計(jì)算機(jī)視覺基本任務(wù)

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計(jì)算機(jī)視覺基本任務(wù)范文第1篇

【關(guān)鍵詞】機(jī)器視覺；VisionPro；識(shí)別定位；

1.引言

自20世紀(jì)80年代以來，機(jī)器視覺技術(shù)開始高速發(fā)展，已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室走向了人們生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。現(xiàn)今，在機(jī)器視覺領(lǐng)域已經(jīng)有了一些成熟的視覺開發(fā)軟件，其封裝了很多可靠、高效的算法和工具。本文選用美國(guó)康耐視公司的VisionPro軟件，這是一套基于PC架構(gòu)的視覺系統(tǒng)軟件開發(fā)包，主要應(yīng)用于各種復(fù)雜的機(jī)器視覺領(lǐng)域。它集成了用于定位、檢測(cè)、識(shí)別和通訊等任務(wù)的工具庫，可用C#、VB和VC等語言進(jìn)行二次開發(fā)。本文基于VisionPro利用語言進(jìn)行視覺定位系統(tǒng)的軟件開發(fā)[1]。

2.視覺定位系統(tǒng)

2.1 硬件組成

在圖像處理前首先要得到清晰、有效的圖像，這就需要有一套完整的硬件設(shè)備。一般主要包括照明用的光源、調(diào)節(jié)圖像清晰度的鏡頭、將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的攝像機(jī)和進(jìn)行圖像處理的計(jì)算機(jī)。其中攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的接口也比很重要的，主要分為IEEE1394和采集卡，USB2.0或Gigabit Ethernet千兆網(wǎng)三種[2]。

本視覺系統(tǒng)采用的是日本FUJINON工業(yè)攝像頭，德國(guó)BASLER工業(yè)像機(jī)ACA1600-20GM，GigE千兆網(wǎng)接口。

2.2 基于VisionPro的軟件開發(fā)

本視覺定位系統(tǒng)利用編寫適合實(shí)驗(yàn)需要的界面，界面中只包含需要的操作功能和數(shù)據(jù)，使整個(gè)界面看起來更加清楚簡(jiǎn)單，操作起來更方便。

（1）圖像采集

本視覺系統(tǒng)通過GigE千兆網(wǎng)作為接口控制相機(jī)進(jìn)行圖像采集。打開軟件并連接相機(jī)，設(shè)置好參數(shù)后，就可以通過可視化工具Image Source直接獲取圖像。

（2）相機(jī)的標(biāo)定

機(jī)器視覺的基本任務(wù)之一是從攝像機(jī)獲取的圖像信息出發(fā)計(jì)算三維空間中物體的幾何信息，并由此重建和識(shí)別物體。空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系是由攝像機(jī)成像的幾何模型決定的，這些幾何模型參數(shù)就是攝像機(jī)參數(shù)。在大多數(shù)條件下，這些參數(shù)必須通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算才能得到，這個(gè)過程被稱為攝像機(jī)標(biāo)定[3]。

本文利用VisionPro的CalibChecker-boardTool工具進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定。首先需要一個(gè)棋盤板，棋盤板必須滿足以下條件：必須由大小相同的黑白格子交替組成；格子最好是正方形，如果達(dá)不到的話，格子長(zhǎng)寬比也要在0.9和1.0之間。本系統(tǒng)采用康耐視公司提供的標(biāo)準(zhǔn)棋盤板進(jìn)行標(biāo)定[4，5]。圖1是標(biāo)定的結(jié)果。

（3）目標(biāo)識(shí)別與定位

視覺定位的目的就是找出目標(biāo)物的坐標(biāo)位置。本文利用VisionPro的PMAlignTool工具對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行識(shí)別定位。PMAlignTool工具是基于PatMax算法，該算法采用模板定位技術(shù)（pattern-location technology），先訓(xùn)練模板，然后根據(jù)模板對(duì)采集圖像進(jìn)行模板匹配，實(shí)現(xiàn)定位。在訓(xùn)練模板和定位過程中，PatMax不是基于像素柵格（Pixel grid）分析圖像，而是采用基于幾何外形（Features based）的定位方法，通過圖像的幾何特征信息和特征之間的空間位置關(guān)系進(jìn)行模板訓(xùn)練和匹配，使其能夠保證很高的精度和抗干擾性，而且可以高速定位發(fā)生旋轉(zhuǎn)、縮放、甚至拉伸形變的物體[1]。PMAlignTool工具定位的流程如圖2。

通過PMAlignTool工具對(duì)目標(biāo)物體識(shí)別定位后，利用VB調(diào)用該工具下的Results.Item（i）.GetPose（）.TranslationX和Results.Item（i）.GetPose（）.Transl-ationY。這兩個(gè)值就是序號(hào)為i的目標(biāo)物在圖像上的X、Y坐標(biāo)值，其中i為識(shí)別的各個(gè)目標(biāo)物的序號(hào)。

3.實(shí)驗(yàn)

3.1 PatMax識(shí)別定位

在對(duì)攝像機(jī)完成標(biāo)定校正后，運(yùn)用自己編寫的人機(jī)交互界面完成對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行識(shí)別定位，并將所需要的目標(biāo)位置坐標(biāo)顯示在界面上。同時(shí)又將識(shí)別到的所有目標(biāo)物體的坐標(biāo)信息保存到了文本文檔中，方便調(diào)用。主要操作如下：

（1）模型訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)以一元硬幣為目標(biāo)物，圖3為訓(xùn)練完成的模型。

（2）目標(biāo)識(shí)別定位。圖4是利用編寫的界面，在圖像上能夠清楚的顯示出所識(shí)別出的目標(biāo)輪廓和形心位置，界面右方結(jié)果顯示區(qū)內(nèi)可以看到所識(shí)別的目標(biāo)數(shù)量和所需要的目標(biāo)物的坐標(biāo)。

3.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

視覺定位可以用的軟件和工具包很多，其中應(yīng)用最廣泛的就是Opencv，它是一個(gè)基于（開源）發(fā)行的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫，可以運(yùn)行在Linux、Windows和Mac OS操作系統(tǒng)上。它輕量級(jí)而且高效——由一系列 C 函數(shù)和少量 C++ 類構(gòu)成，同時(shí)提供了Python、Ruby、MATLAB等語言的接口，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺方面的很多通用算法。為了驗(yàn)證PatMax算法定位的準(zhǔn)確性，本文利用Opencv對(duì)相同的圖像進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別定位，對(duì)得到的效果圖和坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比[6]。如圖5所示，其中藍(lán)色為輪廓曲線，綠色十字為目標(biāo)形心。

圖6為VisionPro識(shí)別硬幣的效果圖，輪廓和形心均用綠色線標(biāo)識(shí)。對(duì)比兩圖可以看出VisionPro對(duì)輪廓的識(shí)別效果要更好一些。由于形心坐標(biāo)是由輪廓曲線上的點(diǎn)計(jì)算得到的，所以VisionPro獲得的形心坐標(biāo)值也會(huì)比Opencv的更加準(zhǔn)確，而且精確度更高。下表是兩種方法得到的形心坐標(biāo)。

4.結(jié)束語

本文基于VisionPro采用對(duì)其進(jìn)行開發(fā)，首先利用VisionPro中的工具進(jìn)行圖像的采集，攝像機(jī)的標(biāo)定，運(yùn)用PatMax算法進(jìn)行目標(biāo)物的識(shí)別與定位，然后運(yùn)用編寫人機(jī)交互界面，可以更加方便快捷的得到所需要的目標(biāo)物坐標(biāo)值。本文利用Opencv對(duì)相同的圖像進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別定位，與VisionPro得到的結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。結(jié)果證明基于VisionPro的視覺定位系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別效果更好，定位的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。基于該軟件使應(yīng)用程序的開發(fā)更加快速方便，得到的數(shù)據(jù)結(jié)果誤差較小，具有應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]威洛斯，焦宗夏.基于VisionPro的焊膏印刷機(jī)視覺定位系統(tǒng)[C].第十二屆中國(guó)體視學(xué)與圖像分析學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2008.

[2]Carsten Steger，Markus Ulrich，Christean Wiedemann，著.機(jī)器視覺算法與應(yīng)用[M].楊少榮，吳迪靖，段德山，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]邱茂林，馬頌德，李毅.計(jì)算機(jī)視覺中攝像機(jī)定標(biāo)綜述[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2000，26（1）：47-59.

[4]Cognex，Cognex MVS-8100D and CDC Cameras Hardware Manual，2006.

[5]Cognex，VisionPro，Net Help，2006.

[6]Bradski G.，Kaehler A.著.學(xué)習(xí)OpenCV[M].于仁琪，劉瑞禎，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

作者簡(jiǎn)介：

韓慶瑤（1953—），男，華北電力大學(xué)教授。

張志遠(yuǎn)（1986—），男，華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。