一種新型機器視覺教學系統的應用

[摘要]文章介紹了一種由攝像機和不同光源制作的機器視覺教學系統，詳細說明了系統的組成和原理。在利用機器視覺系統開設的模式識別、數字圖像處理課程中，通過理論模擬和實際試驗的結合，使原本枯燥的數學理論變得新穎，在2個年級的教學試驗中進行了測試，效果良好。

[關鍵詞]機器視覺：攝像機；投影光源；教學課件

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097(2011)06-0126-03

一 機器視覺原理及發展概況

機器視覺是利用計算機和攝像機以及輔助裝置完成的視覺檢測領域，目前，已經廣泛的應用到了工業生產中的在線檢測，設計開發中的逆向工程等領域。從幾微米的芯片刻畫到幾公里的建筑地理三維測量，都有不同類別的機器視覺系統在工作。目前，機器視覺系統的蓬勃發展已經使得高校在機器視覺領域必須進行更深入的教學，以適應工業技術的發展。

傳統的機器視覺教學大多數基于書本和課件，并且只是對于一些平面圖像進行了簡單的處理，這種處理離真正的工業應用相差太遠。另外，學生也無法從這種枯燥的圖像處理算法中找到樂趣，因此，尋求一種新的圖像處理和機器視覺的實驗方法勢在必行。

二 機器視覺教學系統

為了更好的進行機器視覺教學，經過調研，從天津世紀動力光電科學儀器有限公司采購了一種針對教學的高自由度機器視覺系統，該系統可以實現單目、雙目、多目的系統組建，可以模擬激光掃描，面結構光，光柵，點光源掃描，具有豐富的圖像處理算法模擬和實驗系統搭建，還可以實現直線度、平面度、自由曲面多種測量系統的建立。

系統主要由以下部分構成：

1 機械支撐調節系統

機械支撐調節系統由自由度較高的鋁型材構成基本支撐架構，采用球形云臺作為主要的調節部件。系統整體結構如圖1所示：

2 工業攝像機部分

為了能夠實現單目、雙目及多目視覺試驗的模擬，系統采用了畸變率較小的工業攝像機和工業鏡頭。工業攝像機采用千兆以太網技術，通過TCP／IP技術完成圖像的傳輸和采集。系統配備4個攝像機，通過直線和環形軌道可以模擬工業中最常用的幾種單目和雙目視覺檢測系統。工業以太網相機的驅動程序基本開發平臺為VC2008，根據目前的通用數字圖像處理算法，本文提供了幾種單目和多目系統的構架方案以及標定。學生可以很容易的了解雙目系統的構成和原理，以及簡易雙目系統構建的方案。

3 投影光源

機器視覺系統分為主動視覺系統和被動視覺系統，大多數工業領域的應用的是主動視覺檢測系統，即在有照明光源的條件下完成視覺檢測。照明光源種類較多，分為以下幾類：

(1)激光光源：通過激光器發射的點、線激光，對旋轉或移動平臺上的物體實現其形貌的檢查；

(2)面結構光源：通過發射帶有一定偏振信息或位置信息的面結構光條，實現對物體形貌的檢測；

(3)透射光源：通過x射線、近紅外光源等能夠透過物體的光線實現的檢測。

。

以上的光源種類繁多，原理各不相同，為了實現教學系統對各種圖像的模擬，采用了一種新型光源，利用DLP技術的投影LED光源，可以有效解決問題。DLP技術是美國德州儀器公司的動態投射技術，通過一個色輪發射的不斷變化的光不斷投射到屏幕上，通過快速的三原色切換實現的實時投射。這一技術已經廣泛應用到了各種商業投影儀上。但商業投影儀的光路很不自由，都帶有一定的仰角和畸變修正，因此，需要學生自主來調整投影系統。

投影系統的結構大體如圖2所示：

投影系統是利用DLP技術制作的中心光路投影設備，根據上位機的指令可以投射出點光源、線光源、網格狀線光源、任意變化規律的光柵，輔助。

4 標定系統

任何一種機器視覺系統，都要標定攝像機的內外參數和空間變換矩陣。本文設計的系統采用了基于平板靶標的輔助標定。

標定的主要方法如圖3所示。

為了實現多攝像機的匹配，本文采用了一種帶有圓心定位和方向定位的靶標，沒有使用棋盤靶標。使用靶標圖案如

平板靶標可以用來進行圓心提取、邊緣提取、閾值分割、圖像二值化、濾波等操作，還可以用來進行雙目及多目中攝像機的標定。

三 教學課件的搭建

根據搭建的教學平臺可以組成多種教學課件，根據我們常用的實驗方式，整個雙目視覺系統構建按照如下步驟進行：

1 平面圖像處理教學試驗。

平面圖像處理的教學試驗主要針對帶有各種帶有邊界的攝像機圖像，指導學生完成攝像機實時采集、單幅采集、增益和曝光時間的確定等。

根據圖像處理的基本算法，本文提供了一些模塊，圖5(a)和圖5(b)是一些學生作業對靶標圖像完成的不同處理效果

通過這種實際的上機教學，學生對于枯燥的圖像處理算法普遍產生了興趣，對圖像的變換如二值化、閾值分割、拉普拉斯變化都有了較為深入的認識。

2 攝像機內參數標定試驗。

任何攝像機都存在著畸變，主要分為徑向畸變和切向畸變。因此，標定實際的光心畸變參數是建立正確的三維坐標關系的基礎。

本文的教學系統中采用圓形靶標作為攝像機畸變的標定方法，學生采用過移動標定和旋轉標定等各種方法，確定攝像機內參數。

以下數據是一個經過標定的矩陣，主要包括旋轉矩陣R和平移矩陣T，還有攝像機的光心sx和sv，焦距為16mm鏡頭，經過標定后的像距為16.55mm。

焦距：16.558882

光心：716.658340 479.982758

旋轉矩陣：0，952250，0.076489、-0.295582

0.017592，0.952757，0.303223

0.304811、-0.293944、0.905918

平移矩陣：-60.627362，-18.715668、426.976200

經過對攝像機的誤差評定分析，4個班級96名選擇模式識別和圖像處理的學生采用了網絡上搜索到的各種標定算法，并進行了試驗，和標準儀器CPOSmini的結果對照，最好的成績可以誤差在0.04mm。

3 主動光源投射練習

在任何機器視覺系統中，都需要投射主動光源，本文采用的多用途投射光源可以給學生一個開發的空間。采用多用途投射光源，學生進行了多種光源的模擬，如圖6所示。

四 結論

通過對主動光源投射，攝像機標定，靶標圖像處理的練習，學生們對機器視覺領域和模式識別有了更直觀的認識。在進行的攝像機標定算法試驗中，一個班的學生查閱了多種公開文獻中的算法，并最終得到了比較好的效果。

本實驗系統不但可應用于本科教學過程中，也可應用到研究生和部分教師的科學實驗中。

五 致謝

本文是在國家自然科學基金《單目高精度大型物體彩色三維數字化測量原理研究》(編號：60808020)和國家自然科學基金《基于視覺的織物疵點三維檢測和三維識別原理研究》(編號：61078041)以及天津市應用基礎及前沿技術研究計劃《雙目SFS彩色三維織物疵點在線檢測原理研究》(編號：10JCYBJC07200)的支持下進行的實驗室建設。感謝國家自然科學基金以及天津市科委對本項目以及實驗室建設的支持。