机器视觉系统的原理及现状_张琦

机器视觉系统的原理及现状

张 琦

(信息产业部电子第四十五研究所 甘肃平凉 744000)

摘 要:概述机器视觉系统的基本原理、应用领域以及应用现状。

关键词:机器视觉 图像 灰度 电子显微镜

中图分类号:TP273文献标识码:B文章编号:1004-4507(1999)03-0020-03

机器视觉系统堪称 机器眼睛 ,一般是指针对 目标图像 进行数字化并通过计算机处理进行判断,进而作出结论服务于伺服系统或满足某种特殊的需求。机器视觉系统是实现设备智能化、自动化、高效化、高精密途径中必不可缺的功能模块。目前,这种技术已经被广泛地应用在电子行业各种设备之中,尤其在军事领域、IC制造行业、SMT行业、医疗行业等等传统的以及新兴的高科技产业领域中。因此,机器视觉系统的成熟应用是电子工业专用设备生存以及发展道路中必须攻克的技术难关之一。

1 机器视觉系统组成及工作原理

机器视觉系统处理的核心目标是 图像 ,一目标物体的 图像 被单帧或多帧采集量化为数字化信息,反之可以说,用一些离散的数字化数值阵列就可以表示一目标物体的 图像 。对于复杂的 图像 或需要进行更高精度的处理来说,采集量化的数字化信息则要求更大。即处理精度与数字化信息量成正比。一般来说,图像用多级亮度来表示并进行量化采集,即所谓灰度法。以灰度来表示图像量化的每一个像元素特征。基于灰度法的机器视系统框图由图1所示。

机器视觉系统包括:光路系统、面阵摄像机(CCD)、量化存贮单元、模板库、专用高速处理单元、监视单元等大模块。其中光路系统由程控光源、变焦伺服机构、自动光圈、光

学镜片组等组成。

图1 机器视觉系统组成框图

对于以灰度进行量化处理的机器视觉系统而言,图像亮度是一个尤为重要的参数,而决定这一重要参数的因素便是光路系统的质量。一般来说机器视觉系统为了避免环境自然光线或灯光对其工作状态的影响,光路设计均采用自足光源,程控光源要求亮度大、亮度可调、均匀性好、稳定性高,以抑制外界环境各种光对图像质量产生较大影响而导致机器视觉系统故障或误判行为。其次,光路系统设计需满足视场需求和图像分辨率要求。它的设计质量决定了图像质量,决定了机器视觉系统的准确率。

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工业生产中采用的机器视觉系统,灰度级差异较大,小到二值图像、大到256灰度级,以及特殊需求可更大。采用的灰度级越大,数字化图像越逼真清晰,越接近原视图。一般来说,人眼能分辨的灰度级约为50~60级之间。因此64级灰度足以提供必要的观察信息及辨认需求,这是许多机器视觉系统采用64级灰度级的原因。但是,要使机器视觉系统具有很强的精密区别目标的能力,一般采用的灰度级为256级,但是由于要处理的信息量很大,要求处理单元有足够快的运算能力。例如采用512 512阵列像元图像量化为二值图像,一帧图像信息量为262144 Bit而按256级灰度时,一帧图像信息量为2000000Bit。因此,实用化的机器视觉系统除尽可能选用专用高速处理单元外,还应根据不同应用需要选取,在识别处理精度、处理时间长短、像元灰度级等因素之间进行综合平衡,以达到高效、实用的目的。

机器视觉系统常用的摄像机一般为固态CCD或线阵摄像机,面阵分辨率可为300~ 700线或更高,线阵分辨率则可多达4048像元以至更高。根据需求进行取舍配置。

机器视觉系统的精度取决于摄像机视场和所包含的像元数量,视场越小,每个像元代表的距离也越小,识别精度也越高。标准CCD像元阵列为768 576和512 512二种。另外,为满足某些需要较大视场较小分辨率的要求,可设计多路CCD将视图分割为一个个较小视场,又可提高分辨率。

机器视觉系统的核心是专用高速图像处理单元,如何把存入存贮单元大量离散的数字化信息与模板库信息进行比较处理,并快速得出结论是处理单元软、硬件面对的问题。运算信息量大,意味着处理结果的准确率高,但如果运算时间较长,机器视觉便失去其存在的意义。这种信息量与运算速度之间的矛盾已成为世界各国微处理器研制生产厂商必须面对的课题。目前,已有多种视觉专用硬件处理器芯片、DSP芯片等等不断涌现并被广泛应用于计算机、通讯、娱乐等产品之中,进行高速图像计算、数据压缩,解压缩、贮存与传输。除去硬件因素,选用适当的算法,可以提高处理运行效率,减少存贮容量、提高运算速度及准确度。图像处理算法软件及技巧也成为高效机器视觉系统需要精益求精、探索不止的目的和不可缺少的重要组成部分。

电子显微系统作为机器视觉系统的一个分支,目前在设备中的应用也日趋广泛,在各种监控、检测、分析等场合代替传统显微镜,具有结构简单、配置方便等特点。尤其在高分辨率、高放大倍率、自动变焦镜头、自动光圈、自动图像摄取、冻结、分析、测量、图像与图形叠加、图像与人机界面叠加、透明、图像放大缩小、变形、漫游等处理功能方面有极大的优势。这些处理功能、显微镜是不可能达到的。但也有显微镜与电子显微镜系统相兼容的配置,各取优势,相互补充,图2、图3为

两种基本配置。

图2 电子显

微系统最简配置

图3 一般配置

2 机器视觉系统在电子专用设备中的

应用

目前,机器视觉系统作为一个成熟的功

(下转第34页)

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化时,测速机电压(正值)也跟着变化,经速度反馈电阻反馈到前置放大器5G23反相端,与给定信号(负值)合成后的输出信号也跟着变化,而且趋势与测速机电压变化趋势相反,从而抑制了电机转速变化,使系统稳定运行。由以上分析可知,速度反馈的大小、系统放大倍数的选取,是确定系统是否稳定的关键。因为SYL-50CYD-2 7机组与112SZX-03机组测速机电压不同,112SZX-03测速机(1000r/m in)电压是24V,而CYD-2 7测速机(1000r/min)电压是282 6V。因此,电机改型后会产生参数不匹配、力矩不够大的矛盾,要解决这个矛盾,需将控制系统的速度反馈加深,同时将系统的放大倍数调大,就会取得理想的力矩效果。具体做法是将调整积分时间电位器W1和调整比例放大系数电位器W2调到最大,并将速度反馈电阻R6改小。但这时系统还不够稳定,再在功放管M J11032的基极b和发射极e之间并一个1 F/16V的独石电容,这个矛盾就得到解决。

2 显示线路设计

因为溧阳电机厂现生产的112SZX-03电 机的轴承只有一端伸出,无法安装编码器,原来的速度显示线路无法使用。为此,我们设计了一套显示线路如图2所示,从测速机两端采取的测速机电压信号,经2k 电阻分压后送给10k 电位器,数显表的输入信号取自10k 电位器的动头和测速机负端(控制地)之间。其中,数显表5V电源用原来区熔单晶炉显示线路的5V电源,数显表可用2V 量程的普通数显表即可。到此,区熔单晶炉的电机改型设计及调试基本完成。

尽管区熔单晶炉电机改型后,较为理想的解决了力矩降低问题,但也存在不足: 高频磁场对数显表显示有影响(转速稳定不变时,数显表末位显示跳字); 区熔单晶炉技术要求下轴转速通常为5~10r/min112SZX -03长期运行在低速段,从节约能源及电机合理使用方面考虑,用北京微电机厂生产的稀土永磁式力矩电机作为下轴旋转系统的驱动电机,

是我们下一步工作的努力方向。

图3 速度显示线路图

(上接第21页)

能模块,已广泛应用在国外引进的电子专用设备之中。如光刻设备、中测设备、划片设备、芯片检放设备、焊接设备等,完成监控、检测、识别、对准等功能,是名副其实的 机器眼睛 。为满足设备下一步行为以及更加准确的定位提供先觉条件。

美国EG公司的中测台2000系列、3000系列、4000系列设备中均采用图像识别自动对准,就2001X而言,对准精度达到 1/2像素。对准速度第一次匹配时间约6s,整个硅片对准时间约为16s,且具有高的灵活性、适应性和可靠性,完全满足了实用化需要。承担的国家八 五攻关实用化专题项目TZ-109全自动中测台中,亦采用了该所科研人员自行研制的类似对准系统,并取得了良好的效果。

然而,机器视觉系统在我国仍属于低组合水平,单功能,低效率,低准确度。虽然我们已在算法软件,光路系统,硬件结构等等方面取得了一定的经验,但要更上一层楼,上升到实用化水平,做成一个兼容性强、用途广、功效高的功能模块仍然有一定距离。因此,必须加大力度,投入人力财力,集中力量攻关。

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