机器人技术及其应用第7章 机器人视觉及其应用

７.２.２ CCD 原理
视觉信息通过视觉传感器转换成电信号。 在空间采样和幅值化后， 这些信号 就形成了一幅数字图像。机器人视觉使用的主要部件是电视摄像机， 它由摄像管 或固态成像传感器及相应的电子线路组成。 这里我们只介绍光导摄像管的工作原 理， 因为它是普遍使用的并有代表性的一种摄像管。 固态成像传感器的关键部分 有两种类型， 一种是电荷耦合器件 （CCD）， 另一种是电荷注入器件 （CID）。 与具有摄像管的摄像机相比， 固态成像器件有若干优点： 它重量轻、 体积小、 寿命长、 功耗低。 不过， 某些摄像管的分辨率仍比固态摄像机高。
机器人视觉的概念： 机器人视觉是指用视觉传感器， 结合计算机技术实现人类的视觉功能， 也就 是对三维场景进行感知、 识别和理解。 机器人视觉的主要目标： 机器人视觉的主要目标是建立机器人视觉系统， 完成各种视觉任务。
机器人视觉系统的组成及其原理
机器人视觉系统的硬件由下述几个部分组成： １） 景物和距离传感器。 常用的有摄像机、 CCD 图像传感器、 超声波传感 器和结构光设备等。 ２） 视频信号数字化设备。 其任务是把摄像机或 CCD 输出的信号转换成方 便计算和分析的数字信号。 ３） 视频信号快速处理器。 其是视频信号实时、 快速、 并行算法的硬件实 现设备， 如 DSP 系统。 ４） 计算机及其外设。 根据系统的需要可以选用不同的计算机及其外设来满 足机器人视觉信息处理及机器人控制的需要。 ５） 机器人及其控制器。
机器人视觉按照摄像机的数目不同， 可分为单目视觉、 双目视觉和多目视觉； 按照摄像机放置位置的不同， 可分为固定摄像机系统 （Eye-to-hand 结构） 和 手眼系统 （Eye-in-hand 结构）。
机器人视觉 系统的组成
及其原理
机器人视觉系统的组成及其原理
７.２.１ 机器人视觉系统的硬件
随着大规模集成电路技术的发展， 计算机内存的体积不断缩小， 价格急剧下 降， 速度不断提高， 视觉系统也走向了实用化。 随着计算机技术、 传感器技术 和数字化技术飞速发展， 实用的视觉系统已经进入各个领域。 现阶段， 利用机器 视觉技术， 机器人可以取代人工完成一些在恶劣工况条件下的作业任务 （如焊接、 喷涂等） 和一些重复性的作业 （比如包装、 码垛等等）。
机器人视觉系统的组成及其原理
由图 ７⁃１ａ 可以看出， 光导摄像管外面是一圆柱形玻璃外壳 ２， 内部有位 于一端的电子枪 ７ 以及位于另一端的屏幕 １ 和靶。加在图 ７⁃１ａ 所示线圈 ６、 ９ 上的电压将电子束聚焦并使其偏转。 偏转电路驱使电子束对靶的内表面扫描以 便 “读取” 图像， 具体过程如下所述。
智能机器人为了具有人的一部分智能， 像前文所述的必须了解周围的环境， 获取机器人周围世界的信息。 人们为了从外界环境获取信息， 一般是通过视觉、 触觉、 听觉等感觉器官来进行的， 也就是说如果想要赋予机器人较为高级的智能， 那么离开视觉系统是无法做到的。 第一代工业机器人只能按照预先规定的动作往 返操作， 一旦工作环境变化， 机器就不能胜任工作。 这是因为第一代机器人没有 视觉系统， 无法感知周围环境和工作对象的情况。 因此对于智能机器人来说， 视 觉系统是必不可少的。
概述
从 ２０ 世纪 ６０ 年代开始， 人们便着手研究机器人的视觉系统。 一开始只 能识别平面上的类似积木的物体。到了 ２０ 世纪 ７０ 年代， 已经可以认识某些 加工部件， 也能认识室内的桌子、 电话等物品了。 当时的研究工作虽然进展很快， 但无法应用于实际。 这是因为视觉系统的信息量极大， 处理这些信息的硬件系统 十分庞大， 花费的时间也很长。
第七章
机器人视觉及其应用
目录 Contents
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 第八节 第九节
概述 机器人视觉系统的组成及其原理 视觉信息的处理 数字图像的编码 双目视觉和多目视觉 手眼视觉系统 机器人视觉伺服系统 机器人视觉系统应用举例 小结
概述
概述
每个人都能体会到， 眼睛对人来说是多么的重要。 可以说人类从外界获得的 信息，大多数都是通过眼睛得到的。 人类视觉细胞的数量大约 １０８ 数量级， 是 听觉细胞的 ３０００多倍， 是皮肤感觉细胞的 １００ 多倍。 从这个角度来说， 也可以看出视觉系统的重要性。 至于视觉的应用范围， 简直可以说是包罗万象。
１—屏幕
２—玻璃外壳
３—光敏层 ４—网格
５—电子束 ６—光束聚焦线圈
７—电子枪 ８—管脚
９—光束偏转线圈
图７内表面镀有一层透明的金属薄膜， 它构成一个电极， 视频电信号 可从此电极上获得。 一层很薄的光敏靶附着在金属膜上， 这一层由一些极小的球 状体组成， 球状体的电阻反比于光的强度。 在光敏靶的后面有一个带正电荷的细 金属网， 它使电子枪发射出的电子减速， 以接近于零的速度到达靶面。 在正常工 作时， 将正电压加在屏幕的金属镀膜上。 在无光照时， 光敏材料呈现绝缘体特性， 电子束在靶的内表面上形成一个电子层以平衡金属膜上的正电荷。
机器人视觉系统的组成及其原理
机器人视觉系统的软件由以下几个部分组成： １） 计算机系统软件。 选用不同类型的计算机， 就有不同的操作系统和它所 支持的各种语言、 数据库等。 ２） 机器人视觉信息处理算法。 图像预处理、 分割、 描述、 识别和解释等 算法。 ３） 机器人控制软件。
机器人视觉系统的组成及其原理
概述
众所周知， 人的视觉通常是识别环境对象的位置坐标、 物体之间的相对位置、 物体的形状颜色等， 由于人们生活在一个三维的空间里， 所以机器人的视觉也必 须能够理解三维空间的信息， 即机器人的视觉与文字识别或图像识别是有区别的， 它们的区别在于机器人视觉系统需要处理三维图像， 不仅需要了解物体的大小、 形状， 还要知道物体之间的关系。 为了实现这个目标， 要克服很多困难。 因为 视觉传感器只能得到二维图像，那么从不同角度上来看同一物体， 就会得到不同 的图像。 光源的位置不同， 得到的图像的明暗程度与分布情况也不同； 实际的物 体虽然互不重叠， 但是从某一个角度上看， 却能得到重叠的图像。 为了解决这个 问题， 人们采取了很多的措施， 并在不断地研究新方法。