隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前，工業(yè)機(jī)器人不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域，同時也應(yīng)用于核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等科技領(lǐng)域以及家庭清潔等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域。機(jī)器視覺作為工業(yè)機(jī)器人一項(xiàng)核心技術(shù)，研究計(jì)算機(jī)模擬人的視覺功能進(jìn)行目標(biāo)對象的識別、判斷和測量。
機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理。所有信息均來源于目標(biāo)圖像，目標(biāo)圖像本身的質(zhì)量對整個視覺系統(tǒng)極為關(guān)鍵。而光源則是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像水平的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。通過適當(dāng)?shù)墓庠凑彰鲀?yōu)化，使圖像中的目標(biāo)信息與背景信息得到分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，提高系統(tǒng)的定位、測量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高。
而目前市場并沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，現(xiàn)有的照明不能針對每個特定的應(yīng)用實(shí)例，只能通過對相應(yīng)照明裝置的分析和優(yōu)化，才能達(dá)到好的成像效果。機(jī)器視覺系統(tǒng)的光源的價值也正在于此。實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)光源照明的優(yōu)化，能夠有效地提高圖像識別的質(zhì)量和效果，提高工業(yè)機(jī)器人的工作效率。
本文工以工業(yè)機(jī)器人象棋教學(xué)儀器為主題，針對工業(yè)機(jī)器人視覺系統(tǒng)對棋子的識別準(zhǔn)確度不高情況，提出一種機(jī)器人視覺系統(tǒng)照明優(yōu)化方案，通過對系統(tǒng)中照明裝置進(jìn)行優(yōu)化，提高視覺系統(tǒng)識別準(zhǔn)確度。
1、機(jī)器視覺系統(tǒng)組成
典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運(yùn)動控制部分。主要部件由機(jī)器視覺光源，光學(xué)鏡頭，工業(yè)相機(jī)，傳感器，圖像分析處理軟件，通訊接口等組成的。
?。?）光源
在目前的機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中，優(yōu)質(zhì)光源與照明方案往往是整個系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部份之間應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別。其中LED光源憑借其諸多的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代機(jī)器視覺系統(tǒng)中得到越來越多的應(yīng)用
?。?）光學(xué)鏡頭
光學(xué)鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中非常重要。鏡頭的主要性能指標(biāo)有焦距、光闌系數(shù)、倍率、接口等。
?。?）相機(jī)
相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)獲取原始信息的較主要部分，目前主要使用的有CMOS相機(jī)和CCD相機(jī)。CCD攝像機(jī)以其小巧、可靠、清晰度高等特點(diǎn)在商用與工業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛地使用。
（4）圖像采集卡
在基于PC機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照，完成圖像采集與數(shù)字化，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的重要設(shè)備。
?。?）視覺傳感器
傳感器的模塊化部件集成了光源、攝像頭、圖像處理器、標(biāo)準(zhǔn)的控制與通訊接口，自成為一個智能圖像采集與處理單元，內(nèi)部程序存儲器可存儲圖像處理算法，并能使用PC機(jī)，利用專用組態(tài)軟件編制各種算法下載到視覺傳感器的程序存儲器中。
2、光源技術(shù)
光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征參量，在增加圖像對比度的同時，應(yīng)保證足夠的整休亮度；物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。光源的選擇必須符合所需的幾何形狀、照明亮度、均勻度等。好的光源能夠改善整個系統(tǒng)的分辨率，減輕后續(xù)圖像處理的壓力。不合適的光源，會給機(jī)器視覺系統(tǒng)帶來很多麻煩，如攝像機(jī)的花點(diǎn)和過度曝光會隱藏很多重要信息；陰影會引起邊緣的誤檢；信噪比的降低以及不均勻的照明會增加圖像處理閾值選擇的困難。要保證好的圖像，必須要選擇一個合適的光源。機(jī)器視覺中光源的分類主要以下幾種：
2.1前光源
前光源是指放置在待測物前方的光源，這種光照方式稱為“前光式照明”，如圖1所示。前光源又可以分為“高角度”與“低角度”兩種，其區(qū)別在于光源與被測物待測表面的夾角大小的不同。在選用“高角度照明”，或“低角度照明”時，主要考慮被測物表面待測部分的機(jī)理。
圖1 前光源照明示意圖
2.2背光源
背光源與前光源在放置位置上剛好相反，放置于待測物體背面，如圖2所示。通過背光源照射待測物體，相對攝像機(jī)形成不透明物體的陰影或觀察透明物體的內(nèi)部，使待測物透光與不透光部分邊緣清晰，為圖像邊緣提取奠定基礎(chǔ)。它主要應(yīng)用于被測對象的輪廓檢測、透明體的污點(diǎn)缺陷檢測、液晶文字檢查、小型電子元件尺寸和外形檢測、軸承外觀和尺寸檢查、半導(dǎo)體引線框外觀和尺寸檢查等。
圖2 后光源照明示意圖
2.3環(huán)形光源
環(huán)形光源能為待測物體提供大面積均衡的照明。實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)形光源與CCD鏡頭同軸安放，一般與鏡頭邊緣相對齊。環(huán)形光源的優(yōu)點(diǎn)在于可直接安裝在鏡頭上，如圖3所示，與待測物體距離合適時，可大大減少陰影、提高對比度、可實(shí)現(xiàn)較大面積照明。但應(yīng)用距離不合適時會造成環(huán)形反光現(xiàn)象。
圖3 環(huán)形光源照明示意圖
