第15卷第4期柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)Vol 15 No 42015年8月JOURNAL OF LIUZHOU VOCATIONAL TECHNICAL COLLEGEAug 2015[理工農(nóng)學(xué)研究]機(jī)器視覺(jué)的構(gòu)造及應(yīng)用徐仲勛,黃科程西華大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院,成都610039)摘要:文章介紹了機(jī)器視覺(jué)在處理圖像時(shí)的幾種方法以及目標(biāo)跟蹤的原理,分析了機(jī)器視覺(jué)在農(nóng)業(yè)工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)堿的實(shí)際應(yīng)用情況,探討了現(xiàn)階段機(jī)器視覺(jué)在各個(gè)領(lǐng)域存在的一些問(wèn)題和解決的方法,最后對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景做了展望。關(guān)鍵詞:機(jī)器視覺(jué):實(shí)際應(yīng)用:構(gòu)造中圖分類號(hào):TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1671-1084(2015)04-0059-05機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)越來(lái)越深入人們的生活,它涉及到了醫(yī)學(xué)、軍事、教育、工業(yè)、安全等諸多的行業(yè)。同時(shí),它也是一門(mén)交叉學(xué)科,包含了物理、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、軟件工程、圖像處理等諸多學(xué)科。機(jī)器視覺(jué)從上世紀(jì)50年代開(kāi)始發(fā)展,到η0年代開(kāi)始岀現(xiàn)了視覺(jué)系統(tǒng),80年代中期,全球開(kāi)始掀起了機(jī)器視覺(jué)熱。如今,機(jī)器視覺(jué)在中國(guó)也得到了很大的發(fā)展,已經(jīng)成為中國(guó)的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)1機(jī)器視覺(jué)的構(gòu)造機(jī)器視覺(jué)一般由光源照明、攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)和控制機(jī)構(gòu)構(gòu)成,如下圖所示圖象集卡工業(yè)計(jì)算機(jī)0像機(jī)光照系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)一被檢測(cè)目標(biāo)圖11.1照明照明是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)里的一個(gè)非常重要的部分。它直接影響著攝像機(jī)采集到的數(shù)據(jù)的質(zhì)量,所以,在選擇照明設(shè)備的事情上,要非常的謹(jǐn)慎。一個(gè)好的光源的判別標(biāo)準(zhǔn)是:1)能夠突岀被測(cè)物體收稿日期:2015-04-06中國(guó)煤化工基金項(xiàng)目:西華大學(xué)研究生創(chuàng)新基金(yqi2014059)CNMHG作者簡(jiǎn)介:徐仲勛,西華大學(xué)在讀碩士研究生,研究方向:機(jī)器視覺(jué);黃科程,西華大學(xué)在讀碩士研究生,研究方向:以太網(wǎng)技術(shù)。的特征,使要被檢測(cè)的部分能夠與不被檢測(cè)部分產(chǎn)生明顯的區(qū)別,增加對(duì)比度;2)保證穩(wěn)定性和亮度;3)當(dāng)物體的位置發(fā)生變化時(shí),成像的質(zhì)量不應(yīng)該受到影響生活中常見(jiàn)的光源主要有白熾燈、氙燈、熒光燈、LED等幾種類型。在照明上,我們有兩種方法可以増強(qiáng)我們需要的目標(biāo)特征:1)利用光譜。比如使用合適的照明光源,使光的光譜范圍是希望能看到的范圍被目標(biāo)物體反射,不想看到的范圍被物體吸收。2)利用照明的方向性。說(shuō)到方向性,有兩種方法:第一種利用光源本身的照射效果。光源漫反射時(shí),光在每個(gè)方向的照射強(qiáng)度基本相同。直接照射的時(shí)候,光源的光集中在一個(gè)非常小的范圍內(nèi)。特定的環(huán)境下,光源發(fā)出單向平行光。3)我們可以從光源、攝像機(jī)、被測(cè)物三個(gè)部分的相對(duì)位置入手。有正面光、背光、明場(chǎng)照明、暗場(chǎng)照明四種相互獨(dú)立的方法。當(dāng)光源和攝像機(jī)在被測(cè)物同一側(cè)的時(shí)候,我們稱為正面光。當(dāng)光源和攝像機(jī)在被測(cè)物兩邊的時(shí)候,我們稱此時(shí)的光為背光。當(dāng)光源和被測(cè)物成一定的角度時(shí),此時(shí)大部分光反射到攝像機(jī),我們稱為明場(chǎng)照明。當(dāng)光源位置使大部分的光沒(méi)有反射到攝像機(jī)的時(shí)候,僅僅是將照射到被測(cè)物的特定的部分光反射到攝像機(jī)的時(shí)候,我們稱為暗場(chǎng)照明。1.2鏡頭鏡頭是一種光學(xué)設(shè)備,全稱為攝像鏡頭。主要功能是使光聚集而在攝像機(jī)內(nèi)部成像。鏡頭是視覺(jué)系統(tǒng)中非常重要的部分,對(duì)圖像的質(zhì)量有著決定性的作用。決定鏡頭性能的參數(shù)主要有焦距,工作距離、視場(chǎng)、景深、分辨率等。普通鏡頭如下圖所示圖焦距指的是平行光入射的時(shí)候從透鏡的光心到光聚集在一起的焦點(diǎn)的距離。工作距離指的是鏡頭的前部到被測(cè)物體的距離。視場(chǎng)表示攝像頭能觀察到的最大的范圍。景深指的是物體在攝像機(jī)照射到的清晰的圖像的情況下能移動(dòng)的前后距離范圍。1.3攝像機(jī)攝像機(jī)是將光線生成圖像。攝像機(jī)又分為CCD傳感器攝像機(jī)和CMOS傳感器攝像機(jī)。兩者主要的區(qū)別是從芯片中讀出數(shù)據(jù)的方式不一樣。CCD傳感器制造的成本高,制造工藝復(fù)雜,消耗的電力高,但是成像的質(zhì)量好。CMOS制造成本低,制造工藝簡(jiǎn)單,消耗的電力小,但是CMOS的通透性和對(duì)色彩的還原能力都比較差。CCD可分為兩類,線陣式和面陣式。在速度較高的情況下一般采用線陣式,速度低的情況下采用面陣式。面陣式價(jià)格也比較便宜。14圖像采集卡中國(guó)煤化工圖像采集卡主要的功能是把攝像機(jī)采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至電腦CNMHG2圖像的處理及目標(biāo)跟蹤的原理被測(cè)物的圖像由攝像機(jī)獲取后,通過(guò)圖像采集卡傳遞給計(jì)算機(jī),而后,計(jì)算機(jī)開(kāi)始處理圖像識(shí)別并且測(cè)量圖像中的物體。在計(jì)算機(jī)處理圖像的過(guò)程中,涉及到很多種視覺(jué)的算法,現(xiàn)在我們來(lái)簡(jiǎn)單的介紹2.1圖像增強(qiáng)對(duì)于圖像的質(zhì)量,鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡等硬件設(shè)備起到至關(guān)重要的作用,物體的位置光源等外部條件對(duì)圖像的影響也很大,但是有時(shí)候雖然我們對(duì)設(shè)備和外部條件盡了最大的努力,可是圖像質(zhì)量還是不夠好,那就需要用到圖像增強(qiáng)技術(shù)。這兒只介紹兩種通用的圖像處理技術(shù):灰度值變換,圖像平滑。通過(guò)調(diào)整圖像的灰度值,一個(gè)原因是圖像的局部對(duì)比度不夠,所以要增強(qiáng)局部的對(duì)比度。還有一個(gè)原因是光源系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題或者老化了,從而造成圖像的對(duì)比度和亮度不夠,因此需要調(diào)整灰度值。圖像的平滑主要是給圖像去噪,由于外部及機(jī)器自身的因素,圖像的灰度值會(huì)發(fā)生隨機(jī)的變化,而去除這種隨機(jī)的變化,就需要用圖像平滑進(jìn)行處理。2.2圖像分割圖像分割,即對(duì)圖像進(jìn)行分割,分割出圖像中的目標(biāo)或感興趣的區(qū)域。閾值分割是圖像分割算法中最簡(jiǎn)單的一種方法,只要指定灰度值的上下限,然后將處于范圍內(nèi)的圖像區(qū)域輸送出來(lái)即可。如果要求圖像的精度高一些,就會(huì)用亞像素精度閾值分割。2.3特征提取對(duì)圖像進(jìn)行分割后,往往會(huì)分割得不夠徹底,這時(shí)候就要對(duì)就需要去除分割結(jié)果中多余的部分。去除的過(guò)程中,我們需要確定從區(qū)域或者輪廓中確定一個(gè)及多個(gè)特征,這個(gè)確定特征的過(guò)程我們稱為特征提取。特征可分為區(qū)域特征,灰度值特征,輪廓特征等。2.4邊緣提取基于閾值的分割結(jié)果,其精度往往取決于閾值的選定。一旦閾值選定錯(cuò)誤或者光照發(fā)生改變的時(shí)候,那提取岀來(lái)的物體就不對(duì)了。所以,魯棒分割算法是在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能盡量地找出物體的邊界。2.5目標(biāo)跟蹤的原理對(duì)一個(gè)物體進(jìn)行跟蹤,首先要尋找一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的點(diǎn),這點(diǎn)必須和物體上的其他點(diǎn)有明顯的區(qū)別,此點(diǎn)亦稱為角點(diǎn)。那么什么樣的點(diǎn)可以認(rèn)為是獨(dú)一無(wú)二的點(diǎn)呢,一般我們認(rèn)為當(dāng)這個(gè)點(diǎn)在兩個(gè)正交的方向上有非常明顯的導(dǎo)數(shù)的時(shí)候,那這個(gè)點(diǎn)更傾向是獨(dú)一無(wú)二的。對(duì)角點(diǎn)的定義方法比較多使用得最廣的是由 Harris提出來(lái)的。其角點(diǎn)的定義是以圖像灰度強(qiáng)度的二階導(dǎo)數(shù)矩陣為基礎(chǔ)的,如圖3a i dIH(P)=/ oraxd02Ia2dxdy dy圖3二維 Hessian矩陣中國(guó)煤化工H定義位于圖像二階導(dǎo)數(shù)的自相關(guān)矩陣有兩個(gè)最大特征值CNMH入10M=∑t(x,y)>RR圖3機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)能應(yīng)用在多個(gè)行業(yè),但其功能主要是用來(lái)檢測(cè)和測(cè)量。機(jī)器視覺(jué)最大的優(yōu)點(diǎn)就是在測(cè)量時(shí)和被測(cè)物體無(wú)接觸,而且其速度快,精度較高,抗干擾能力也很強(qiáng)。從理論上說(shuō),通常人肉眼觀察不到的光,機(jī)器視覺(jué)都能觀察到,如紅外線,超聲波等。機(jī)器視覺(jué)觀察到這些我們看不到的光后,可以把它們轉(zhuǎn)化為我們?nèi)庋勰苡^察到的圖像,非常實(shí)用。另外機(jī)器視覺(jué)能長(zhǎng)時(shí)間工作而保持穩(wěn)定,這些都是人肉眼所不能做到的。這些優(yōu)點(diǎn)使機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用,并且也取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。3.1工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用是最廣泛的。主要用來(lái)做產(chǎn)品的檢測(cè)和分類以及機(jī)器人的研究。在產(chǎn)品的檢測(cè)方面,主要是基于產(chǎn)品特征來(lái)作檢測(cè),主要分為以下三類31.1檢測(cè)產(chǎn)品表面特征通過(guò)檢測(cè)產(chǎn)品表面的劃痕,凹凸以及裂紋或者是粗糙度來(lái)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)估進(jìn)而可以劃分等級(jí)3.1.2檢查產(chǎn)品的空間特征通過(guò)檢查產(chǎn)品的空間特征來(lái)判定產(chǎn)品的尺寸以及形狀,以此來(lái)判定產(chǎn)品的尺寸是否在誤差范圍內(nèi)或產(chǎn)品是否有正確的形狀。這種檢查主要設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維或者二維結(jié)構(gòu)如產(chǎn)品的形狀、位置、方向等。3.1.3檢查產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征可以準(zhǔn)確地檢查產(chǎn)品是否丟失了零件以及產(chǎn)品是否有損壞。32在機(jī)器人的研究方面把機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于機(jī)器人上面,就可以使機(jī)器人更加的自主、靈活,也更能適應(yīng)變化著的環(huán)境。這樣可以使機(jī)器人搬運(yùn),加工零件,自動(dòng)焊接的時(shí)候能更加有效率。3.3醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,機(jī)器視覺(jué)主要是作為儀器來(lái)輔助醫(yī)生對(duì)病人進(jìn)行檢查以及數(shù)據(jù)的分析。比如進(jìn)行醫(yī)學(xué)影像的分析,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,自動(dòng)完成對(duì)細(xì)胞的個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù),這樣,就簡(jiǎn)便了很多節(jié)省了很多的時(shí)間,省去了很多的人力物力。3.4在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品始于上個(gè)世紀(jì)70年代末。隨著科技的進(jìn)步,硬件和軟件得到了迅猛的發(fā)展,機(jī)器視覺(jué)在理論與實(shí)踐方面都得到了重大的發(fā)展,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也應(yīng)用的更加廣泛。在農(nóng)產(chǎn)品的收獲,農(nóng)產(chǎn)品的顏色識(shí)別,農(nóng)場(chǎng)的作業(yè)以及農(nóng)作物的生長(zhǎng)質(zhì)量的檢測(cè)都取得了巨大的成果,L中國(guó)煤化工如圖5所示CNMHG圖5視覺(jué)機(jī)岙人收狄水米4機(jī)器視覺(jué)技術(shù)存在的問(wèn)題雖然機(jī)器視覺(jué)得到了廣泛的應(yīng)用,并且取得了很大的成果,但是不得不承認(rèn),機(jī)器視覺(jué)還是有很多的不足。對(duì)于人眼來(lái)說(shuō),也許識(shí)別一個(gè)物體,理解周?chē)膱?chǎng)景是一件很容易的事情,但是對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō),存在以下幾個(gè)問(wèn)題1)一幅圖像多重意義當(dāng)三維的圖像被投影成為二維的圖像,許多的信息就會(huì)丟失,也許兩張相同的二維圖像是由兩個(gè)完全不同的三維場(chǎng)景投影而成的。另外,同一物體,從不同的視角拍攝也會(huì)產(chǎn)生不同的圖像,機(jī)器分辨起來(lái)也會(huì)有很大的難度。2)數(shù)據(jù)量比較大不管是彩色圖像還是灰度圖像,其信息量都十分巨大,因此就需要很大的存儲(chǔ)空間,這樣就不容易實(shí)現(xiàn)快速處理3)環(huán)境因素的影響周?chē)脑牍?光的不穩(wěn)定,物體的形狀及顏色,攝像機(jī)與物體的相互位置的變化都會(huì)對(duì)圖像有一定的影響。4)實(shí)時(shí)性問(wèn)題實(shí)時(shí)性主要分為硬實(shí)時(shí)和軟實(shí)時(shí)。隨著硬件的發(fā)展,硬實(shí)時(shí)問(wèn)題已經(jīng)有了比較好的解決方案。在軟實(shí)時(shí)的問(wèn)題上,主要是靠算法來(lái)解決,以提高圖像的處理速度。但是這樣的話,在復(fù)雜的工作現(xiàn)場(chǎng),就會(huì)有準(zhǔn)確性和魯棒性下降等問(wèn)題。因此,就無(wú)法精確地得到物體的圖像。5結(jié)語(yǔ)經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展,機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)日趨成熟,并且應(yīng)用得也越來(lái)越廣泛。這大大地提高了機(jī)器自動(dòng)化、智能化的水平,為社會(huì)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。雖然在解決圖像的分辨,實(shí)時(shí)性等問(wèn)題上還是有一定的困難,但是隨著科技的發(fā)展,這些問(wèn)題也會(huì)得到很好的解決的。機(jī)器視覺(jué)在我國(guó)也算是新興產(chǎn)業(yè),越來(lái)越多的公司和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始研究機(jī)器視覺(jué),機(jī)器視覺(jué)必將成為我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)。參考文獻(xiàn)李金雄PIC單片機(jī)輕松入門(mén)[M北京中國(guó)電力出版社,20132段發(fā)階,張洪濤,葉聲華視覺(jué)技術(shù)在電子網(wǎng)板檢測(cè)中的應(yīng)用研究U光電子激光,2001,12(9)3顏發(fā)根,少華,陳樂(lè),等基于PC的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)U可編程控制器與工廠自動(dòng)化,2004,(7):129-131.4劉煥軍,王耀南機(jī)器視覺(jué)中的圖像采集技術(shù)電腦與信息技術(shù),2003,(1):18-2115章煒機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展及其工業(yè)應(yīng)用U紅外,2005,27(2):11-17.彭剛,黃心漢,王敏基于視覺(jué)引導(dǎo)和超聲測(cè)距的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤和抓取U高技術(shù)通訊,2002,12(6)葉華聲,邾繼貴,王仲視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用中國(guó)工程科學(xué),199岡8顏發(fā)根,劉建群,陳新,丁少華機(jī)器視覺(jué)及其在制造業(yè)中的應(yīng)用U機(jī)械制造,2004,(42)四王昕,秦鵬,rost& Sullivan公司機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)市場(chǎng)軟件,2007,(2):16-17張五一,趙強(qiáng)松,王東云機(jī)器視覺(jué)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)山中原工學(xué)院學(xué)報(bào),2008,19(1):9-11,15l瑞機(jī)器視覺(jué)的典型應(yīng)用,應(yīng)用光學(xué),2007,(4):18-21.12朱錚濤,黎紹發(fā)視覺(jué)測(cè)量技術(shù)及其在現(xiàn)代制造業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)代制造工程,2004,(4:59-6113劉繼勝,鐘良機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用U現(xiàn)代制造工程,2004,、2:99-10114范祥,盧道華,王佳機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)領(lǐng)域中的研究應(yīng)用現(xiàn)代制造工程,2007,6中國(guó)煤化工CNMHG卜轉(zhuǎn)第69頁(yè)3梁貴秋,李全,陸飛,等桑綠茶在廣西的發(fā)展前景U廣西蠶業(yè),2009,4(4):47-50[4]Andallu B, Suryakantham V, Lakshmi Srikanthi B, et al. Effect of mulberry(Morus indicaL. therapy on plasma and erythrocytemembrane lipids in patients with type 2 diabetes. Clin Chim Acta, 2001, 314(1-2): 475項(xiàng)秀娣,張樂(lè),戴瑜來(lái)桑葉的降血糖活性成分及其作用機(jī)制研究進(jìn)展U安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,18(21):90-93阿幺光善,潘士佳,南姬.桑葉有效成分降糖作用研究食品科學(xué),20117趙保勝,高曉燕,劉洋,等桑葉治療2型糖尿病藥效及其機(jī)制研究中國(guó)實(shí)驗(yàn)方劑學(xué)雜志,2012,18(20):263-266岡李超,潘建明,羅新根,等桑葉提取物對(duì)糖尿病小鼠糖耐量的影響U海南醫(yī)學(xué),2012,23(3):24-26.⑨李宏,黃金山,胡浩,等桑葉降糖作用的研究初報(bào)北方蠶業(yè),2002,23(3):19-2110陳智毅,廖森泰,鄒宇曉,等桑葉顆粒劑對(duì)糖尿病的治疔作用研究蠶業(yè)科學(xué),203,29(2:206-2091賀偉強(qiáng)、桑葉黃酮的提取工藝及藥理功效研究進(jìn)展北方園藝,2012,(21):181-18312」孫蓮,楊文菊,劉龍桑葉揮發(fā)油氣相色譜-質(zhì)譜指紋圖譜研究U中國(guó)中藥雜志,2009,347):879-883I13孫小敏耀,唐文照,盧霞,等分光光度法測(cè)定不同采收時(shí)間桑葉中總黃酮中草藥,2004,35(10):1190-119114王燦,左艇,王琳琳桑葉黃酮抗皮膚衰老實(shí)驗(yàn)研究中國(guó)醫(yī)藥導(dǎo)報(bào),20118(3:30-3215遲曉拮,曹光群桑葉總黃酮的提取及其抑菌活性研究U林產(chǎn)化學(xué)與工業(yè),2012,32(2):163-166Comparison of wild Mulberry Leaves and Medicinal Mulberry Leaves inthe Total flavonoids(1 Department of Environment and Food Engineering, Liuzhou Vocational Technical College, LiuzhouGuangxi 545006, China; 2 School of Pharmacy, Henan University, Kaifeng Henan 475001, China)Abstract: Objective: to determine the content of total flavonoids from mulberry leaves and compared with wildmedicinal in mulberry leaves. Methods: the extraction of Flavonoids from mulberry leaves by ultrasonic method inthe sample, the content of total flavone was determined by UV spectrophotometry. Results: the content offlavonoids in the concentration of 20-70mg mL-1 range, good linearity, mulberry leaves. The average recoverywas 97.5%, RSD was 1.81%. Conclusion: the wild mulberry leaf flavonoid content of medicinal mulberry leafbought more than pharmaciesKey words: mulberry leaves; total flavonoids; ultrasonic extraction; ultraviolet-visible spectrophotometry(上接第65頁(yè))A Summary of the Construction and Application of Machine visionXU Zhongxun, HUANG Kecheng(School of Mechanical Engineering and Automation, Xihua University, Chendu 610039, China)Abstract: This paper introduces the concept of machine vision, structure, expounds the developing situation,such as light source, optical lens, camera, etc. This paper introduces the application of machine vision in theseveral methods of processing the image. Machine vision were analyzed in the agricultural, industrial, medical andother fields of application. Discusses the present some problems of m中國(guó)煤化工 elds and thesolution method. Finally, the application of machine vision technology andTHCNMHGre discussedKey words: machine vision; practical application; structure