖像采集卡共同完成對目標(biāo)圖像的采集與數(shù)字化。目前CCD，CMOS等固體器件的應(yīng)用技術(shù)，線陣圖型敏感器件，像元尺寸不斷減小，陣列像元數(shù)量不斷增加，像元電荷傳輸速率也得到大幅提高。在基于PC機的機器視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機拍照來完成圖像的采集與數(shù)字化，并協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的重要設(shè)備。
圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口為：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等形式。
2、圖像處理與分析——機器視覺的核心
用于機器視覺的圖像處理與分析方法的核心是，解決目標(biāo)的檢測識別問題。當(dāng)所需要識別的目標(biāo)比較復(fù)雜時，就需要通過幾個環(huán)節(jié)，從不同的側(cè)面綜合來實現(xiàn)。
對目標(biāo)進行識別提取的時候，首先是要考慮如何自動地將目標(biāo)物從背景中分離出來。目標(biāo)物提取的復(fù)雜性一般就在于目標(biāo)物與非目標(biāo)物的特征差異不是很大，在確定了目標(biāo)提取方案后，就需要對目標(biāo)特征進行增強。
隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，圖像信息處理工作越來越多地借助硬件完成，如DSP芯片、專用的圖像信號處理卡等。軟件部分主要用來完成算法中并不成熟又較復(fù)雜或需不斷完善改進的部分。這一方面提高了系統(tǒng)的實時性，同時又降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。
三、機器視覺的應(yīng)用與優(yōu)勢
1、機器視覺技術(shù)的應(yīng)用范圍
（1）在工業(yè)檢測方面
近幾十年來，在工業(yè)檢測中利用視覺系統(tǒng)的非接觸、速度快、精度合適、現(xiàn)場抗干擾能力強等突出的優(yōu)點，使機器視覺技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟與社會效益。
自動視覺識別檢測目前已經(jīng)用于產(chǎn)品外形和表面缺陷檢驗，如木材加工檢測、金屬表面視覺檢測、二極管基片檢查、印刷電路板缺陷檢查、焊縫缺陷自動識別等。這些檢測識別系統(tǒng)屬于二維機器視覺，技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其基本流程是用一個攝像機獲取圖像，對所獲取的圖像進行處理及模式識別，檢測出所需的內(nèi)容。
（2）在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，機器視覺主要用于醫(yī)學(xué)輔助診斷。首先采集核磁共振、超聲波、激光、Ｘ射線、γ射線等對人體檢查記錄的圖像，再利用數(shù)字圖像處理技術(shù)、信息融合技術(shù)對這些醫(yī)學(xué)圖像進行分析、描述和識別，最后得出相關(guān)信息，對輔助醫(yī)生診斷人體病源大小、形狀和異常，并進行有效治療發(fā)揮了重要的作用。不同醫(yī)學(xué)影像設(shè)備得到的是不同特性的生物組織圖像，如Ｘ射線反映的是骨骼組織，核磁共振影像反映的是有機組織圖像，而醫(yī)生往往需要考慮骨骼有機組織的關(guān)系，因而需要利用數(shù)字圖像處理技術(shù)將兩種圖像適當(dāng)?shù)丿B加起來，以便于醫(yī)學(xué)分析。
（3）交通監(jiān)控領(lǐng)域中的應(yīng)用
智能交通監(jiān)控領(lǐng)域中，在重要的十字路口安放攝像頭，就可以利用攝像頭的快速拍照功能，實現(xiàn)對違章、逆行等車牌的車牌進行自動識別、存貯，以便相關(guān)的工作人員進行查看。
（4）在橋梁檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用
人工檢測法和橋檢車法都是依靠人工用肉眼對橋梁表面進行檢測，其速度慢，效率低，漏檢率高，實時性差，影響交通，存在安全隱患，很難大幅應(yīng)用；無損檢測包括激光檢測、超聲波檢測以及聲發(fā)射檢測等多種檢測技術(shù)，它們儀器昂貴，測量范圍小，不能滿足日益發(fā)展的橋梁檢測要求；智能化檢測有基于導(dǎo)電性材料的混凝土裂縫分布式自動檢測系統(tǒng)和智能混凝土技術(shù)，也有最前沿的基于機器視覺的檢測方法。導(dǎo)電性材料技術(shù)雖然使用方便，設(shè)備簡單，成本低廉，但是均需要事先在混凝土結(jié)構(gòu)上涂刷或者埋設(shè)導(dǎo)電性材料進行檢測，而且智能混凝土技術(shù)還無法確定裂縫位置、裂縫寬度等一系列問題距實用化還有較長的距離；而基于機器視覺的檢測方法是利用CCD相機獲取橋梁表觀圖片，然后運用計算機處理后自動識別出裂縫圖像，并從背景中分離出來然后進行裂縫參數(shù)的計算的方法，它具有便捷、直觀、精確、非接觸、再現(xiàn)性好、適應(yīng)性強、靈活性高、成本低廉的優(yōu)點，能解放勞動力，排除人為干擾，具有很好的應(yīng)用前景。
據(jù)統(tǒng)計，混凝土橋梁的損壞有90%以上都是由裂縫引起的，因此對橋梁的健康檢測主要是對橋梁表觀的裂縫進行檢測與測量?；?br />

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