智能相机在机器视觉中的应用

1、智能相机在机器视觉中的应用1引言典型机器视觉系统是一种就是基于个人计算机(pc)的视觉系统，一般由光源、ccd或cmos相机、图像采集卡、 图像处理软件以及一台pc机构成。其中，图像的采集功能由ccd/cmos相机及图像采集卡完成;图像的处理则是 在图像采集/处理r的支持下，rh处理软件在pc机中完成。基于pc的机器视觉系统尺寸庞大、结构复杂，其应用 系统的开发周期长，成本较高。目前，一种新型的智能相机的出现，向传统的基于pc的机器视觉系统提出了挑战。2什么是智能相机(smart camera)?智能相机(smart camera)并不是一台简单的相机，而是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。

2、它将图像的采集、 处理为通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。 同时，山于应用了最新的dsp、fpga及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需 求。智能相机一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成，如附图所示，各部分的功能 如下：(1) 图像采集单元在押能相机中，图像釆集单元相当于普通意义上的ccd/cmos相机和图像采集卡。它将光学图像转换为模拟/数字 图像，并输出至图像处理单元。(2) 图像处理单元图像处理单元类似于图像采集/处理卡。它口j对图像采集单元的图像数据进行实时的存储，并在

3、图像处理软件的支持 下进行图像处理。(3) 图像处理软件图像处理软件主要在图像处理单元硬件坏境的支持下，完成图像处理功能。如几何边缘的提取、blob、灰度宜方图、 ocv/ovr.简h的定位和搜索筹。在智能相机中，以上算法都封装成固定的模块，用八可直接应用而无需编程。(4) 网络通信装置网络通信装置的智能相机的重要纟i成部分，主要完成控制信息、图像数据的通信任务。智能相机一般均内置以太网 通信装置，并支持多种标准网络和总线协议，从而使多台智能相机构成更人的机器视觉系统。图像处理软件ssi附图的能相机构成框图3智能相机的优势智能相机具有易学、易用、易维护、安装方便等特点，可在短期内构建起可靠而有

4、效的机器视觉系统。其技术优势 主要表而在：(1) 科能相机结构紧凑，尺寸小，易丁女装在牛产线和各种设备上，且便于装卸和移动；(2) 智能相机实现了图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置的高度集成，通过町靠性设计， 可以获得较高的效率及稳定性；(3) 由于智能相机已固化了成熟的机器视觉算法，使川户无需编程，就可实现右7无判断、表面/缺陷检查、尺寸测量、 ocr/ocv.条码阅读等功能，从而极人的提高了应用系统的开发速度。4智能相机与基于pc的视觉系统的比较智能相机与基于pc的视觉系统在功能和技术上差别主要表现在以下几个方面：(1) 体积比较智能和机与普通相机的体积相当，易于安装在

5、生产线和各种设备上，便于装卸和移动；i何基于pc的视觉系统一般山 山光源、ccd或cmos相机、图像采集卡、图像处理软件以及pc机构成，其结构复杂、体积相对庞大。(2) 硬件比较从硬件角度比较，智能相机集成了图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等，经过专业人员 进行对靠性设计，其效率及稳定性都较高。同时，rh于其硬件电路均已固定，缺少了设计的灵活性;基于pc的视觉 系统主要由相机、采集/处理卡及pc机组成。由于川户可根据需要选择不同类型的产品，因此，其设计灵活性较人。 同时，当产品来口于不同的牛产厂家时，这种设计的灵活性可能会带来部件z间不兼容性或可靠性下降等问题。软件比较从

6、某程度上來说，智能相机是一种比较通用的机器视觉产品，它主要解决的是工业领域的常规检测和识别应川，其 软件功能具有一定的通用性。由丁智能相机已固化了成熟的机器视觉算法，用户无需编稈，就可实现有/无判断、表 血/缺陷检查、尺寸测量、边缘提取、blob、灰度ft方图、ocr/ocv、条码阅读等功能。基于pc的视觉系统的软 件一燉完全或部分由用户直接开发，用户可针对特定应用开发适合口己的专用算法。另一方面，由于用户的软件研 发水平及硬件支持的不同，导致ft!不同用户开发的同一种应用系统的差异较大。智能相机的与棊于pc的视觉系统的棊木特性比较如附表所示：附表基木特性比较基干pc的视觉系统智能相机可靠性有

7、限较好体积很大微小型、结构紧凑网络通信有限较好设计灵活性很好有限功能可扩展有限软件畫要编程无需编程5智能相机的发展趋势山于智能相机具有体积小、多功能、方便易用等特点，在多种领域具有广阔的应用前呆，这也止是越來越多的相机 和板卡制造商都在开发smart camera系统的主要原因。在可以预见的将来，smart camera将星现以下的发展趋 势：(1) 接口的标准化由于在工业控制领域存在着人量通信需求，因此，智能相机的接口将支持越来越多的通川协议，包括smtp、ftp、dhcp、dns、tcp/ip 客户服务器、telnet 等。(2) 系统模块化将光源，电源，控制模块甚至一些传感器集成到整个系

8、统的软硬件中，这样使应川起來更加方便，系统的稳定性也 更高。专业化开发商们倾向于开发出适用于某些行业、某些特定应川的智能相机。由于这些行业的企业较多比，市场容量也比较 人。另外某些工序的检测内容比较固定，可以通过较少的硬件和软件算法來构成系统，这样既可以达到很高的效率 又可以使成本降低。(4) 大|侨阵和高速化在许多工业检测应用中，耍求相机具有钱高的分辨率和帧速，以满足对微小尺寸物体及运动li标的检测要求。因此， 大面阵和高速化也将成为鏗能相机的发展发向z 。半导体技术及ccd技术的飞速发展，为实现卻能相机的大血 阵和高速化提供了技术基础。6智能相机的选择指南购买一台视觉相机，必须要问淸楚10

9、个问题：(1) 对于一台零件定位工具，什么是重要的？如何评定其性能？零件定位工具是在视觉相机的视场中找到零件的软件工具。这是典型的视觉应用的第一步，从最简单的机器人抓取 操作到故复杂的装配确定任务，它往往是判断应用成功与否的关键。在当今的生产环境中，零件定位对视觉相机提出了挑战。这是因为条件变化将会使视觉相机视场屮零件出现的路线发牛的变化，视觉相机将被训练，旨在通过零件图像的参考或模型去识别零件。这些条件变化包括：零件旋转；光学测量装置的变化；光照条件的不一致；零件外观的正常变化。(2) 内置网络通信装置扮演什么样的角色，我应关注什么性能？网络通信提供了大量的重要性能：它使得视觉相机快速将通过

10、/失败结果数据传送至pc;它使得视觉相机对与plc、机器人、和其他口动化装置进行通信；为了在视觉相机、pcz间建立企业级的通信连接，请确认你所评估的视觉相机支持较宽范围内的网络协议，包括:smtp、 ftp、 dhcp、 dns、tcp/ip 客户)1 务器、telneto为了连接视觉相机和诸如plc、机器人等自动化装置，请选择支持以下工业i办议的视觉相机：ethernet/ip这一协议使得视觉相机可通过单以太网电缆与plc和其他装置相连，而无需复朵的线路配置和昂 贵的网关。modbus/tcp另一网络协议，允许直接通过以太网与其他设备连接。最终，当越来越多的视觉相机应用于生产过程时，通过一种

11、集中的方式进行管理变得十分重要,请确认您所评估的视 觉相机是否允许您通过网络管理和控制视觉行为。(3) 您的视觉相机是否易于建立应用，并产生用户图形界而？视觉应用并不常需要集线器管理接口(hmi),但操作者经常要对视觉相机进行调整，从而在零件变化时进行修改， 改变公差参数和判断零件故障点。在您配置系统吋，机器视觉相机应允许您产生一个用八图形界而。请确认您所评估的视觉相机具有这一功能，而无 需您利jij vb或其他筒级语言进行开发。(4) 在读和检验性能小，应该寻找什么？您是否止在读生产线上零件的文字数字码，或验证药瓶上的数据和大量的编码信息。在评估读和检验性能时，它们 是需要寻找的特性，包括：

12、统计字体训练这一特性允许您从一系列图像中产牛一个模型或参考图像。这使得视觉相机能够更好的处理它可能 遇到的印刷物质量的正常变化，如低对比度、位置变化、退化或笔划宽度的变化。除非您可以肯定将要打印的每- 标签都具有髙质量，否则这一开发静态模型的能力对于应川系统的成功将是非常重要的。图像预处理工具它允许您通过边缘对比度增强和滤除图像中的背景噪声优化被训练的模型，优化后模型捉高了视 觉相机的可靠性和可重复性。关于图像预处理的更多信息请参阅问题(6)。瞬间图像回放这使得操作者和技术人员町快速而容易地从监视器中看到故障图像。无论故障图像是相机偏离了位 置、还是标签缺火而引起的，亜要的是要立即知道为什么会

13、出故障，并在必要时采取补救措施。(5) 怎样确定视觉相机测量工具的可重复性？如果您的应用是空间尺寸测量，您一定想确信测量工具不仅精确，而且具有很的可重复性。为了测定可重复性，视 觉相机最好完全适川于测量工具。无论您是测量两条线间的距离，或在三点间产生一个i员i,优良的工具设置使您无 盂对标准配置中没有的函数进行编程定义。(6) 相机是否具有足够的图像预处理功能？图像预处理工具允许用户对原始图像进行操作，以突出需要的特征，消除不需耍特征。这一特性是视觉相机所有特性中的关键，应被列入标准配置。具有预处理工具的和机为您提供如下功能：在ii标边缘和背景间提髙对比度；滤出图像中无关的或无意义的特征；消除

14、已被从零件表面脱落的反射；图像中粗糙纹理的平滑处理。具备优化原始图像数据的能力后，视觉相机的精确度和耐用性得到了提高。(7) 如何评估工业条码读取工具，需要什么性能？当今的视觉相机应在退化、不规则的二维条码，或零件与零件间的位置变化上应具有町靠的、可重复的性能。无论 零件釆用什么类型的标记方法，标记在什么类型的介质表血，它们都应具有较高的性能。按照条形码读取特性选择 视觉相机，您可能想了解以下问题:编码质量确认能力寻找能够检验编码质量的产品，以建立标准。这可提供关丁标记过程工作情况的冇价值的信息。读取速率依照生产线速度和牛-产需求，您可能需要检验个视觉相机的读取速率。当今最快的视觉相机每秒大约

15、 可读50个编码。图像预处理工具它允许您通过编码的边缘对比度增强和滤除图像中的丹景噪声来优化已被训练的模型。优化后的 模型使视觉相机的可靠性和可至复性最大化。关于图像的预处理请参阅问题(6)。图像预处理工具它允许您通过边缘对比度增强和滤除图像屮的背景噪声优化被训练的模型，优化后模型提高了视 觉相机的可靠性和可重复性。关于图像预处理的更多信息请参阅问题(6)。瞬间图像回放这使得操作者和技术人员町快速而容易地从监视器中看到故障图像。无论故障图像是相机偏离了位 置、还是标签缺失而引起的，重要的是要立即知道为什么会出故障，并在必要时采取补救措施。(8) 视觉相机需要pc吗？在配置和生产中，标准的视觉相

16、机无需pco视觉相机应提供真正的即插即川特性，使您可以快速配置应用系统。 重要的是，视觉相机无需您在厂内设置计算机。最终，一个独立的视觉相机使您无需pc就可从监视器中看到活动 图像。(9) 关丁视觉相机的附件，您应该了解什么？为了确保您的系统集成过程快速而有效，请选择与视觉相机同系列的兼容附件。销售商会对每一附件进行测试，以 确认每一部件可以同吋进行运行，而不会出现故障。以下为附件列表：照明附件机器视觉销售商应提供多种不同的照明选择，因为机器视觉系统将会面临许多不同的零件表而特性类型 和环境照明条件。一个全血的照明模块系列应包括环形光源模块，它提供柔和的光线，即使从各个方向照射;背光模 块，提

17、供零件与背景间的最人对比度;暗场光源，提供低也度照明，川于不规则零件表面的成像。通信附件确保提供了通信外围设备，如i/o模块、网关模块，它使得视觉相机和快速而容易地与plc、机器人、 其他口动化装置及网络相连。监视器一些销售商提供与相机兼容的显示器。当选择显示器时，最好选用具用抗晕效果防护的lcd显示器。相机外壳工业相机外壳用于防尘、防高温、防南。同时，它应容易安装，并适用多种尺寸和类型的相机镜头。(10) 提供什么类型的技术支持？当评估一台视觉相机时，很重要的一点是选择一家可提供较宽范围内的产品支持和培训报务的销售商。这些服务应 开始于故初的应用评估，几个重耍的问题是：销售代表是否是一 个全吋的机器视觉专家