工業(yè)智能相機(jī)誤判的處置研究

［關(guān)鍵詞］照明光源優(yōu)化；防抖優(yōu)化；人機(jī)交互二次開發(fā)；誤判處置流程

1 工業(yè)智能相機(jī)的誤判

工業(yè)智能相機(jī)與普通工業(yè)相機(jī)的區(qū)別主要在于系統(tǒng)集成度和智能化程度。工業(yè)智能相機(jī)是集圖像采集、處理與通信于一體的微型機(jī)器視覺系統(tǒng)，而普通工業(yè)相機(jī)則更側(cè)重于圖像采集功能。此文對(duì)誤判問題的研究對(duì)普通工業(yè)相機(jī)視覺系統(tǒng)一樣有效，因此后文簡(jiǎn)稱“工業(yè)相機(jī)”。工業(yè)相機(jī)在圖像采集、傳輸或處理過程中，由于各種原因?qū)е碌膱D像質(zhì)量下降、信息失真或識(shí)別錯(cuò)誤等問題，使得相機(jī)無法準(zhǔn)確地反映被攝物體的真實(shí)狀態(tài)或?qū)傩?，這就是工業(yè)相機(jī)的誤判。

2 工業(yè)相機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

2.1 鏡頭與相機(jī)

在挑選鏡頭時(shí)，需要先理解客戶的具體需求，包括所需的觀察范圍、期望的光學(xué)放大倍數(shù)、實(shí)際操作中的工作距離、對(duì)景深的明確要求、所適配的芯片尺寸、相機(jī)接口的類型及與光源和照明系統(tǒng)的兼容性。此外，鏡頭的安裝空間也不容忽視。只有全面考慮了這些要素，才能為客戶提供最合適的鏡頭選擇方案。在方案確定后，改變?cè)O(shè)備尺寸通常不切實(shí)際。另外，鏡頭焦距的確定需要根據(jù)視場(chǎng)尺寸和圖像傳感器的寬度進(jìn)行精確計(jì)算。這一計(jì)算過程對(duì)于確保相機(jī)能夠全面覆蓋所需的工作區(qū)域至關(guān)重要。有些廠家提供選項(xiàng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，可輔助推薦合適的相機(jī)及鏡頭。

2.2 光源與照明技術(shù)

在工業(yè)相機(jī)的應(yīng)用中，光源的精心挑選尤為重要，其主要目的是確保相機(jī)能夠接收到足夠且適宜的光線。電子技術(shù)的普及使得照明技術(shù)與工業(yè)相機(jī)深度結(jié)合，提高了成像精度和效率。而照明技術(shù)的目標(biāo)在于幫助相機(jī)捕捉并生成更高質(zhì)量的圖像。工業(yè)相機(jī)工作流程中，光線經(jīng)工件反射，通過鏡頭匯聚在感光元件上，再發(fā)送至控制器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，檢測(cè)工件差異信號(hào)，形成圖形信息幀，圖像處理技術(shù)終極目的是提取工件特性。工業(yè)相機(jī)照明技術(shù)通過調(diào)整光線入射角和光場(chǎng)分布，使圖像更清晰，突顯物體細(xì)節(jié)，拓寬了工業(yè)相機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.3 軟件處理

工業(yè)相機(jī)軟件處理步驟如下：①圖像采集和處理。軟件實(shí)時(shí)捕獲相機(jī)傳感器傳遞的圖像數(shù)據(jù)，并運(yùn)用一系列預(yù)處理技術(shù)，如去噪、增強(qiáng)和濾波等，旨在優(yōu)化圖像質(zhì)量，使圖像特征更清晰。②特征檢測(cè)與提取。軟件運(yùn)用先進(jìn)的算法和技術(shù)，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并提取圖像中的關(guān)鍵特征，如邊緣、角點(diǎn)和輪廓等。這些特征信息是后續(xù)進(jìn)行物體識(shí)別、定位和測(cè)量的關(guān)鍵基礎(chǔ)。③閾值或邏輯評(píng)估。根據(jù)拍攝目的需要編輯合理的閾值或邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)模擬照片轉(zhuǎn)成評(píng)價(jià)好壞數(shù)字量信號(hào)。④輸出結(jié)果。根據(jù)評(píng)價(jià)給上位機(jī)或PLC（或機(jī)器人）設(shè)備輸出結(jié)果，結(jié)束工作。

在軟件處理中工具細(xì)分領(lǐng)域，圖像增強(qiáng)處理、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理和圖像分割處理等技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。圖像增強(qiáng)處理通過空間域增強(qiáng)和頻域增強(qiáng)等技術(shù)手段，優(yōu)化圖像的對(duì)比度和清晰度，為機(jī)器視覺系統(tǒng)提供更精準(zhǔn)的圖像分析基礎(chǔ)。

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，AI圖像識(shí)別技術(shù)也在工業(yè)相機(jī)軟件處理中得到了廣泛應(yīng)用。

3 工業(yè)相機(jī)優(yōu)化方法

3.1 工業(yè)相機(jī)照明優(yōu)化

在工業(yè)相機(jī)的照明優(yōu)化過程中，合理選取背景色對(duì)提升傳感器識(shí)別性能至關(guān)重要。當(dāng)工件呈現(xiàn)白色時(shí)，選擇黑色背景能夠顯著提升識(shí)別效果；而當(dāng)工件為黑色或金屬色時(shí)，白色背景則更適用。通過優(yōu)化背景色以增強(qiáng)色彩對(duì)比度，可以確保檢測(cè)過程更為穩(wěn)定可靠，從而保障識(shí)別準(zhǔn)確性。

偏光鏡，一種特殊濾鏡，可過濾特定光波成分。當(dāng)工件表面光澤產(chǎn)生光暈時(shí)，偏光鏡能顯著減少這一問題。安裝后高亮光澤工件也能穩(wěn)定檢測(cè)。相關(guān)試驗(yàn)顯示，偏光鏡能提升相機(jī)對(duì)有光澤工件的圖像捕捉能力，特別是顏色和形狀細(xì)節(jié)。

工業(yè)相機(jī)照明中，圓型照明輔助附件對(duì)于消除工件光澤光暈至關(guān)重要。相較于偏光鏡，其在效果不佳時(shí)成為理想選擇。

3.2 防抖優(yōu)化

3.2.1 裝配線振幅采樣

在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線上方，安裝1臺(tái)工業(yè)相機(jī)及磁吸振動(dòng)傳感器，可實(shí)時(shí)收集并轉(zhuǎn)化相機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)為可分析信號(hào)。采用三軸1～200Hz加速度/位移振動(dòng)檢測(cè)傳感器，精準(zhǔn)測(cè)量相機(jī)3方向振動(dòng)。測(cè)試顯示，相機(jī)兩周期最大振動(dòng)速度為78mm/s，位移為2778μm。X軸、Y軸為振幅較小的氣缸的前和后、上和下，Z軸為輥道上工件流向。氣動(dòng)移動(dòng)對(duì)相機(jī)振動(dòng)影響顯著，共進(jìn)行3次，受到氣缸阻尼情況，速度位移振幅也隨之變化。

3.2.2 相機(jī)防抖優(yōu)化

需要先清楚使用的工業(yè)相機(jī)的工作允許振動(dòng)范圍。如相機(jī)標(biāo)稱：電子快門速度范圍為14μs～520ms，采用全幀曝光方式，感光元件CCD尺寸為1/1.8英寸（14.111mm），分辨率為640×480像素，固定刷新率為217幀/s。在程序中使用10ms曝光時(shí)間，鏡頭安裝距離為200mm。相機(jī)傳感器為正方形，帶鏡頭時(shí)可承受10～500Hz頻率下的10G振動(dòng)。

為分析此工況下防止因振動(dòng)導(dǎo)致圖像虛焦的允許每秒移動(dòng)距離，基于已知參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。先利用振動(dòng)加速度（98.1m/s2）和曝光時(shí)間（10ms）計(jì)算得出在曝光時(shí)間內(nèi)相機(jī)因振動(dòng)導(dǎo)致的最大允許移動(dòng)距離為0.981mm。接著，將此物理距離轉(zhuǎn)換為像素單位，得到最大允許像素移動(dòng)為44.5像素。

由于相機(jī)刷新率固定，振動(dòng)頻率對(duì)每秒允許最大移動(dòng)距離無直接影響。因此，將最大允許像素移動(dòng)與分辨率寬度和刷新率相乘，再轉(zhuǎn)換回毫米單位，得出每秒允許的最大移動(dòng)距離仍為0.981mm。

3.2.3 相機(jī)防抖設(shè)置

工作環(huán)境振動(dòng)難以避免，且具有隨機(jī)性，因此在使用相機(jī)時(shí)，需特別關(guān)注防抖控制。部分相機(jī)通過預(yù)置參數(shù)，特別是外部觸發(fā)拍照防抖控制參數(shù)，來規(guī)避大振動(dòng)。例如，?？低暷晨罹W(wǎng)絡(luò)相機(jī)即設(shè)有去抖和延時(shí)觸發(fā)拍照功能。另外，不規(guī)范的外部觸發(fā)，信號(hào)有毛刺尖峰，直接引入外部輸入信號(hào)控制相機(jī)，可能會(huì)誤觸發(fā)相機(jī)拍照，為了規(guī)避這種可能，所以廠家做了去抖處理選項(xiàng)。通過客戶端軟件設(shè)置去抖參數(shù)（單位μs），可有效實(shí)現(xiàn)觸發(fā)輸入信號(hào)的去抖功能。當(dāng)設(shè)置的去抖時(shí)間大于觸發(fā)信號(hào)時(shí)間時(shí)，該信號(hào)將被忽略，確保拍照準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3.3 二次開發(fā)優(yōu)化

例如，利用In–Sight軟件與PLC通訊的工業(yè)相機(jī)自動(dòng)曝光補(bǔ)償程序設(shè)計(jì)，可以在通過In–Sight軟件與PLC之間的通訊，實(shí)現(xiàn)工業(yè)相機(jī)曝光值的自動(dòng)一鍵補(bǔ)償，以便擴(kuò)大相機(jī)適應(yīng)場(chǎng)景。設(shè)計(jì)基于PLC中的組態(tài)協(xié)議，目的是通過PLC編程控制相機(jī)的曝光補(bǔ)償值，以適應(yīng)不同環(huán)境光照條件下的成像需求。

通過人工干預(yù)HMI一鍵選項(xiàng)，選擇補(bǔ)償號(hào)碼，也可以選擇不補(bǔ)償，曝光權(quán)限交回工業(yè)相機(jī)，程序得到補(bǔ)償號(hào)后，傳輸給相機(jī)調(diào)整曝光值，需人工干預(yù)時(shí)HMI一鍵補(bǔ)償。此自動(dòng)曝光補(bǔ)償程序設(shè)計(jì)適用于沒有遮光箱（罩）保護(hù)的復(fù)雜光線環(huán)境下的工業(yè)相機(jī)曝光變化補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)成像效果俱佳，避免因頻繁聯(lián)機(jī)人工調(diào)整相機(jī)引起的設(shè)備微停。

具體步驟為：①搭建PLC編程與相機(jī)通訊設(shè)置；②數(shù)據(jù)錄入與預(yù)處理；③PLC數(shù)據(jù)塊建立；④HMI選擇框建立；⑤相機(jī)曝光值映射地址關(guān)聯(lián)；⑥綜合聯(lián)調(diào)，效果跟蹤。

HMI的人工干預(yù)與一鍵補(bǔ)償：開發(fā)用戶友好的HMI界面，允許操作人員選擇此功能，根據(jù)光照傳感器對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償值、實(shí)時(shí)對(duì)光照情況進(jìn)行一鍵補(bǔ)償操作。

PLC根據(jù)HMI的指令實(shí)時(shí)更新曝光補(bǔ)償值，可以根據(jù)光線照度變化或來料反光面引起的光線變化，進(jìn)行修正，避免相機(jī)調(diào)整停機(jī)，以便減少誤判，提供更大的靈活性和適應(yīng)性。

4 工業(yè)相機(jī)誤判處置方法

4.1 誤判分類

工業(yè)相機(jī)誤判可歸納為10種主要問題類型：目標(biāo)檢測(cè)失誤、顏色識(shí)別錯(cuò)誤、運(yùn)動(dòng)模糊不清、對(duì)比度與亮度不當(dāng)、圖像噪聲干擾、邊緣模糊問題、焦距不準(zhǔn)問題、視角偏差問題、目標(biāo)重疊問題、照明環(huán)境影響等。

4.2 誤判處置方法

目標(biāo)檢測(cè)失誤可能源于目標(biāo)與背景相似、大小超預(yù)期或形狀不規(guī)則。針對(duì)這些原因，可采用光源優(yōu)化提高對(duì)比度，視覺優(yōu)化來強(qiáng)化不規(guī)則形狀特征，或優(yōu)化判定邏輯來適應(yīng)各種目標(biāo)大小和形狀。

顏色識(shí)別錯(cuò)誤通常與光源顏色和相機(jī)色彩校準(zhǔn)有關(guān)，可通過更換不同純度的光源并重新校準(zhǔn)相機(jī)色彩參數(shù)解決。

運(yùn)動(dòng)模糊和虛焦問題則需通過支架加固和防抖優(yōu)化來解決，改變安裝方式、提升防抖系統(tǒng)性能并優(yōu)化拍攝參數(shù)和算法，都能減少圖像模糊，提高穩(wěn)定性。

對(duì)比度與亮度問題可通過視覺優(yōu)化和光源優(yōu)化來改善，調(diào)整對(duì)比度和亮度，選擇合適的光源，能增強(qiáng)目標(biāo)可見性，提升圖像質(zhì)量。

圖像噪聲干擾則需優(yōu)化相機(jī)參數(shù)和圖像預(yù)處理算法，減少環(huán)境光干擾、采用預(yù)處理技術(shù)、優(yōu)化算法都能有效降低噪聲影響，提升圖像清晰度。

邊緣模糊問題則可通過鏡頭優(yōu)化和完善圖像處理算法來解決，這可提升圖像邊緣的清晰度和銳利度。

而焦距不準(zhǔn)問題可考慮采取鏡頭校準(zhǔn)、圖像處理算法來解決。

視角偏差問題可通過視角調(diào)整、變換視角拍攝來解決。而目標(biāo)重疊問題可通過目標(biāo)分離算法、分時(shí)拍攝來解決。

照明環(huán)境影響可通過重新設(shè)計(jì)光源改善圖像質(zhì)量，而圖像增強(qiáng)方面可應(yīng)用圖像增強(qiáng)預(yù)處理技術(shù)，如自適應(yīng)直方圖均衡化，或提升圖像對(duì)比度，或降低光線不佳對(duì)圖像細(xì)節(jié)的影響。

4.3 誤判處置流程

工業(yè)相機(jī)誤判處置流程如圖1所示。針對(duì)工業(yè)相機(jī)誤判問題，需先進(jìn)行誤判類別處置意見優(yōu)化。若優(yōu)化后仍有誤判現(xiàn)象，應(yīng)深入審視誤判處置前，確認(rèn)是否全面分析了工業(yè)相機(jī)的誤判原因。若未準(zhǔn)確診斷問題，則需重新評(píng)估并調(diào)整優(yōu)化策略。此外，深入進(jìn)行工業(yè)相機(jī)誤判技術(shù)分析，追溯其原理、誤判原因，以更精準(zhǔn)地解決問題。若經(jīng)過努力仍無法解決，可能需考慮項(xiàng)目設(shè)計(jì)的局限性，評(píng)估是否需重新設(shè)計(jì)或采用其他替代方案，以達(dá)到最佳視覺效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章深入剖析了工業(yè)智能相機(jī)應(yīng)用中的誤判問題，如環(huán)境光線、產(chǎn)線振動(dòng)及軟件特征信息提取等因素導(dǎo)致的成像誤判。面對(duì)這些問題，認(rèn)識(shí)到了減少試錯(cuò)成本、深入了解工藝參數(shù)并進(jìn)行適配使用的重要性。同時(shí)，通過相機(jī)照明優(yōu)化、延時(shí)曝光、人機(jī)一鍵曝光等舉措，可精準(zhǔn)地解決現(xiàn)場(chǎng)故障。