機(jī)器視覺與圖像分析技術(shù)詳解

一、要點

　　1．與視覺相關(guān)的項目并非全都需要咨詢專家的服務(wù)；在硬件供應(yīng)商和開發(fā)工具供應(yīng)商的幫助下，缺乏視覺系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的開發(fā)者通常也可以完成大部分（即使不是全部）開發(fā)工作，并且為他們的公司節(jié)省費用。

　　2．在開始視覺系統(tǒng)開發(fā)之前，你必須回答大約五六個問題；你的答案將基本決定系統(tǒng)的硬件成本。

　　3．你只要選擇能夠在菜單驅(qū)動環(huán)境中能使你開始設(shè)備開發(fā)工作，然后通過圖形編程或語法編程來完善程序，就可大大提高效率。

　　4．習(xí)慣于視覺系統(tǒng)在安裝之后需要悉心呵護(hù)的觀念；你常常無法預(yù)見在系統(tǒng)運(yùn)行一段時間之后可能有必要調(diào)整算法的各種理由。

　　成功地開發(fā)一種基于視覺的設(shè)備可能需要很多專業(yè)知識，以致許多打算這樣做的開發(fā)者都不愿意嘗試這種任務(wù)，而轉(zhuǎn)向求助于那些通過掌握技術(shù)的方方面面細(xì)微差別建立自己職業(yè)生涯的咨詢專家。通常，一位咨詢專家不僅可以為你節(jié)省數(shù)倍咨詢費的費用，而且還可以節(jié)省大量寶貴的時間。即使這樣，有些適用于基于視覺的系統(tǒng)開發(fā)的緊縮包裹型軟件包卻使那些沒有機(jī)器視覺或圖像分析經(jīng)驗的人能泰然承擔(dān)的項目數(shù)量不斷增加。

　　如果你缺乏適當(dāng)?shù)慕?jīng)驗，則要走好的第一步是設(shè)法確定哪些任務(wù)需要外界幫助，哪些任務(wù)是你有可能用預(yù)包裝軟件自己迅速完成的。提供開發(fā)工具和硬件的廠商通?？梢詭椭阕龀鲞@種判斷。在很多情況下，這些廠商的網(wǎng)站都有幫助做出這種決定的工具。給一個這樣的廠商打個電話，你通常就可以與一位能搜集有關(guān)你設(shè)備信息的應(yīng)用工程師取得聯(lián)系。在適當(dāng)?shù)臅r候，大多數(shù)廠商會向你推薦他們熟悉其工作情況的咨詢專家。通常，最經(jīng)濟(jì)的辦法就是，某個項目中僅僅某些部分使用咨詢幫助，例如照明部分。

　　圖像分析和機(jī)器視覺是相關(guān)而又不同的兩個領(lǐng)域。從某種意義上說，圖像分析是機(jī)器視覺的一部分。然而，從另一種意義上說，圖像分析是一門更廣的學(xué)科。實際上，這兩領(lǐng)域的分界線常常是模糊不清的。

　　機(jī)器視覺應(yīng)用通常具有商業(yè)味道。例如，機(jī)器視覺是許多制造過程的關(guān)鍵部分。另一方面，"圖像分析"--按多數(shù)人的理解--更可能應(yīng)用于科學(xué)研究實驗室。一些專家說，圖像分析常常處理的操作不及機(jī)器視覺處理的操作明確。對未知物體，例如學(xué)術(shù)實驗室中（圖1）或者甚至臨床病理學(xué)實驗室中的動物組織細(xì)胞的圖像進(jìn)行表征或分類就是一例。

圖1冷泉港（紐約）實驗室霍華德休斯醫(yī)學(xué)院的一個研究小組利用Matlab及其圖像捕獲和圖像處理工具箱來研究哺乳動物的大腦如何運(yùn)作。利用圖像捕獲工具箱，研究人員就可將顯微鏡圖像從攝像機(jī)直接流式傳輸?shù)組atlab，并可利用圖像處理工具箱功能來分析一段時間內(nèi)的圖像。為了一按按鈕就能進(jìn)行捕獲和分析，研究人員在Matlab中創(chuàng)造了生動的圖形用戶界面。

　　在機(jī)器視覺中，你通常對照相機(jī)或圖像傳感器所觀察的物體有一般的了解，但你需要獲得更具體的信息。產(chǎn)品檢測設(shè)備屬于機(jī)器視覺這一類。例如，你知道一幅圖像描繪的是哪種印制電路板模型，但是你必須確定所有元件的類型是否正確以及位置是否得當(dāng)。確定元件是否正確和位置是否適合當(dāng)然要涉及到圖像分析，但是這種分析比臨床實驗室中的那種分析更為直觀。

　　二、機(jī)器視覺任務(wù)的分類

　　幾位專家將主要機(jī)器視覺任務(wù)分為以下幾類：

　　1．對諸如墊圈、螺母和螺栓等元件進(jìn)行計數(shù)，并從噪聲背景中提取可視信息。

　　2．測量 （也稱為測定） 角度、尺寸以及相關(guān)位置。

　　3．讀出，包括諸如從條形碼中獲取信息、對蝕刻在半導(dǎo)體芯片上的字符的OCR（光學(xué)字符識別）以及讀出二維DataMatrix碼等操作。

　　4．對物體進(jìn)行比較，例如，將生產(chǎn)線上的單元與同樣類型的KGU（已知優(yōu)質(zhì)單元）進(jìn)行比較，找出諸如缺少元件或標(biāo)簽等的制造缺陷。這種比較可能是簡單的圖樣相減，也可能涉及到幾何或矢量圖形匹配算法。如果被比較物體的尺寸或方向各不相同的話，就必須采用后者。比較的類型包括檢測物體的有無、匹配色彩和比較印刷質(zhì)量。被檢查的物體可能與阿司匹林藥片一樣簡單，其正確標(biāo)記需在包裝之前加以驗證。

　　上述列表由于很具體，所以可能意味著你可以利用菜單驅(qū)動的基于圖形的開發(fā)工具來創(chuàng)建機(jī)器視覺設(shè)備，而不是使用如C++這樣的基于文本的語言來編寫代碼。盡管具有長期用基于文本的語言對機(jī)器視覺設(shè)備進(jìn)行編程的開發(fā)者通常更愿意堅持使用他們多年來成功運(yùn)用的工具，但你的確可以使用多種菜單驅(qū)動的圖形化應(yīng)用開發(fā)軟件包之一。雖然業(yè)界中的一些人對這種不愿改變的傾向頗有微詞，但要問一問自己，如果你聘請來處理某種設(shè)備的咨詢專家第一次嘗試使用新軟件包來完成你的工作的話，你的感受如何呢？

　　即使在各種基于圖形的工具當(dāng)中，供應(yīng)商們也把那些真正提供可編程能力的和那些僅允許用戶配置設(shè)備的區(qū)分開來。這種可配置的方法能讓你更快捷地使設(shè)備運(yùn)行，并能提供許多開發(fā)者所需的靈活性。編程功能可為開發(fā)者提供更大的靈活性，但卻會延長開發(fā)時間-特別是對于那些第一次使用一種工具的人來說更是如此。在某些情況下，可配置的方法和可編程的方法都以同樣的語言產(chǎn)生輸出，從而使你能利用編程功能來修改或提高你用可配置的方法創(chuàng)建的設(shè)備（圖2）。這樣的靈活性的潛在好處是巨大的：你可以使用更強(qiáng)大的工具來完善某種設(shè)備，并可借助基本的工具，迅速使之在原始級工作。這種方法可降低在完善方法上浪費時間的可能性，而你后來發(fā)現(xiàn)這些方法存在根本缺陷。

圖2利用Data Translation公司的Vision Foundry進(jìn)行設(shè)備開發(fā)的主要替代技術(shù)例證了工具箱的優(yōu)越性，工具箱使你可以利用可配置的基于菜單的交互式工具快速驗證概念，然后再通過編程功能改進(jìn)其設(shè)備。在Vision Foundry中，你可以通過編寫直觀的腳本來完成大部分編程任務(wù)。

三、正在發(fā)生的調(diào)整

也許更重要的是如何利用兩種方法的輕松互換使用來簡化許多機(jī)器視覺設(shè)備中正在進(jìn)行的不可避免的調(diào)整。例如，在AOI （自動光學(xué)檢驗）中，你或許希望剔除任何與KGU不同的UUT （被測單元）。唉，如果采用這種策略，檢驗過程大概會剔除你生產(chǎn)的大部分單元，即使其中大多數(shù)單元具有可以接受的性能。說明由于次要差別而導(dǎo)致AOI系統(tǒng)剔除一個優(yōu)質(zhì)部件的簡單例子就是UUT使用的某個元件的日期代碼與KGU上的等效元件的日期代碼不同。

此時，你可在設(shè)備的設(shè)計期間預(yù)見到數(shù)據(jù)代碼問題，并確保系統(tǒng)忽略包含日期代碼的區(qū)域內(nèi)的圖像差別。遺憾的是，盡管如此，其它次要差別更難預(yù)料，你必須預(yù)計到你發(fā)現(xiàn)這些次要差別時需要修改設(shè)備。實際上，一些AOI系統(tǒng)的軟件幾乎能自動地進(jìn)行這樣的修改；如果你告知系統(tǒng)它剔除了優(yōu)質(zhì)單元，則軟件就會將單元的圖像與原始KGU進(jìn)行比較，并在有差別的區(qū)域內(nèi)不再對隨后的單元進(jìn)行檢驗。

不過，這樣的方法有時候會產(chǎn)生并不令人滿意的結(jié)果。假設(shè)檢驗系統(tǒng)安裝在一間有外部光線可以從窗戶進(jìn)入的房間內(nèi)，從而使UUT的照度發(fā)生變化。雖然檢查員可以不假思索地適應(yīng)這種變化，但是這樣的變化會導(dǎo)致視覺系統(tǒng)將相同物體的圖像分為不同物體的圖像，從而引起不可預(yù)料的檢驗失敗。盡管遮住窗戶可以防止外部光線進(jìn)入，但是調(diào)整測試程序使KGU在各種照明極端情況下都能通過也許更加經(jīng)濟(jì)合算。

即使如此，這個例子也指出了照明在機(jī)器視覺和圖像分析中的重要性。照明本身就是一門科學(xué)或藝術(shù)。各種各樣的照明技術(shù)具有不同的優(yōu)點和弱點，而對UUT的照明方法可以解決或改進(jìn)普通的機(jī)器視覺問題（參考文獻(xiàn)1）。

四、項目成本及時間期限

機(jī)器視覺項目的成本相差很大。有幾個這樣的項目的成本不超過5000美元，其中包括硬件、預(yù)包裝軟件開發(fā)工具以及設(shè)備開發(fā)者的工時成本。不過，如此低廉的項目成本很可能不包括為了達(dá)到滿意性能而對設(shè)備進(jìn)行調(diào)整和調(diào)試的成本。在成本范圍的另一端，項目成本超過一百萬美元。這類項目中最常見的可能就是在汽車和航空工業(yè)中對自動生產(chǎn)線的重大改進(jìn)。根據(jù)一些供應(yīng)商說，最常見的項目成本通常從數(shù)萬美元到略