1引言

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，在最近30年中有迅猛的發(fā)展。其應(yīng)用領(lǐng)域遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學(xué)研究、軍事等，對(duì)這些領(lǐng)域自動(dòng)化水平的提高發(fā)揮了重要作用。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué);同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。機(jī)器視覺(jué)易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

虛擬儀器技術(shù)通過(guò)軟件將通用計(jì)算機(jī)與硬件結(jié)合起來(lái)構(gòu)成測(cè)試或測(cè)控系統(tǒng)，用戶可以通過(guò)友好的虛擬前面版操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就如同在操作一臺(tái)自己定義、自己設(shè)計(jì)的單個(gè)傳統(tǒng)儀器一樣。

將虛擬儀器技術(shù)與機(jī)器視覺(jué)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，就可以為用戶定制完全基于pc的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。這樣不僅可以減少用戶的投資，而且還可以開(kāi)發(fā)出自動(dòng)化程度和可靠性高的系統(tǒng)。因此將虛擬儀器和機(jī)器視覺(jué)結(jié)合起來(lái)，可以使各自的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，提高系統(tǒng)的可靠性和性能價(jià)格比。

2機(jī)器視覺(jué)與虛擬儀器

機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分cmos和ccd兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，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(hào);圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的輸入裝置可以是攝像機(jī)、轉(zhuǎn)鼓等，它們都把三維的影像作為輸入源，即輸入計(jì)算機(jī)的就是三維客觀世界的二維投影。如果把三維客觀世界到二維投影像看作是一種正變換的話，則機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所要做的是從這種二維投影圖像到三維客觀世界的逆變換，也就是根據(jù)這種二維投影圖像去重建三維的客觀世界。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。

虛擬儀器通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜?jì)算機(jī)與儀器硬件結(jié)合起來(lái)，用戶可以通過(guò)友好的圖形界面操作這臺(tái)計(jì)算機(jī)，就如同在操作一臺(tái)自己定義、自己設(shè)計(jì)的單個(gè)傳統(tǒng)儀器一樣。虛擬儀器以透明的方式把計(jì)算機(jī)資源和儀器硬件的測(cè)量、控制能力結(jié)合在一起，通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口。

3系統(tǒng)軟硬件組成

虛擬儀器視覺(jué)系統(tǒng)由光源、ccd攝像頭、圖像采集卡、pc機(jī)等組成。

在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中，好的光源與照明方案往往是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，起著非常重要的作用，它并不是簡(jiǎn)單的照亮物體而已。光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測(cè)的部分與那些不重要部份之間應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加對(duì)比度，同時(shí)還應(yīng)保證足夠的整體亮度，物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。

攝像機(jī)和圖像采集卡共同完成對(duì)物料圖像的采集與數(shù)字化。高質(zhì)量的圖像信息是系統(tǒng)正確判斷和決策的原始依據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)成功與否的又一關(guān)鍵所在。目前在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，ccd攝像機(jī)以其體積小巧、性能可靠、清晰度高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛使用。ccd將目標(biāo)轉(zhuǎn)換為視頻信號(hào)并輸送到圖像采集卡，圖像采集卡對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行解析、數(shù)字化后輸送給專用的圖像處理系統(tǒng)。圖像采集卡可以被認(rèn)為是ccd與計(jì)算機(jī)的接口，在選取上應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)：圖像采集卡所支持的視頻制式;輸入通道路數(shù);像素時(shí)鐘;空間分辨率;支持的軟件等。

圖像處理系統(tǒng)對(duì)圖像信號(hào)施加各種運(yùn)算來(lái)提取目標(biāo)的特征，最后根據(jù)預(yù)先設(shè)定的條件做出決定，以控制外部的plc、電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，同時(shí)記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便事后分析。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

虛擬儀器的核心是軟件技術(shù)，它是由系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)、應(yīng)用軟件包、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序三部分組成的。為了在達(dá)到性能要求的同時(shí)做到成本最低，選擇了labview作為本系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用它可以快速地生成顯示、分析和控制的圖形化用戶界面，更重要的是labview提供了高水平的機(jī)器視覺(jué)和圖像處理軟件包imaqvision。利用labview提供的這些功能，根據(jù)實(shí)際情況可完成質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所要求的功能。

imaqvision包含一系列mmx優(yōu)化函數(shù)，提供了大量科研和工程中常用的圖像采集和處理功能，例如各種類型的濾波、統(tǒng)計(jì)、幾何變換和圖像顯示的功能，還有二值圖像處理、模型匹配、邊緣檢測(cè)、斑點(diǎn)分析和測(cè)量等功能。imaqvision易學(xué)易用，可以極大地縮短開(kāi)發(fā)程序的費(fèi)用和時(shí)間。

4圖像處理

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，視覺(jué)信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容。圖像處理將一幅圖像變成另一幅改進(jìn)后的圖像，實(shí)質(zhì)上就是將數(shù)字圖像的灰度值分布作某種變換，使圖像中受關(guān)注部分的信息更加突出，并且去除冗余信息，以使其適應(yīng)于某種特殊的要求。經(jīng)過(guò)這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺(jué)效果，又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。

由于數(shù)字圖像中不僅包含被測(cè)物體的信息，而且存在背景噪聲的干擾。需要經(jīng)過(guò)數(shù)字圖像處理以達(dá)到提取目標(biāo)特征量的目的。經(jīng)過(guò)圖像的數(shù)字化處理，圖像已不是與原物完全一致的圖像，它包含的信息量遠(yuǎn)比原物少，但是保留了物體有用的信息，去掉了不必要的干擾。這時(shí)的圖像僅存所需要的信息并已很清晰，經(jīng)過(guò)數(shù)字圖像分析，可以從中抽取出物體的特征信息。機(jī)器視覺(jué)圖像處理流程框圖如圖2所示。

圖2機(jī)器視覺(jué)圖像處理流程框圖

圖像預(yù)處理對(duì)采集到的圖像進(jìn)行濾波除噪，主要采用中值濾波算法降低噪聲，因?yàn)橹兄禐V波具有抑制圖像噪音并保持輪廓清晰的特點(diǎn)。對(duì)濾波去噪后的圖像進(jìn)行銳化，銳化算法采用二階差分法。再對(duì)銳化后的圖像進(jìn)行對(duì)比度增強(qiáng)，對(duì)比度增強(qiáng)算法采用直方圖均衡化。經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像，可視化效果得到改善，利于進(jìn)行圖像分割。

圖像分割模塊將預(yù)處理后的圖像，進(jìn)行目標(biāo)與背景分離，以便于對(duì)目標(biāo)的處理，提高運(yùn)算速度。特征圖像保持了場(chǎng)景的有用信息減少了冗余的數(shù)據(jù)�？梢杂泻芏嗨惴ǎ瑘D像二值化算法簡(jiǎn)單，速度快，符合圖像處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)性特點(diǎn)，所以采用圖像二值化分割。這種方式的分割，主要問(wèn)題是如何確定閾值（灰度門限）。根據(jù)實(shí)際情況，可以采用自適應(yīng)門限法來(lái)確定閾值。

圖像的平滑圖像平滑處理技術(shù)即圖像的去噪聲處理，主要是為了去除實(shí)際成像過(guò)程中因成像設(shè)備和環(huán)境所造成的圖像失真，提取有用信息。眾所周知，實(shí)際獲得的圖像在形成、傳輸、接收和處理的過(guò)程中，不可避免地存在著外部干擾和內(nèi)部干擾，如光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中敏感元件靈敏度的不均勻性、數(shù)字化過(guò)程的量化噪聲、傳輸過(guò)程中的誤差以及人為因素等，均會(huì)使圖像變質(zhì)。因此，去除噪聲，恢復(fù)原始圖像是圖像處理中的一個(gè)重要內(nèi)容。圖像濾波效果比較如圖3所示。

圖3圖像濾波效果比較

邊緣銳化圖像邊緣銳化處理主要是加強(qiáng)圖像中的輪廓邊緣和細(xì)節(jié)，形成完整的物體邊界，達(dá)到將物體從圖像中分離出來(lái)或?qū)⒈硎就晃矬w表面的區(qū)域檢測(cè)出來(lái)的目的。它是早期視覺(jué)理論和算法中的基本問(wèn)題，也是中期和后期視覺(jué)成敗的重要因素之一。

5結(jié)束語(yǔ)

將機(jī)器視覺(jué)和虛擬儀器結(jié)合起來(lái)進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)開(kāi)發(fā)的開(kāi)發(fā)方法可總結(jié)為以下幾點(diǎn)：

首先，應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)行視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的變化。將虛擬儀器與機(jī)器視覺(jué)相結(jié)合，對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)最直接的影響就是開(kāi)發(fā)的硬件平臺(tái)從傳統(tǒng)的專用硬件平臺(tái)轉(zhuǎn)化為基于pc的開(kāi)發(fā)。所以，基于虛擬儀器開(kāi)發(fā)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，首先要考慮機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用基于pc開(kāi)發(fā)是否可以滿足用戶對(duì)系統(tǒng)的需求，進(jìn)而在制定解決方案。

其次，結(jié)合虛擬儀器和機(jī)器視覺(jué)各自的特長(zhǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。將虛擬儀器和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)開(kāi)發(fā)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，其目的之一就是為了將它們各自的優(yōu)點(diǎn)聯(lián)系在一起，使系統(tǒng)有更高的靈活性和可靠性，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)的虛擬儀器和機(jī)器視覺(jué)各自的特長(zhǎng)，使用虛擬儀器來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量與運(yùn)動(dòng)控制、用戶界面設(shè)計(jì)等頂層的工作，而系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、底層的算法、以及相關(guān)硬件的選取應(yīng)當(dāng)在機(jī)器視覺(jué)理論的指導(dǎo)下進(jìn)行。

最后，將虛擬儀器與機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)開(kāi)發(fā)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，可以先按照機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行劃分，完成每一部分的設(shè)計(jì)，最后再將各部分進(jìn)行整合。

總之，將虛擬儀器與機(jī)器視覺(jué)相結(jié)合來(lái)開(kāi)發(fā)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，只要注意系統(tǒng)硬件平臺(tái)的變化、虛擬儀器和機(jī)器視覺(jué)各自的優(yōu)點(diǎn)以及機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)，就可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰明確、各部分重用性高性價(jià)比好。