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    摘要：機器視覺以機器代替人眼進行目標對象的識別、判斷和測量。在工業生產過程中，相對于傳統測量檢驗方法，機器視覺技術的最大優點是快速、準確、可靠與智能化。機器視覺對提高產品檢驗的一致性、產品生產的安全性、降低工人勞動強度以及實現企業的高效安全生產和自動化管理具有不可替代的作用。本文介紹一種通過優化視覺系統照明從而提高圖像模式識別準確度的方法。

前言

    隨著科學與技術的發展，工業機器人的應用領域也不斷擴大。目前，工業機器人不僅應用于傳統制造業如采礦、冶金、石油、化學、船舶等領域，同時也應用于核能、航空、航天、醫藥、生化等高科技領域以及家庭清潔、醫療康復等服務業領域。機器視覺作為工業機器人一項核心技術，主要研究計算機模擬人的視覺功能進行目標對象的識別、判斷和測量。

    機器視覺系統的核心是圖像采集和處理。所有信息均來源于目標圖像，目標圖像本身的質量對整個視覺系統極為關鍵。而光源則是影響機器視覺系統圖像水平的重要因素，因為它直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。通過適當的光源照明優化，使圖像中的目標信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，提高系統的定位、測量精度，使系統的可靠性和綜合性能得到提高。

    而目前市場并沒有通用的機器視覺照明設備，現有的照明不能針對每個特定的應用實例，只能通過對相應照明裝置的分析和優化，才能達到最佳的成像效果。機器視覺系統的光源的價值也正在于此。實現機器視覺系統光源照明的優化，能夠有效地提高圖像識別的質量和效果，提高工業機器人的工作效率。

    本文工以工業機器人象棋教學儀器為主題，針對工業機器人視覺系統對棋子的識別準確度不高情況，提出一種機器人視覺系統照明優化方案，通過對系統中照明裝置進行優化，提高視覺系統識別準確度。

1、機器視覺系統組成

    典型的機器視覺系統可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。主要部件由機器視覺光源，光學鏡頭，工業相機，傳感器，圖像分析處理軟件，通訊接口等組成的。

    （1）光源

    在目前的機器視覺應用系統中，優質光源與照明方案往往是整個系統成敗的關鍵，光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部份之間應盡可能地產生明顯的區別。其中LED光源憑借其諸多的優點在現代機器視覺系統中得到越來越多的應用

    （2）光學鏡頭

    光學鏡頭相當于人眼的晶狀體，在機器視覺系統中非常重要。鏡頭的主要性能指標有焦距、光闌系數、倍率、接口等。

    （3）相機

    相機是機器視覺系統獲取原始信息的最主要部分，目前主要使用的有CMOS相機和CCD相機。CCD攝像機以其小巧、可靠、清晰度高等特點在商用與工業領域都得到了廣泛地使用。

    （4）圖像采集卡

    在基于PC機的機器視覺系統中，圖像采集卡是控制攝像機拍照，完成圖像采集與數字化，協調整個系統的重要設備。

    （5）視覺傳感器

    傳感器的模塊化部件集成了光源、攝像頭、圖像處理器、標準的控制與通訊接口，自成為一個智能圖像采集與處理單元，內部程序存儲器可存儲圖像處理算法，并能使用PC機，利用專用組態軟件編制各種算法下載到視覺傳感器的程序存儲器中。

2、光源技術

    光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征參量，在增加圖像對比度的同時，應保證足夠的整休亮度；物體位置的變化不應該影響成像的質量。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度等。好的光源能夠改善整個系統的分辨率，減輕后續圖像處理的壓力。不合適的光源，會給機器視覺系統帶來很多麻煩，如攝像機的花點和過度曝光會隱藏很多重要信息；陰影會引起邊緣的誤檢；信噪比的降低以及不均勻的照明會增加圖像處理閾值選擇的困難。要保證好的圖像，必須要選擇一個合適的光源。機器視覺中光源的分類主要以下幾種：

    2.1前光源

    前光源是指放置在待測物前方的光源，這種光照方式稱為“前光式照明”，如圖1所示。前光源又可以分為“高角度”與“低角度”兩種，其區別在于光源與被測物待測表面的夾角大小的不同。在選用“高角度照明”，或“低角度照明”時，主要考慮被測物表面待測部分的機理。

圖1 前光源照明示意圖

    2.2背光源

    背光源與前光源在放置位置上剛好相反，放置于待測物體背面，如圖2所示。通過背光源照射待測物體，相對攝像機形成不透明物體的陰影或觀察透明物體的內部，使待測物透光與不透光部分邊緣清晰，為圖像邊緣提取奠定基礎。它主要應用于被測對象的輪廓檢測、透明體的污點缺陷檢測、液晶文字檢查、小型電子元件尺寸和外形檢測、軸承外觀和尺寸檢查、半導體引線框外觀和尺寸檢查等。

圖2 后光源照明示意圖

    2.3環形光源

    環形光源能為待測物體提供大面積均衡的照明。實際應用中，環形光源與CCD鏡頭同軸安放，一般與鏡頭邊緣相對齊。環形光源的優點在于可直接安裝在鏡頭上，如圖3所示，與待測物體距離合適時，可大大減少陰影、提高對比度、可實現較大面積照明。但應用距離不合適時會造成環形反光現象。

圖3 環形光源照明示意圖

    三菱RV-2F工業機器人象棋教學儀器主要由三菱RV-2F工業機器人、三菱FX3U系類PLC、三菱GOT1000系類觸摸屏、三菱MR-J4系類伺服、康耐視工業相機、邦納安全光幕等設備組成。可以實現對普通中國象棋進行棋子的抓取、擺放、識別，以及棋盤上對棋子的移動、吃子等動作。該系統中視覺系統照明正是采用了環狀照明光源，如圖4所以。

圖4 三菱RV-2F工業機器人象棋教學儀器

圖5環形照明光源

3、工業機器人象棋教學儀器環形光源分析

    最初的環形照明光源內部采用純水平排列的LED，可以為整個工件提供較為均勻的照明。其照明原理如圖5所示。

圖6 純水平排列環形照明光源示意圖

    這種結構環形照明光源將LED顆粒安裝在平面結構上，因設計簡單且組裝簡便，故成本較低。但這種照明最大的缺點是視場中心的亮度不夠均勻，由CCD獲取的圖像存在中心亮度低，環形四周亮度高的缺陷。這種照明和COGNEX1100工業視覺傳感器成像鏡頭的光闌大小很難形成好的匹配，獲取圖像的特征部分細節會被掩蓋，給In-SightExplorer視覺的取模和圖像判別帶來不少困難。

    為了更好的獲取到均勻的照明光源，可以將圖5中LED顆粒的排列陣列進行優化設計。采用非球面的結構形式，將LED照明顆粒鑲嵌在非球面表明，最終通過多角度擴散方式給工件提供照明。其照明原理如圖6所示。

圖7 非球面排列環形照明光源示意圖

    采用圖6所示的非球面環狀光源與現有普通LED環形光源相比，優點在于能產生統一、表面均勻的照明效果。兩種比較如圖7和圖8所示。通過比較圖7和圖8可以發現后者所能提供的照明更均勻柔和。

圖8 純水平排列環形照明光源反射圖

圖9 非球面排形照明光源反射圖

4、工業機器人象棋教學儀器環形光源分析

    In-SightExplorer電子表格視圖是用于康耐視In-SightMicro系類工業視覺傳感器的編程界面，如圖9所示。In-SightExplorer電子表格視圖如同Exce一樣方便使用，只需將所需的指令拖放到表格的適當位置，編輯處理數據的單元格數據即可。三菱RV-2F工業機器人象棋視覺系統使用圖像對比指令FindPatterns，界面如圖10所示。只需對圖像取模后進行對比，得出相似值后進行相應的四則十進制運算，發送二進制數到網絡。

    如圖9所示，一般相機的曝光時間只需要調整到2-3秒左右。圖中ERR表示錯誤的意思。總分為100分，得分判斷值一般取60-70即可。分值的取得是靠圖像特征的對比，當得分值大于得分判斷值時，則后面數值會顯示為1，當沒有通過得分判斷值時，后面顯示數值為0。1表示圖像識別成功，0表示沒有圖形識別失敗。

圖10 In-SightExplorer電子表格視圖

圖11 圖像取模界面

    將優化的光源安裝到工業機器人象棋教學系統中，選取同類的拍攝棋子圖像在不同的環形照明光源下進行拍攝取圖形，如下圖11和12所示。

圖12 純水平排列環形照明光源反射圖

圖13 非球面排形照明光源反射圖

    通過圖像的比較可以發現圖12所拍攝的圖片亮度更高，均勻度更好。兩張圖片經過取模操作和系統比較發現圖12成功地通過了圖像的識別，圖11則出現判別錯誤。

5、結束語

    本文通過對三菱RV-2F工業機器人象棋視覺系統的照明進行改造，將常見的純水平排列LED環形照明光源優化為非球面排列LED環形照明光源，有效地提高了目標物體的照明亮度和均勻度，提高了視覺系統的圖像識別成功率。