機器視覺原理解析及典型解決方案

　　機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。正是由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，人們將機器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

　　基本構(gòu)造

　　一個典型的工業(yè)機器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭、相機（包括CCD 相機和CMOS相機）、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊 / 輸入輸出單元等。

　　系統(tǒng)可再分為

　　主端電腦（Host Computer）、影像擷取卡（Frame Grabber）與影像處理器、影像攝影機、CCT鏡頭、顯微鏡頭、照明設(shè)備、Halogen光源、LED光源、高周波螢光燈源、閃光燈源、其他特殊光源、影像顯示器、LC機構(gòu)及控制系統(tǒng)、PLC、PC-Base控制器、精密桌臺、伺服運動機臺。

　　工作原理

　　機器視覺檢測系統(tǒng)采用CCD照相機將被檢測的目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如面積、數(shù)量、位置、長度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個數(shù)、合格/不合格、有/無等，實現(xiàn)自動識別功能。

　　機器視覺系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

　　照明

　　照明是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設(shè)備，所以針對每個特定的應(yīng)用實例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達到最佳效果。光源可分為可見光和不可見光。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈?？梢姽獾娜秉c是光能不能保持穩(wěn)定。如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實用化過程中急需要解決的問題。另一方面，環(huán)境光有可能影響圖像的質(zhì)量，所以可采用加防護屏的方法來減少環(huán)境光的影響。照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向照明是被測物放在光源和攝像機之間，它的優(yōu)點是能獲得高對比度的圖像。前向照明是光源和攝像機位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝。結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測物的三維信息。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機拍攝要求與光源同步。

　　鏡頭

　　FOV（Field Of Vision）=所需分辨率*亞象素*相機尺寸/PRTM（零件測量公差比）鏡頭選擇應(yīng)注意：①焦距②目標高度 ③影像高度 ④放大倍數(shù) ⑤影像至目標的距離 ⑥中心點 /節(jié)點 ⑦畸變

　　相機

　　按照不同標準可分為：標準分辨率數(shù)字相機和模擬相機等。要根據(jù)不同的實際應(yīng)用場合選不同的相機和高分辨率相機：線掃描CCD和面陣CCD；單色相機和彩色相機。

　　圖像采集卡

　　圖像采集卡只是完整的機器視覺系統(tǒng)的一個部件，但是它扮演一個非常重要的角色。圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等等。

　　比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計算機存儲器進行處理。有些采集卡有內(nèi)置的多路開關(guān)。例如，可以連接8個不同的攝像機，然后告訴采集卡采用那一個相機抓拍到的信息。有些采集卡有內(nèi)置的數(shù)字輸入以觸發(fā)采集卡進行捕捉，當(dāng)采集卡抓拍圖像時數(shù)字輸出口就觸發(fā)閘門。

　　視覺處理器

　　視覺處理器集采集卡與處理器于一體。以往計算機速度較慢時，采用視覺處理器加快視覺處理任務(wù)?，F(xiàn)在由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲器，而且計算機也快多了，所以現(xiàn)在視覺處理器用的較少了。

　　應(yīng)用領(lǐng)域

　　機器視覺的應(yīng)用主要有檢測和機器人視覺兩個方面：

　　1. 檢測：又可分為高精度定量檢測（例如顯微照片的細胞分類、機械零部件的尺寸和位置測量）和不用量器的定性或半定量檢測（例如產(chǎn)品的外觀檢查、裝配線上的零部件識別定位、缺陷性檢測與裝配完全性檢測）。

　　2. 機器人視覺：用于指引機器人在大范圍內(nèi)的操作和行動，如從料斗送出的雜亂工件堆中揀取工件并按一定的方位放在傳輸帶或其他設(shè)備上（即料斗揀取問題）。至于小范圍內(nèi)的操作和行動，還需要借助于觸覺傳感技術(shù)。

　　此外還有：（1）自動光學(xué)檢查（2）人臉偵測（3）無人駕駛汽車

　　機器視覺特性

　　1.攝像機的拍照速度自動與被測物的速度相匹配，拍攝到理想的圖像；

　　2.零件的尺寸范圍為2.4mm到12mm，厚度可以不同；

　　3.系統(tǒng)根據(jù)操作者選擇不同尺寸的工件，調(diào)用相應(yīng)視覺程序進行尺寸檢測，并輸出結(jié)果；

　　4.針對不同尺寸的零件，排序裝置和輸送裝置可以精確調(diào)整料道的寬度，使零件在固定路徑上運動并進行視覺檢測；

　　5.機器視覺系統(tǒng)分辨率達到1600×1200，動態(tài)檢測精度可以達到0.02mm；

　　6.廢品漏檢率為0；

　　7.本系統(tǒng)可通過顯示圖像監(jiān)視檢測過程，也可通過界面顯示的檢測數(shù)據(jù)動態(tài)查看檢測結(jié)果；

　　8.具有對錯誤工件及時準確發(fā)出剔除控制信號、剔除廢品的功能；

　　9.系統(tǒng)能夠自檢其主要設(shè)備的狀態(tài)是否正常，配有狀態(tài)指示燈；同時能夠設(shè)置系統(tǒng)維護人員、使用人員不同的操作權(quán)限；

　　10.實時顯示檢測畫面，中文界面，可以瀏覽最近幾次不合格品的圖像，具有能夠存儲和實時察看錯誤工件圖像的功能；

　　11.能生成錯誤結(jié)果信息文件，包含對應(yīng)的錯誤圖像，并能打印輸出。

　　應(yīng)用實例

　　1. 基于機器視覺的儀表板總成智能集成測試系統(tǒng)

　　EQ140-II汽車儀表板總成是我國某汽車公司生產(chǎn)的儀表產(chǎn)品，儀表板上安裝有速度里程表、水溫表、汽油表、電流表、信號報警燈等，其生產(chǎn)批量大，出廠前需要進行一次質(zhì)量終檢。檢測項目包括：檢測速度表等五個儀表指針的指示誤差；檢測24個信號報警燈和若干照明9燈是否損壞或漏裝。一般采用人工目測方法檢查，誤差大，可靠性差，不能滿足自動化生產(chǎn)的需要?；跈C器視覺的智能集成測試系統(tǒng)，改變了這種現(xiàn)狀，實現(xiàn)了對儀表板總成智能化、全自動、高精度、快速質(zhì)量檢測，克服了人工檢測所造成的各種誤差，大大提高了檢測效率。

　　整個系統(tǒng)分為四個部分：為儀表板提供模擬信號源的集成化多路標準信號源、具有圖像信息反饋定位的雙坐標CNC系統(tǒng)、攝像機圖像獲取系統(tǒng)和主從機平行處理系統(tǒng)。

　　2. 金屬板表面自動控傷系統(tǒng)

　　金屬板如大型電力變壓器線圈扁平線收音機朦朧皮等的表面質(zhì)量都有很高的要求，但原始的采用人工目視或用百分表加控針的檢測方法不僅易受主觀因素的影響，而且可能會繪被測表面帶來新的劃傷。金屬板表面自動探傷系統(tǒng)利用機器視覺技術(shù)對金屬表面缺陷進行自動檢查，在生產(chǎn)過程中高速、準確地進行檢測，同時由于采用非接角式測量，避免了產(chǎn)生新劃傷的可能。其工作原理圖如圖8-6所示；在此系統(tǒng)中，采用激光器作為光源，通過針孔濾波器濾除激光束周圍的雜散光，擴束鏡和準直鏡使激光束變?yōu)槠叫泄獠⒁?5度的入射角均勻照明被檢查的金屬板表面。金屬板放在檢驗臺上。檢驗臺可在X、Y、Z三個方向上移動，攝像機采用 TCD142D型2048線陳CCD，鏡頭采用普通照相機鏡頭。CCD接口電路采用單片機系統(tǒng)。主機PC機主要完成圖像預(yù)處理及缺陷的分類或劃痕的深度運算等，并可將檢測到的缺陷或劃痕圖像在顯示器上顯示。CCD接口電路和PC機之間通過RS-232口進行雙向通訊，結(jié)合異步A/D轉(zhuǎn)換方式，構(gòu)成人機交互式的數(shù)據(jù)采集與處理。

　　該系統(tǒng)主要利用線陣CCD的自掃描特性與被檢查鋼板X方向的移動相結(jié)合，取得金屬板表面的三維圖像信息。

　　3. 汽車車身檢測系統(tǒng)

　　英國ROVER汽車公司800系列汽車車身輪廓尺寸精度的100%在線檢測，是機器視覺系統(tǒng)用于工業(yè)檢測中的一個較為典型的例子，該系統(tǒng)由62個測量單元組成，每個測量單元包括一臺激光器和一個CCD攝像機，用以檢測車身外殼上288個測量點。汽車車身置于測量框架下，通過軟件校準車身的精確位置。

　　測量單元的校準將會影響檢測精度，因而受到特別重視。每個激光器/攝像機單元均在離線狀態(tài)下經(jīng)過校準。同時還有一個在離線狀態(tài)下用三坐標測量機校準過的校準裝置，可對攝像頂進行在線校準。

　　檢測系統(tǒng)以每40秒檢測一個車身的速度，檢測三種類型的車身。系統(tǒng)將檢測結(jié)果與人、從CAD模型中撮出來的合格尺寸相比較，測量精度為±0.1mm。　ROVER的質(zhì)量檢測人員用該系統(tǒng)來判別關(guān)鍵部分的尺寸一致性，如車身整體外型、門、玻璃窗口等。實踐證明，該系統(tǒng)是成功的，并將用于ROVER公司其它系統(tǒng)列汽車的車身檢測。

　　4. 紙幣印刷質(zhì)量檢測系統(tǒng)：該系統(tǒng)利用圖像處理技術(shù)，通過對紙幣生產(chǎn)流水線上的紙幣20多項特征（號碼、盲文、顏色、圖案等）進行比較分析，檢測紙幣的質(zhì)量，替代傳統(tǒng)的人眼辨別的方法。

　　5. 智能交通管理系統(tǒng)：通過在交通要道放置攝像頭，當(dāng)有違章車輛（如闖紅燈）時，攝像頭將車輛的牌照拍攝下來，傳輸給中央管理系統(tǒng)，系統(tǒng)利用圖像處理技術(shù)，對拍攝的圖片進行分析，提取出車牌號，存儲在數(shù)據(jù)庫中，可以供管理人員進行檢索。

　　6.金相分析：金相圖象分析系統(tǒng)能對金屬或其它材料的基體組織、雜質(zhì)含量、組織成分等進行精確、客觀地分析，為產(chǎn)品質(zhì)量提供可靠的依據(jù)。

　　7. 醫(yī)療圖像分析：血液細胞自動分類計數(shù)、染色體分析、癌癥細胞識別等。

　　8. 瓶裝啤酒生產(chǎn)流水線檢測系統(tǒng)：可以檢測啤酒是否達到標準的容量、啤酒標簽是否完整

　　9. 大型工件平行度、垂直度測量儀：采用激光掃描與CCD探測系統(tǒng)的大型工件平行度、垂直度測量儀，它以穩(wěn)定的準直激光束為測量基線，配以回轉(zhuǎn)軸系，旋轉(zhuǎn)五角標棱鏡掃出互相平行或垂直的基準平面，將其與被測大型工件的各面進行比較。在加工或安裝大型工件時，可用該認錯器測量面間的平行度及垂直度。

　　10. 螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測器件：以頻閃光作為照明光源，利用面陳和線陳CCD作為螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測器件，實現(xiàn)熱軋螺紋鋼幾何參數(shù)在線測量的動態(tài)檢測系統(tǒng)。

　　11.軸承實時監(jiān)控：視覺技術(shù)實時監(jiān)控軸承的負載和溫度變化，消除過載和過熱的危險。將傳統(tǒng)上通過測量滾珠表面保證加工質(zhì)量和安全操作的被動式測量變?yōu)橹鲃邮奖O(jiān)控。

　　12. 金屬表面的裂紋測量：用微波作為信號源，根據(jù)微波發(fā)生器發(fā)出不同波濤率的方波，測量金屬表面的裂紋，微波的波的頻率越高，可測的裂紋越狹小。

　　附：工業(yè)自動化的機器視覺解決方案

　　當(dāng)前工業(yè)工廠自動化需要機器視覺來快速準確檢測檢查生產(chǎn)線，確保高質(zhì)量控制。這些穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)需要從簡單線路到 10 兆像素傳感器的各種圖像及輸出協(xié)議。Xilinx All Programmable 解決方案與 Zynq?-7000 All Programmable SoC 平臺支持各種機器視覺接口，如 GigEVision、基于 LVDS 的 CameraLink 以及新興 USB3 技術(shù)等。單芯片處理技術(shù)可提供高度靈活的 IO 結(jié)構(gòu)，而雙核 Cortex A9 處理器則支持分析與系統(tǒng)軟件。

　　Xilinx 智能解決方案不僅包括 All Programmable FPGA 和 SoC，而且還含有一系列可定制的 SmartCORE 和 LogiCORE IP 核，能夠充分滿足您獨特的市場需求。Xilinx Vivado? Design Suite配合高度集成的開發(fā)工具流程，并采用 OpenCV 庫、Vivado 高層次綜合和 IP Integrator，與 AISC 和 ASSP 解決方案相比，可更加快速靈活地向市場推出最具差異化的產(chǎn)品，同時降低風(fēng)險和擁有成本。

　　下圖主要演示圖像處理、分析、定制 IP 以及高靈活機器視覺接口在單芯片上的集成實例，其可大幅降低材料清單成本，顯著提高系統(tǒng)性能。