解讀視覺傳感技術(shù)的實踐與應(yīng)用
一臺機(jī)器為什么能看到你？那是因為它有了“眼睛”，也就是視覺。機(jī)器視覺主要用計算機(jī)來模擬人的視覺功能，從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于實際檢測、測量和控制。
一、視覺傳感器概述
視覺傳感器是指：利用光學(xué)元件和成像裝置獲取外部環(huán)境圖象信息的儀器，通常用圖象分辨率來描述視覺傳感器的功能。它的精度不僅與分辨率息息相關(guān)，還與被測物體的WD、FOV范圍有關(guān)。WD、FOV大，成像精度低；反之，成像精度高。
二、視覺傳感技術(shù)分類
目前，視覺傳感技術(shù)主要分為以下兩類：
1、3D視覺傳感技術(shù)
在當(dāng)前的視覺系統(tǒng)中，3D立體成像成為研究熱點，無需佩戴立體眼鏡就能看到立體圖像成為視覺系統(tǒng)的發(fā)展方向。而目前所謂的3D電影和游戲并非整整的3D影像，這是因為拍攝電影時使用的是單鏡頭攝像機(jī)，制作游戲使用的是3D軟件技術(shù)，因此，從制作到顯示都是平面的。3D圖象信息的獲取都是基于圖象傳感器獲取、量化圖象信息，這些圖象信息有直接獲取可見光的圖象，也有通過檢測輻射、紅外線、超聲波等不同形式來獲取圖象信息。不同傳感器技術(shù)有不同的分辨率、精度和噪聲，我們可從圖象傳感器提取部分有用的信號進(jìn)行分析應(yīng)用。
3D視覺傳感器具有廣泛的用途，比如多媒體手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像、數(shù)碼相機(jī)、機(jī)器人視覺導(dǎo)航、汽車安全系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)像素分析、人機(jī)界面、虛擬現(xiàn)實、監(jiān)控、工業(yè)檢測、無線遠(yuǎn)距離傳感、顯微鏡技術(shù)、天文觀察、海洋自主導(dǎo)航、科學(xué)儀器等等。這些不同的應(yīng)用均是基于3D視覺圖像傳感器技術(shù)。特別是3D影像技術(shù)在工業(yè)控制、汽車自主導(dǎo)航中具有急迫的應(yīng)用。
2、智能視覺傳感技術(shù)
智能視覺傳感技術(shù)下的智能視覺傳感器也稱智能相機(jī)，是近年來機(jī)器視覺領(lǐng)域發(fā)展最快的一項新技術(shù)。智能相機(jī)是一個兼具圖像采集、圖像處理和信息傳遞功能的小型機(jī)器視覺系統(tǒng)，是一種嵌入式計算機(jī)視覺系統(tǒng)。它將圖像傳感器、數(shù)字處理器、通訊模塊和其他外設(shè)集成到一個單一的相機(jī)內(nèi)，由于這種一體化的設(shè)計，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度，易學(xué)、易用、易維護(hù)、安裝方便，更加可靠穩(wěn)定。同時系統(tǒng)尺寸大大縮小，拓寬了視覺技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
三、視覺傳感技術(shù)的實現(xiàn)基礎(chǔ)
視覺傳感器的圖像采集單元主要由CCD/CMOS相機(jī)、光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和圖像采集卡組成，將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，傳遞給圖像處理單元。通常使用的圖像傳感器件主要有CCD圖像傳感器和CMOS圖像傳感器兩種。下面將兩種傳感器的實現(xiàn)原理及優(yōu)缺點進(jìn)行詳細(xì)對比與介紹。
CMOS VS CCD
|
類別 |
CCD |
CMOS |
|
生產(chǎn)線 |
專用 |
通用 |
|
成本 |
高 |
低 |
|
集成狀況 |
低，需外接芯片 |
單片高度集成 |
|
系統(tǒng)功耗 |
高（1） |
低（1/10~1/100） |
|
電源 |
多電源 |
單一電源 |
|
抗輻射 |
弱 |
強(qiáng) |
|
電路結(jié)構(gòu) |
復(fù)雜 |
簡單 |
|
靈敏度 |
優(yōu) |
良 |
|
信噪比 |
優(yōu) |
良 |
|
圖像 |
順次掃描 |
同時讀取 |
|
紅外線 |
靈敏度低 |
靈敏度高 |
|
動態(tài)范圍 |
>70dB |
>70dB |
|
模塊體積 |
大 |
小 |
|
取圖速度 |
取圖速度慢，幀率低 |
取圖速度塊，幀率高 |
四、視覺傳感技術(shù)的應(yīng)用
1、汽車車身視覺檢測系統(tǒng)
車身成型是汽車制造的關(guān)鍵工序之一，對車身的各項指標(biāo)要求嚴(yán)格，需對車身進(jìn)行100%的檢測。傳統(tǒng)的檢測方法操作復(fù)雜，速度慢，工期長，只能進(jìn)行抽檢，難以保證產(chǎn)品的良品率。
通常，車身檢測主要是檢測車身擋風(fēng)玻璃尺寸、車門安裝處棱邊位置、定位孔位置等地方。因此視覺傳感器分布于這些位置附近，測量其相應(yīng)的棱邊、孔、表面的空間位置尺寸。在生產(chǎn)線上設(shè)計測量工位，車身定位后，置于一框架內(nèi)，框架由縱橫分布的金屬柱、桿構(gòu)成，可根據(jù)需要在框架上靈活安裝視覺傳感器。根據(jù)測量點的數(shù)量可安裝相應(yīng)數(shù)量的視覺傳感器（通常情況下每個視覺傳感器測量一個被測點），可根據(jù)實際需求，選擇不同形式的傳感器。
車身檢測的工作過程為：由生產(chǎn)線運送車身到測量工位進(jìn)行準(zhǔn)確定位，然后傳感器按要求順序開始工作，計算機(jī)采集檢測點圖像并進(jìn)行處理，計算出被測點的空間三維坐標(biāo)，計算值與標(biāo)準(zhǔn)值比對，得出檢測結(jié)果，并將車身送出測量工位。
2、連接器視覺測量系統(tǒng)
在工業(yè)生產(chǎn)中，連接器是一類重要的工業(yè)產(chǎn)品，而它的質(zhì)量參數(shù)則是制造的重要數(shù)據(jù)，其中連接器焊腳、彈高的尺寸、間距、PIN腳、外觀等問題是影像產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵。隨著智能產(chǎn)品廣泛使用，連接器市場供求量大，生產(chǎn)過程中。傳統(tǒng)人力檢測難以逐個排查，人員易疲勞，管控難，難以確保產(chǎn)品品質(zhì)。如今視覺傳感技術(shù)的出現(xiàn)解決了上述問題，視覺傳感技術(shù)采用的是非接觸式測量且測量范圍大。
視覺測量系統(tǒng)由相機(jī)、鏡頭、光源、控制器、圖像采集卡組成，通過光學(xué)成像原理，自動提取被測物的表面特征，將提取的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與設(shè)定數(shù)據(jù)對比，通過OK或NG信號，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題，管控產(chǎn)品品質(zhì)。整個檢測過程，只需數(shù)秒即可完成，既滿足了高產(chǎn)量需求，又可降低成本，提高生產(chǎn)效率。
3、三維形貌視覺測量
三維形貌數(shù)字化測量技術(shù)是逆向工程和產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、管理及制造的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。它所實現(xiàn)三維形貌數(shù)字化測量的機(jī)理是將視覺非接觸、快速測量和最新的高分辨力數(shù)字成像技術(shù)相結(jié)合。由于所測量的物體多是大型、具有復(fù)雜表面的物體，測量通常分為局部三維信息獲取和整體拼接兩部分，先利用視覺掃描傳感器對被測形貌各個局部區(qū)域進(jìn)行測量，再采用拼接技術(shù)將各部分形貌進(jìn)行拼接最終得到完整圖像。
這項傳感器的視覺掃描測頭采用局域雙目立體視覺測量原理設(shè)計。形貌整體拼接實質(zhì)上是將所采集到的數(shù)據(jù)放到公共坐標(biāo)上，這樣就能得到整體的數(shù)據(jù)描述。通過高分辨率數(shù)碼相機(jī)從測量空間的上方以不同的角度和位置對被測量進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，運用光束定向交匯平差原理得到控制點空間坐標(biāo)并建立全局坐標(biāo)系，最后通過各個坐標(biāo)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)、轉(zhuǎn)換，完成數(shù)據(jù)拼接。
視覺源于生物界獲取外部環(huán)境信息的一種方式，是自然界生物獲取信息的最有效手段，是生物智能的核心組成之一。人類80%的信息都是依靠視覺獲取的，基于這一啟發(fā)研究人員開始為機(jī)械安裝“眼睛”，使得機(jī)器跟人類一樣通過“看”獲取外界信息。視覺傳感器技術(shù)的實質(zhì)就是圖像處理技術(shù)，通過截取物體表面的信號繪制成圖像從而呈現(xiàn)在人們的面前，它的出現(xiàn)解決了其他傳感器因場地環(huán)境限制或檢測設(shè)備龐大而無法操作的問題，提升了企業(yè)自動化生產(chǎn)能力，因此備受工業(yè)制造界的歡迎。
