關鍵詞： 成像 , 機電產品 , 機器 , 視覺

近年來，計算機技術不斷進步，使得圖像采集成為一種廣為使用的測量數據來源，從而推動了計算機自動機器視覺與科學成像技術在電子產品撿測技術有了新的突破，所以才會有”任何通過人來完成的檢測過程都適合于用機器視覺技術來代替”新機理.這是因為與機器相比，人有情緒，會疲勞，故把人用作機器是不可靠的，因此該新機理的出現是必然的.

機器視覺系統

機器視覺系統一般包括光源、鏡頭、CCD照相機、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像處理軟件、監視器、通訊/輸入輸出單元等。機器視覺系統組成示意見圖1(a)，實際例舉示意見圖1(b)。
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圖1(a) 機器視覺系統基本組成示意框圖圖1(b) 機器視覺系統使用組成列舉—基于PC的視覺系統基本組成示意圖

光源：與視覺傳感器的照明因素一樣，它是影響機器視覺系統輸入的重要因素，它直接影響輸入數據的質量和應用效果。針對每個特定的應用實例，要選擇相應的照明裝置，以達到最佳效果。其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。另一方面，環境光有可能影響圖像的質量，所以可采用基于PC的方案主要針對電子生產測試設備，其優點是高性能、高靈活度和高性價比，十分適合于高難度、高分辨率和高速的機器視覺應用。

所以可采用加防護屏的方法來減少環境光的影響。照明系統按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結構光和頻閃光照明等。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，這種方式便于安裝。結構光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據它們產生的畸變，解調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：鏡頭選擇應注意焦距，目標高度，影像高度，放大倍數，影像至目標的距離，中心點 / 節點與畸變.

相機：按照不同標準可分為標準分辨率數字相機和模擬相機等。要根據不同的實際應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。

圖象采集卡：圖像采集卡只是完整的機器視覺系統的一個部件，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、數字等。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。有些采集卡有內置的多路開關。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。有些采集卡有內置的數字輸入以觸發采集卡進行捕捉，當采集卡抓拍圖像時數字輸出口就觸發閘門。

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。現在由于采集卡可以快速傳輸圖象到存儲器，而且計算機也快多了，所以現在視覺處理器用的較少了。

工作過程：視覺系統的輸出并非圖像視頻信號，而是經過運算處理之后的檢測結果(如尺寸數據)。通常，機器視覺測試就是用機器代替肉眼來做測量和判斷.首先采用CCD照相機將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號。圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如：面積、長度、數量、位置等。最后，根據預設的容許度和其他條件輸出結果，如：尺寸、角度、偏移量、個數、合格/不合格、有/無等。上位機(如PC和PLC)實時獲得檢測結果后，指揮運動系統或I/O系統執行相應的控制動作(如定位和分類)。

機器視覺是新興的自動化市場，之所以這么說，主要機器視覺技術實際上就是利用攝像機替代人眼，圖像處理軟件替代大腦對生產線上產品進行質量檢驗或識別，它基本上由光源、鏡頭、攝像機、圖像采集卡、圖像處理器/軟件以及必要的I/O所組成。機器視覺檢驗具有極高的效率、重復性以及精度，并且在很多情況下是人眼所無法替代的。視覺系統可以快速、準確和高可重復性地自動完成諸如部件測量和檢查的工作，這樣就可以幫助制造商提高產品質量和生產力。視覺系統在制造過程中的每一步都可以生成有價值的監測數據，這同時也可以幫助控制工程師擴展過程診斷的功能

計算機自動機器視覺的應用大致上可以分成定位、量測、識別、缺陷檢測四大類，其中以定位的應用最為廣泛。機器視覺系統可以用來檢視主機板上的電子組件，也可以用來控制機械手臂，在機械手臂上加裝CCD，利用影像辨識的定位，帶動機械手臂來做病毒研究、藥物混合等.一些高危險性的醫療研究。除了精準之外，對人類的生命也比較有安全保障。

可見機器視覺檢測的速度和精確度成為機電子產品檢測的新途徑，這取決于以下二種類型的糸統所具特征優勢。其一為圖像采集的系統組件與應用軟件，其二為生產車間標準的機器視覺糸統。

圖像采集系統組件與軟件

圖像采集系統組件有圖像采集硬件、驅動軟件和應用軟件。硬件可提供圖像捕獲、定時和控制功能;驅動軟件通過一個標準的APl接口對硬件進行操作;應用軟件可以將硬件和驅動軟件結合到特定應用的解決方案中，并大大縮短開發時間。

圖像采集(IMAQ)驅動軟件又是支持Windows2000/NT/XP/Me/9x的IMAQ硬件的完全圖象采集驅動軟件。它支持所有IMAQ的硬件，可在LabVlEW，LabWindows/CVI，Measurement Studio(VisualBasic和Visual C++)中任意調用

應用開發軟件具有以下模塊：

·視覺開發模塊(Vision Development Module)

視覺開發模塊，是專為開發機器視覺和科學成像應用的工程師及科學家而設計。該模塊包括視覺生成器(Vision Builder)和IMAQ視覺(1MAQVision)兩部分。其中視覺生成器是交互式環境，它讓開發人員無需編程，即能快速完成視覺應用的模型建立。 IMAQ視覺是—套包含各種圖像處理函數的功能庫。

與其他視覺產品不同，視覺生成器和IMAQ視覺軟件配合工作，能簡化視覺系統的軟件開發工作。視覺生成器能夠自動產生一個在LabVIEW環境下使用的IMAQ視覺框圖(見圖2)，框圖包括與在視覺生成器中所進行—系列操作相同的功能。可將此框圖集成到自動化或產品測試應用中，以便系統可以同時支持多種功能，如：運動控制，儀器控制，或數據采集。還可以安裝LabVlEWRT，充分利用嵌入式系統功能，這將帶來更高的穩定性和靈活性，及使用簡易性。
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圖2 視覺框圖

·光學字符辨認軟件(OCR)

OCR 軟件是基于計算機的工業用字符辨認軟件，用來在工業處理變化不良質量圖像的情況下，仍提供高速、可靠的字體閱讀性能。OCR提供簡單易用的功能來閱讀文字字母。典型的應用包括辨認半導體芯片上的序列號、元件、電子封裝、磁盤磁頭、及其他小型元件。OCR軟件是1MAQVision的附加工具套件。

·自動檢測視覺生成器

自動檢測視覺生成器是—種可配置的機器視覺軟件，可利用它完成模型建立，基準設定和應用程序配置等實際應用。自動檢測視覺生成器，無需編程即可升級到強大的編程環境：如LabVIEW中。它帶有內置式開發界面，因此能迅速完成監視，指導和鑒定應用。該軟件還包括能夠建立復雜通過/失敗判斷，數字I/O設備控制和與PLC等串行設備通訊等程序應用的功能。利用檢測視覺生成器，能完成：在交互式，菜單驅動的環境下開發機器視覺應用;自動生成LabVlEW代碼; 控制數字I/O，PLC和其他串行設備;利用PCI和PXI圖像采集設備和1394總線的工業像機采集圖像硬件。

機器視覺系統應用舉例

在機電產品生產線上的應用

通過配置機器視覺和圖象處理的硬件部分，并提供相應的二次開發的軟件平臺，使制造商的工程師可以針對自已的產品，較容易的進行視覺識別軟件開發，為—般的生產線提供較為靈活和價格相對便宜的機器視覺檢測系統。如在生產自動線上對各不同規格軟盤定位孔尺寸作精確的檢測;又如電氣電子裝配中連接器的引腳間距、數目，以及進行條形碼的驗證和標簽的檢測等;并及時發現生產線上的錯誤并提高直通率，對每個線路板進入和離開每個流程式進行跟蹤，為生產線產量的優化和有效的缺陷分析提供足夠的數據。

圖3為機器視覺與科學成像技術應用示意圖。
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圖3 機器視覺與科學成像技術及設備及應用示意圖

·生產車間標準的機器視覺糸統

該視覺系統提供了一整套完整強大有效的檢測工具，表面質量檢驗，尺寸測量，導向定位，光學字符校驗和閱讀，二維碼閱讀。例如：其中的PATFIND定位功能提供了高精度和絕對可靠性，特別是在極其惡劣的制造環境下，如不良的燈光，或工件外觀不斷改變的情況下，亦能保證達到其測量精度，保證測量的重復性和可靠性，同時可通過各種參數的優化設置，快速達到檢測的目的。圖4為工件定位精度與尺寸測量示例圖。
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圖4 用生產車間的視覺系統對工作定位孔與尺寸精度測量示例圖

該一體式的用戶環境是集成的視覺系統用戶開發環境，類似Windows界面，它不但可更有效的進行程式開發，并提供強大的系統管理工具，使得程序設置，監控和系統管理更簡單，這種視覺系統所提供的簡單實用的網絡型開發環境，使得基于生產車間的低成本用戶更快速地開發項目。

·快速，簡易的軟件設置

該視覺系統不需高級語言編程，只需通過Excell表單界面進行設定操作，既快速又簡易，并可在線根據產品的不同特性修改和完善程式參數，同時表單可以直接用來完成運行時的友好用戶界面。

·網絡使使用更簡單

不管是系統的遠程操控，數據的集中處理，還是簡單的糸統組網，內置的以太網接口使得一切都變簡單了。系統支持各類標準的網絡協議和總線協議，使用這些都不需通過額外的連接工具就可直接連接到PLC等上位機進行操控。

機器視覺使探針制造與電子連接器制造中的檢測實現100%自動檢查

由于探針的外部形狀對于成功的晶圓級測試操作十分重要，探針制造過去采用的是手動視頻檢測和光學比較儀結合的方法，為探針板制造上提供符合各項嚴格要求的探針。但是隨著IC芯片的產量和對于探針的需求不斷增加，這個過程顯得過于耗費人力。探針檢查占了整個制造時間的很大一部分，因此需要進行自動化改造. 帶有運動控制的機器視覺系統集成到自動探針檢查中，從而實現了更快的檢測速度和更高的精度，也使得整個系統更加易于操作。該系統能夠自動記錄每次檢測(圖 5)，同時提高其可重復性，并能夠提供反饋信息，方便了流程的改進。從而大大減少檢查時間。
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圖5 機器視覺系統應用在探針制造檢測過程中示意圖

機器視覺與科學成像技術發展的新要求

檢測的速度和效率應在機器視覺檢測系統的易操作性和低成本維護，編程和程序維護的難易程度、人機操作交互界面掌握和使用的難易上清晰地表現出來，一句話簡單易用。

應有堅固的實時緊湊視覺(CompactVision)系統。

它能為各種監測，校準，測定和識別應用提供具有靈活性，集成性和堅固性的系統。結合3個FireWire接口的高性能處理器使堅固的實時緊湊視覺系統可以應付任何監測工作。可選的多種數字I/O使系統可以和范圍廣泛的自動化設備通信，包括PLC、繼電器和機器人。并經過設計，系統可在制造環境中常見的極端工作溫度下工作。將不再受限于傳統智能攝像機有限的圖像處理能力，傳感器尺寸和傳感器的速度。

這種堅固的實時緊湊視覺系統是一個通用視覺系統，包括LabVlEW、IMAQ VisionBuilder軟件，可以快速建立模型、IMAQ Vision軟件、OCR軟件、高性能圖像采集、照相機、鏡頭、以及通用電源等。軟件、硬件、與照相機的設計相互配合，可以更快速的進行使用開發。 ?