一种机器人视觉系统照明优化方案.docx

一种机器人视觉系统照明优化方案一种机器人视觉系统照明优化方案陈懋洋,李方园,张燕珂导语：本文介绍一种通过优化视觉系统照明进而进步图像形式识别准确度的方法。摘要：以机器代替人眼进展目的对象的识别、判定和测量。在工业消费经过中，相对于传统测量检验方法，机器视觉技术的最大优点是快速、准确、可靠与智能化。机器视觉对进步产品检验的一致性、产品消费的平安性、降低工人劳动强度以及实现企业的高效平安消费和自动化治理具有不可替换的作用。本文介绍一种通过优化视觉系统照明进而进步图像形式识别准确度的方法。前言随着科学与技术的开展，的应用领域也不断扩大。目前，工业机器人不仅应用于传统制造业如采矿、冶金、石油、化学、船舶等领域，同时也应用于核能、航空、航天、医药、生化等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等效劳业领域。机器视觉作为工业机器人一项核心技术，主要研究计算机模拟人的视觉功能进展目的对象的识别、判定和测量。机器视觉系统的核心是图像收集和处理。所有信息均;于目的图像，目的图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。而光源那么是影响机器视觉系统图像程度的重要因素，由于它直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。通过适当的光源照明优化，使图像中的目的信息与背景信息得到最正确别离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，进步系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到进步。而目前市场并没有通用的机器视觉照明设备，现有的照明不能针对每个特定的应用实例，只能通过对相应照明装置的分析和优化，才能到达最正确的成像效果。机器视觉系统的光源的价值也正在于此。实现机器视觉系统光源照明的优化，可以有效地进步图像识别的质量和效果，进步工业机器人的工作效率。本文工以工业机器人象棋教学仪器为主题，针对工业机器人视觉系统对棋子的识别准确度不高情况，提出一种机器人视觉系统照明优化方案，通过对系统中照明装置进展优化，进步视觉系统识别准确度。1、机器视觉系统组成典型的机器视觉系统可以分为：图像收集局部、图像处理局部和运动控制局部。主要部件由机器视觉光源，光学镜头，工业相机，传感器，图像分析处理软件，通讯接口等组成的。1光源在目前的机器视觉应用系统中，优质光源与照明方案往往是整个系统成败的关键，光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的局部与那些不重要部份之间应尽可能地产生明显的区别。其中LED光源凭借其众多的优点在当代机器视觉系统中得到越来越多的应用2光学镜头光学镜头相当于人眼的晶状体，在机器视觉系统中非常重要。镜头的主要性能指标有焦距、光阑系数、倍率、接口等。3相机相机是机器视觉系统获取原始信息的最主要局部，目前主要使用的有CMOS相机和CCD相机。CCD摄像机以其小巧、可靠、明晰度高等特点在商用与工业领域都得到了广泛地使用。4图像收集卡在基于PC机的机器视觉系统中，图像收集卡是控制摄像机拍照，完成图像收集与数字化，协调整个系统的重要设备。5视觉传感器传感器的模块化部件集成了光源、摄像头、图像处理器、标准的控制与通讯接口，自成为一个智能图像收集与处理单元，内部程序存储器可存储图像处理算法，并能使用PC机，利用专用组态软件编制各种算法下载到视觉传感器的程序存储器中。2、光源技术光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征参量，在增加图像比照度的同时，应保证足够的整休亮度；物体位置的变化不应该影响成像的质量。光源的选择必须符合所需的几何外形、照亮堂度、均匀度等。好的光源可以改善整个系统的分辨率，减轻后续图像处理的压力。不适宜的光源，会给机器视觉系统带来很多费事，如摄像机的花点和过度曝光会隐藏很多重要信息；阴影会引起边沿的误检；信噪比的降低以及不均匀的照明会增加图像处理阈值选择的困难。要保证好的图像，必需要选择一个适宜的光源。机器视觉中光源的分类主要以下几种：2.1前光源前光源是指放置在待测物前方的光源，这种光照方式称为前光式照明，如图1所示。前光源又可以分为高角度与低角度两种，其区别在于光源与被测物待测外表的夹角大小的不同。在选用高角度照明，或者低角度照明时，主要考虑被测物外表待测局部的机理。图1前光源照明示意图2.2背光源背光源与前光源在放置位置上恰好相反，放置于待测物体反面，如图2所示。通过背光源照射待测物体，相对摄像机形成不透明物体的阴影或者观察透明物体的内部，使待测物透光与不透光局部边沿明晰，为图像边沿提取奠定根底。它主要应用于被测对象的轮廓检测、透明体的污点缺陷检测、液晶文字检查、小型电子元件尺寸和外形检测、轴承外观和尺寸检查、半导体引线框外观和尺寸检查等。图2后光源照明示意图2.3环形光源环形光源能为待测物体提供大面积平衡的照明。实际应用中，环形光源与CCD镜头同轴安放，一般与镜头边沿相对齐。环形光源的优点在于可直接安装在镜头上，如图3所示，与待测物体间隔适宜时，可大大减少阴影、进步比照度、可实现较大面积照明。但应用间隔不适宜时会造成环形反光现象。图3环形光源照明示意图三菱RV-2F工业机器人象棋教学仪器主要由三菱RV-2F工业机器人、三菱FX3U系类PLC、三菱GOT1000系类触摸屏、三菱MR-J4系类伺服、康耐视工业相机、邦纳平安光幕等设备组成。可以实现对普通中国象棋进展棋子的抓取、摆放、识别，以及棋盘上对棋子的挪动、吃子等动作。该系统中视觉系统照明正是采用了环状照明光源，如图4所以。图4三菱RV-2F工业机器人象棋教学仪器图5环形照明光源3、工业机器人象棋教学仪器环形光源分析最初的环形照明光源内部采用纯程度排列的LED，可以为整个工件提供较为均匀的照明。其照明原理如图5所示。图6纯程度排列环形照明光源示意图这种构造环形照明光源将LED颗粒安装在平面构造上，因设计简单且组装简便，故本钱较低。但这种照明最大的缺点是视场中心的亮度不够均匀，由CCD获取的图像存在中心亮度低，环形四周亮度高的缺陷。这种照明和COGNEX1100工业视觉传感器成像镜头的光阑大小很难形成好的匹配，获取图像的特征局部细节会被掩盖，给In-SightExplorer视觉的取模和图像判别带来不少困难。为了更好的获取到均匀的照明光源，可以将图5中LED颗粒的排列阵列进展优化设计。采用非球面的构造形式，将LED照明颗粒镶嵌在非球面说明，最终通太多角度扩散方式给工件提供照明。其照明原理如图6所示。图7非球面排列环形照明光源示意图采用图6所示的非球面环状光源与现有普通LED环形光源相比，优点在于能产生统一、外表均匀的照明效果。两种比拟如图7和图8所示。通过比拟图7和图8可以发现后者所能提供的照明更均匀柔和。图8纯程度排列环形照明光源反射图图9非球面排形照明光源反射图4、工业机器人象棋教学仪器环形光源分析In-SightExplorer电子表格视图是用于康耐视In-SightMicro系类工业视觉传感器的编程界面，如图9所示。In-SightExplorer电子表格视图如同Exce一样方便使用，只需将所需的指令拖放到表格的适当位置，编辑处理数据的单元格数据即可。三菱RV-2F工业机器人象棋视觉系统使用图像比照指令FindPatterns，界面如图10所示。只需对图像取模后进展比照，得出相似值后进展相应的四那么十进制运算，发送二进制数到网络。如图9所示，一般相机的曝光时间只需要调整到2-3秒左右。图中ERR表示错误的意思。总分为100分，得分判定值一般取60-70即可。分值的获得是靠图像特征的比照，当得分值大于得分判定值时，那么后面数值会显示为1，当没有通过得分判定值时，后面显示数值为0。1表示图像识别成功，0表示没有图形识别失败。图10In-SightExplorer电子表格视图图11图像取模界面将优化的光源安装到工业机器人象棋教学系统中，选取同类的拍摄棋子图像在不同的环形照明光源下进展拍摄取图形，如下列图11和12所示。图12纯程度排列环形照明光源反射图图13非球面排形照明光源反射图通过图像的比拟可以发现图12所拍摄的图片亮度更高，均匀度更好。两张图片经过取模操纵和系统比拟发现图12成功地通过了图像的识别，图11那么出现判别错误。5、完毕语本文通过对三菱RV-2F工业机器人象棋视觉系统的照明进展改造，将常见的纯程度排列LED环形照明光源优化为非球面排列LED环形照明光源，有效地进步了目的物体的照亮堂度和均匀度，进步了视觉系统的图像识别成功率。