基于視覺(jué)系統(tǒng)的在線式移動(dòng)物體的識(shí)別與定位淺析

潘秀麗 金晶 曹惠紅 廣州華夏職業(yè)學(xué)院

基于視覺(jué)系統(tǒng)的在線式移動(dòng)物體的識(shí)別與定位淺析

潘秀麗 金晶 曹惠紅 廣州華夏職業(yè)學(xué)院

在傳統(tǒng)的人工作業(yè)中，一條生產(chǎn)線上需要數(shù)十個(gè)工人進(jìn)行食品的分揀、分類(lèi)、排列和包裝等流程，這種方法不但耗費(fèi)大量的人力，而且會(huì)因?yàn)槿说捏w力消耗以及長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械動(dòng)作而產(chǎn)生的視覺(jué)疲勞經(jīng)常會(huì)引起失誤，同時(shí)對(duì)食品衛(wèi)生安全等造成威脅。

機(jī)器視覺(jué) 圖像處理 邊緣檢測(cè) 重心檢測(cè)

一般來(lái)講，機(jī)器視覺(jué)就是利用專(zhuān)業(yè)的工業(yè)攝像機(jī)取代替人的眼睛捕獲感興趣的目標(biāo)物體圖像，并應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)替代人的大腦來(lái)對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、測(cè)量以及判斷［1］，也即是通過(guò)工業(yè)攝像機(jī)的自動(dòng)成像系統(tǒng)獲取目標(biāo)物圖像信息并通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別處理，來(lái)識(shí)別目標(biāo)物的外觀輪廓信息，并針對(duì)目標(biāo)的外觀進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和判斷。

一、機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用現(xiàn)狀

廣泛來(lái)說(shuō)機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用［2］主要集中在機(jī)器人視覺(jué)和工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)兩個(gè)方面：

（1）機(jī)器人視覺(jué)：通過(guò)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)將感興趣的目標(biāo)物轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，然后通過(guò)傳輸系統(tǒng)傳送給圖像處理模塊，由圖像處理模塊來(lái)提取感興趣的目標(biāo)物信息，并抽取處目標(biāo)物的特征，最后根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。（2）機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)：機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)分為高精度的定量檢測(cè)和對(duì)精度要求不高的定性檢測(cè)。

在當(dāng)今社會(huì)，需求決定著產(chǎn)品，機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品也是如此。在中國(guó)機(jī)器視覺(jué)未來(lái)的發(fā)展主要表現(xiàn)為以下一些特性［3］：（1）機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品的需求呈上升趨勢(shì)［4］。在國(guó)家的十二五所提出的規(guī)劃當(dāng)中，許多行業(yè)涉及到機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用也越來(lái)越多。（2）標(biāo)準(zhǔn)化、一體化的解決方案［5］。隨著中國(guó)加工制造業(yè)的發(fā)展，用戶的需求也會(huì)是多樣化的，因此一體化的解決方案也就成為了機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）軟件設(shè)計(jì)。所謂軟件系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持下，對(duì)人們認(rèn)知世界和支配事物的各種抽象集合的具體實(shí)現(xiàn)，是不需要用戶干預(yù)的各種程序的集合。它的主要功能是在計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)的支持下，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)度、監(jiān)控和維護(hù)除計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外的各種獨(dú)立的硬件設(shè)備；并且在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的監(jiān)控和協(xié)調(diào)下使得各種硬件設(shè)備可以協(xié)調(diào)工作以達(dá)到系統(tǒng)需求分析中要求實(shí)現(xiàn)的功能。

（二）硬件設(shè)計(jì)

基于機(jī)器視覺(jué)的在線式移動(dòng)物體識(shí)別與定位系統(tǒng)的總體硬件應(yīng)有。如下三個(gè)模塊，模塊組成如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)的硬件方案圖

圖像采集系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、拍照環(huán)境、CCD圖像傳感器和USB數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的。如圖2所示：

圖2　圖像采集系統(tǒng)

系統(tǒng)的圖像處理模塊［6］：基于機(jī)器視覺(jué)的在線式移動(dòng)物體識(shí)別與定位系統(tǒng)的圖像處理模塊也即圖像處理的軟件設(shè)計(jì)部分，這一部分需要的硬件設(shè)備由PC提供。

機(jī)械手臂及其控制模塊［7］：系統(tǒng)采用四自由度的機(jī)械手臂，根據(jù)圖像處理的速度、機(jī)械手臂的工作頻率以及工業(yè)生產(chǎn)中生產(chǎn)線的速度最終確定機(jī)械手臂的個(gè)數(shù)及其安裝的具體位置。

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

（一）圖像采集模塊的實(shí)現(xiàn)。機(jī)器視覺(jué)的主要工作原理就是從攝像機(jī)捕獲的目標(biāo)物圖像信息中對(duì)三維世界中的目標(biāo)物體信息進(jìn)行識(shí)別和提取。攝像機(jī)成像的物理和光學(xué)原理決定的幾何模型，造成了現(xiàn)實(shí)世界中物體表面的點(diǎn)在攝像機(jī)成像的圖像中是如何對(duì)應(yīng)的。而這一幾何模型構(gòu)成的參數(shù)就是由攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)提供的。獲取這些參數(shù)的過(guò)程就是攝像機(jī)的標(biāo)定的過(guò)程［8］。

（二）圖像濾波算法的實(shí)現(xiàn)。攝像機(jī)采集到的圖像在采集的過(guò)程中和傳輸過(guò)程中或多或少會(huì)加入噪聲干擾，因此首先需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，使攝像機(jī)拍到的圖像更有利于進(jìn)行后續(xù)處理即是圖像增強(qiáng)。它的基本目的是使經(jīng)過(guò)增強(qiáng)處理后的輸出圖像跟原始圖像相比較具有更適合于觀察的特點(diǎn)。

（三）圖像邊緣提取的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。圖像經(jīng)過(guò)二值化之后已經(jīng)將物體從背景當(dāng)中分離出來(lái)了，此時(shí)對(duì)二值圖像進(jìn)處理計(jì)算量會(huì)比較大，而且不容易對(duì)所需要的物體進(jìn)行識(shí)別，這是需要對(duì)二值化提取出的物體圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，提取出圖像中物體的具體輪廓來(lái)，以便于物體的識(shí)別和定位。

（四）物體識(shí)別設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。根據(jù)圓形度提取經(jīng)過(guò)邊緣提取處理后的圖像，進(jìn)而對(duì)處理過(guò)的特征圖像進(jìn)行特征計(jì)算；據(jù)此可以根據(jù)物體的特征值將不同的特征的物體區(qū)別出來(lái)。并將物體在圖像中的坐標(biāo)位置定位出來(lái)，轉(zhuǎn)換為實(shí)際的坐標(biāo)空間的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)物體的定位。

（五）物體的定位。物體的定位就是利用重心檢測(cè)提取出物體的重心坐標(biāo)，完成圖像中物體的識(shí)別與定位操作，最后顯示圖像中物體的位置信息

結(jié)論：隨著國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛，同時(shí)由于大規(guī)模的機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用也會(huì)促成統(tǒng)一開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)的建立，最終會(huì)促使機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)方面當(dāng)中的應(yīng)用走向標(biāo)準(zhǔn)化、一體化的解決方案，機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用也將進(jìn)一步促進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)向智能化方向發(fā)展。

［1］ 耿瑞芳.基于視覺(jué)系統(tǒng)的六軸機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)——視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).2006

［2］ 楊海濤.機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)算法研究與實(shí)現(xiàn)［D］.吉林：吉林大學(xué).2002

［3］ 胡興軍 等.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及其在包裝印刷質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用.2004

［4］ 馮江.基于構(gòu)件的印刷品缺陷檢測(cè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)研究.2008