王國貴

WANG Guo-gui

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鹽城生物工程分院，鹽城 224000）

0 引言

視覺檢測是近十幾年發(fā)展起來的一門新興測量技術(shù)，它采用大量的自動化、智能化技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)識別和控制，測量過程僅需很少的人工干預(yù)就可完成。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、CCD技術(shù)、及視覺檢測理論的發(fā)展與完善，視覺檢測技術(shù)已逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)現(xiàn)場，在生產(chǎn)加工、尺寸控制、產(chǎn)品分撿過程中起到了重要作用[1]。然而，針對不同的測量要求，視覺檢測在測量速度、測量精度、自動化程度方面還有待進(jìn)一步提高。而這些測量性能將直接關(guān)系到被測物體三維尺寸的有效結(jié)果，而不僅僅是將物體識別出來?；诖?，就有必要研究哪些因素對視覺檢測的性能有影響，如何解決它，本文就是從視覺檢測的實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，研究和探索影響視覺檢測測量性能的主要因素，提出了相應(yīng)的解決方案，以滿足工程實(shí)際的需要。

1 計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)的組成及工作原理

視覺檢測系統(tǒng)針對不同的應(yīng)用有著不同的具體形式。系統(tǒng)構(gòu)成按照功能大致可分為視覺信息輸入設(shè)備（視覺傳感器）、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、結(jié)果輸出設(shè)備和其它一些輔助設(shè)備，如圖1所示。視覺傳感器和數(shù)據(jù)處理設(shè)備是視覺檢測系統(tǒng)中最重要的組成部分。視覺傳感器主要由圖像傳感器和其它輔助設(shè)備組成；圖像傳感器可以是激光掃描儀、線陣或者面陣CCD、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、紅外焦平面陣列等，圖像傳感器所獲得的信息量是高性能視覺檢測系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)。圖像處理設(shè)備是視覺檢測系統(tǒng)的“大腦”，主要完成圖像采集、圖像處理、模式識別和結(jié)果輸出以及整個系統(tǒng)的控制、協(xié)調(diào)功能。圖像采集是以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)視頻信號的實(shí)時采集為目標(biāo)，用于獲得被測點(diǎn)的數(shù)字圖像信息，圖像處理是系統(tǒng)的核心，圖像實(shí)時處理的實(shí)現(xiàn)需要從硬件資源和算法兩方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)處理設(shè)備有多種形式，通常的是PC機(jī)，也可以是專門的圖像處理設(shè)備，或者是二者的結(jié)合。

圖1 視覺檢測系統(tǒng)組成框圖

視覺檢測理論來源于計(jì)算機(jī)視覺，是計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在外形尺寸檢測方面的應(yīng)用。視覺檢測的任務(wù)是對已加工工件或裝配件的幾何量進(jìn)行測量以評價與相應(yīng)預(yù)置標(biāo)準(zhǔn)量的相符程度[2]，所以它不僅要求能夠定量地確定景物中物體的空間性質(zhì)，更重要的是對被測景物三維尺寸的幾何描述。由于視覺檢測相對與計(jì)算機(jī)視覺其它方面的應(yīng)用來說具有如下特點(diǎn)：被處理圖像存在大量的先驗(yàn)知識，被處理物景相對簡單，所以視覺檢測研究的難點(diǎn)在于高精度高速度測量出被測物體的三維尺寸，而不僅僅是將物體識別出來?；诖?，采用哪些技術(shù)滿足視覺檢測實(shí)際應(yīng)用中的測量精度、測量速度和工作環(huán)境的需要成為研究的重點(diǎn)。

2 影響計(jì)算機(jī)視覺檢測的測量性能的主要因素

從計(jì)算機(jī)視覺自動檢測識別系統(tǒng)的組成和工作原理可以看出，影響該系統(tǒng)測量性能是由多種因素造成的，與客觀待測物的場景、圖像的采集設(shè)備、圖像特征提取與測量的方法有關(guān)。

2.1 系統(tǒng)硬件資源的影響

測量速度和測量精度是衡量多傳感視覺檢測系統(tǒng)的兩個重要性能指標(biāo)。隨著生產(chǎn)要求提高，對測量系統(tǒng)的測量速度的要求也越來越高。要實(shí)現(xiàn)在線測量，就必須使系統(tǒng)的測量速度與生產(chǎn)線節(jié)拍相一致，協(xié)調(diào)機(jī)制和高速的數(shù)據(jù)采集和處理。另一方面，測量系統(tǒng)必須足夠精確，以確保獲得有意義的數(shù)據(jù)。

視覺傳感器的結(jié)構(gòu)是系統(tǒng)測量精度的硬件基礎(chǔ)，圖像采樣速度和圖像處理速度直接影響系統(tǒng)的測量速度。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)、超大規(guī)模微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，一方面，工業(yè)面陣CCD已經(jīng)商品化，價格低廉而且分辨率較高、可靠性好、幾何畸變小，能夠滿足視覺檢測在大多數(shù)場合的應(yīng)用。另一方面，幾百像素的數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)，具有極高的分辨率，并采用數(shù)字接口，減少了模擬信號傳輸和A/D轉(zhuǎn)換所造成的信息損失，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的測量。故在傳感器的設(shè)計(jì)選擇方面，現(xiàn)有的CCD器件、紅外器件和圖像采集設(shè)備基本上能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場合在測量速度方面的要求，僅需考慮價格與成本的問題[3]。因此，從某個角度上講，圖像處理速度影響整個檢測系統(tǒng)的性能，高性能的檢測系統(tǒng)對數(shù)據(jù)處理設(shè)備提出了更高的要求。另外，視覺檢測技術(shù)研究主要集中在從二維圖像到三維圖像的重構(gòu)，獲取的原始圖像信息越多，在三維恢復(fù)時越準(zhǔn)確。隨著被處理的信息量的增多，算法復(fù)雜度的增加，視覺檢測對圖像處理的要求也越來越高，相應(yīng)的軟、硬件的選擇將直接影響到系統(tǒng)的性能。

采用多臺計(jì)算機(jī)并行處理數(shù)據(jù)無法滿足更高的測量要求，而且采用多臺計(jì)算機(jī)從性能和系統(tǒng)造價方面都是不合理的，并且存在通訊、控制與協(xié)調(diào)等方面的問題。單個傳感器的測量時間，主要是圖像處理所占用的時間，提高圖像處理速度是提高視覺測量系統(tǒng)速度的關(guān)鍵。圖像處理速度的提高主要有兩種手段，一是改變圖像處理算法，使算法更簡單。但最為耗時的圖像低級處理算法已相當(dāng)成熟，其運(yùn)算的復(fù)雜性也相對穩(wěn)定，所以改變算法同時又能保證精度是相當(dāng)困難的。二是改變實(shí)現(xiàn)算法的手段。目前，實(shí)現(xiàn)圖像處理算法的手段主要有以下幾種：

1）通用計(jì)算機(jī)（PC）是目前國內(nèi)視覺檢測系統(tǒng)經(jīng)常采用的圖像處理手段，但在很多情況下系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的局限性使它對低級圖像處理不能夠滿足實(shí)時高速的要求，對于視覺檢測中數(shù)據(jù)量較少的高級處理，它在性能價格比才有一定的優(yōu)勢。

2）并行處理 在許多場合下，單個CPU不能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時數(shù)據(jù)處理的時候，可以采用多個CPU同時工作的并行處理為解決此問題提供了可能，但這個領(lǐng)域仍不成熟，處理單元負(fù)載不均勻，并行算法編程困難，理論上并行處理應(yīng)達(dá)到的性能與實(shí)際性能相比有很大差距[4]。

3）數(shù)字信號處理器（DSP）數(shù)字信號處理器是近幾年發(fā)展起來的針對信號處理而設(shè)計(jì)的處理器，它的內(nèi)部采用專用硬件實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號處理的常用算法，所以它進(jìn)行這些運(yùn)算速度非?？欤珡母旧?，DSP只是針對某些餓固定的算法提供硬件優(yōu)化，其體系仍是串行指令執(zhí)行系統(tǒng)，并且這些固定優(yōu)化算法并不能夠滿足眾多算法的需要。

4）專用硬件（ASIC）是針對某一固定算法或應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的硬件芯片，它在各種算法實(shí)現(xiàn)中是最快的，但是它在實(shí)際應(yīng)用中存在設(shè)計(jì)周期長、造價昂貴且風(fēng)險(xiǎn)高，由ASIC構(gòu)建的圖像處理系統(tǒng)適應(yīng)性差等缺點(diǎn)。

從以上分析可以看出，上述的各種圖像處理實(shí)現(xiàn)的手段在速度、靈活性和性價比等方面各有缺點(diǎn)，不能滿足高速視覺檢測中的圖像處理對速度、靈活性的要求?，F(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）是近20年隨著IC制造技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一種芯片，現(xiàn)場可編程的意思是通過編程可以改變芯片內(nèi)部硬件邏輯，使芯片改變功能，滿足應(yīng)用需要。FPGA是介于專用器件和通用器件之間的一種芯片。它具有通用系統(tǒng)的靈活性，又具有接近ASIC芯片的高速度，能夠有效地縮短圖像處理的時間，提高測量速度[5]。將FPGA引入視覺檢測系統(tǒng)，不僅能夠在速度上滿足實(shí)時檢測的需要，并且由于現(xiàn)場可編程，能夠根據(jù)需要改變芯片內(nèi)部的邏輯電路，可以使同樣的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同的處理算法，滿足視覺檢測中的多種需要，具有很好的適應(yīng)性。

2.2 系統(tǒng)應(yīng)用算法的影響

利用不同的圖像處理、分析手段、不同特征測量方法和計(jì)算公式將影響 測量精度。視覺檢測中圖像處理大致可以分為兩級，低級處理和高級處理，低級處理主要完成濾波、圖像增強(qiáng)、直方圖統(tǒng)計(jì)、邊緣檢測、模板匹配等操作，低級處理的結(jié)果如直方圖、檢測點(diǎn)的坐標(biāo)被送到下一級，最后進(jìn)行特征判別、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等高級處理，產(chǎn)生最終結(jié)果。低級圖像處理時有時要接受高級處理的命令，以進(jìn)行調(diào)整。視覺檢測中的低級處理為高級處理提供判據(jù)，并能夠簡化算法。

圖像的輸入與輸出是低級處理的一個重要環(huán)節(jié)，其中對目標(biāo)的分割作為特征測量的必要手段和前序步驟，對特征測量的精度必定有重要的影響。因?yàn)閳D像為二維信息，數(shù)據(jù)量大，每一個點(diǎn)就有可能輸入輸出很多次。另外低級處理輸入數(shù)據(jù)格式固定，運(yùn)算相對簡單，存在較大的并行性，因而低級處理往往是圖像處理最耗時的環(huán)節(jié)，對整個系統(tǒng)速度影響較大。

在視覺檢測中，高級圖像處理的輸入是低級處理的結(jié)果，它具有不同的格式，圖像處理的對象是相對簡單的工業(yè)現(xiàn)場，有著大量的先驗(yàn)知識，并且可以人為的添加識別標(biāo)記，因而圖像的高級處理相對簡單。而且操作數(shù)少，串行運(yùn)算較多，對于測量系統(tǒng)，極易實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地判別出被測點(diǎn)在圖像中的位置，因而高級圖像處理對視覺檢測系統(tǒng)性能影響較小。

2.3 系統(tǒng)工作環(huán)境的影響

客觀場景和物體本身參數(shù)或特征的自然變化對測量精度的影響。由于計(jì)算機(jī)視覺檢測的應(yīng)用場景相對簡單，受檢測的對象或目標(biāo)比較明確，因而具有相當(dāng)多的關(guān)于目標(biāo)和背景的先驗(yàn)知識，使用固定的特征進(jìn)行目標(biāo)檢測識別有許多有效的方法，比如使用具有人工智能的專家系統(tǒng)一類的復(fù)雜算法，可以得到很好的檢測效果。由于受噪聲和背景的影響，所提取特征的一致性遭到破壞，類似目標(biāo)的結(jié)構(gòu)差異信息的損失，會造成不同的目標(biāo)具有相同的形狀，從而使得不同的目標(biāo)會產(chǎn)生相同的形狀特征，同時會產(chǎn)生特征的劇烈變化。所有這些環(huán)境變化都會嚴(yán)重影響到計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)的性能。

3 結(jié)束語

由于計(jì)算機(jī)視覺理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展，這無疑為視覺檢測技術(shù)的發(fā)展提供了更好的理論和物質(zhì)基礎(chǔ)，為視覺檢測中出現(xiàn)的問題提供了新的解決思路和方法。超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)以及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷‵PGA）的發(fā)展，促成了視覺檢測算法實(shí)現(xiàn)手段的根本性變化，從串行的軟件處理轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚俨⑿械挠布幚?，從而為測量速度提供了較大的空間；一些新型的實(shí)時算法軟件的出現(xiàn)為測量精度的提高提供了可能；工業(yè)CCD技術(shù)的成熟，高分辨率的數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)等都為視覺檢測技術(shù)的實(shí)用化在測量速度、測量精度、系統(tǒng)造價等方面提供了有效的解決方案。

[1] S.Hata, et.al,"Assembled PCB Visual Inspection Machine Using Image Processor with DSP",Proc.IECON,PP.7.

[2] 劉常杰.高速視覺檢測硬件方法研究[D].2002,1,1-8.

[3] A.R Novini,"Fundamentals of On-line Gauging for Machine Vision",Vision'89,PP.413-421.

[4] Choudhary,A.N.,Patel,J.H.,"Parallel Architectures and Parallel Algorithms for Integrated Vision Systems",Kluwer Academic Publisher,1990.

[5] 劉常杰,葉聲華.基于FPGA高速視覺檢測系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào).2001,6.

[6] John G.Ackenhusen 著.李玉柏,等譯.實(shí)時信號處理--信號處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2002：69-71.