機器視覺的概念引入和主要應用

在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產中，涉及到各種各樣的檢查、測量和零件識別應用，例如汽車零配件尺寸檢查和自動裝配的完整性檢查，電子裝配線的元件自動定位，飲料瓶蓋的印刷質量檢查，產品包裝上的條碼和字符識別等。這類應用的共同特點是連續(xù)大批量生產、對外觀質量的要求非常高。

通常這種帶有高度重復性和智能性的工作只能靠人工檢測來完成，我們經常在一些工廠的現(xiàn)代化流水線后面看到數(shù)以百計甚至逾千的檢測工人來執(zhí)行這道工序，在給工廠增加巨大的人工成本和管理成本的同時，仍然不能保證100%的檢驗合格率（即“零缺陷”），而當今企業(yè)之間的競爭，已經不允許哪怕是0.1%的缺陷存在。有些時候，如微小尺寸的精確快速測量，形狀匹配，顏色辨識等，用人眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地進行，其它物理量傳感器也難有用武之地。這時，人們開始考慮把計算機的快速性、可靠性、結果的可重復性，與人類視覺的高度智能化和抽象能力相結合，由此產生了機器視覺的概念。 一般地說，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。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(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如：面積、長度、數(shù)量、位置等；最后，根據(jù)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(shù)、合格/不合格、有/無等。機器視覺的特點是自動化、客觀、非接觸和高精度，與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比，機器視覺強調的是精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。 機器視覺極適用于大批量生產過程中的測量、檢查和辨識，如：零件裝配完整性，裝配尺寸精度，零件加工精度，位置/角度測量，零件識別，特性/字符識別等。其最大的應用行業(yè)為：汽車，制藥，電子與電氣，制造，包裝/食品/飲料，醫(yī)學。如對汽車儀表盤加工精度的檢查，高速貼片機上對電子元件的快速定位，對管腳數(shù)目的檢查，對IC表面印字符的辨識，膠囊生產中對膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查，軸承生產中對滾珠數(shù)量和破損情況的檢查，食品包裝上面對生產日期的辨識，對標簽貼放位置的檢查。

目前，國際上視覺系統(tǒng)的應用方興未艾，1998年的市場規(guī)模為46億美元，而在國內，工業(yè)視覺系統(tǒng)尚處于概念導入期，各行業(yè)的領先企業(yè)在解決了生產自動化的問題以后，已開始將目光轉向視覺測量自動化方面。 機器視覺的系統(tǒng)構成和分類 典型的視覺系統(tǒng)一般包括如下部分：光源，鏡頭，CCD照相機，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。視覺系統(tǒng)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(shù)據(jù)。上位機如PC和PLC實時獲得檢測結果后，指揮運動系統(tǒng)或I/O系統(tǒng)執(zhí)行相應的控制動作，如定位和分選。從視覺系統(tǒng)的運行環(huán)境分類，可分為PC-BASED系統(tǒng)和PLC-BASED系統(tǒng)?；赑C的系統(tǒng)利用了其開放性，高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時系統(tǒng)總體成本較低。以美國DATA TRANSLATION公司為例，系統(tǒng)內含高性能圖像捕獲卡,一般可接多個鏡頭，配套軟件方面，從低到高有幾個層次，如Windows95/98/NT環(huán)境下C/C++編程用DLL，可視化控件activeX提供VB和VC++下的圖形化編程環(huán)境， 甚至Windows下的面向對象的機器視覺組態(tài)軟件，用戶可用它快速開發(fā)復雜高級的應用。在基于PLC的系統(tǒng)中，視覺的作用更像一個智能化的傳感器，圖像處理單元獨立于系統(tǒng)，通過串行總線和I/O與PLC交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件一般利用高速專用ASIC或嵌入式計算機進行圖像處理，系統(tǒng)軟件固化在圖像處理器中，通過類似于游戲鍵盤的簡單裝置對顯示在監(jiān)視器中的菜單進行配置，或在PC上開發(fā)軟件然后下載。基于PLC的系統(tǒng)體現(xiàn)了可靠性高、集成化，小型化、高速化、低成本的特點，代表廠商為日本松下、德國Siemens等。

舉例如下:

1. 項目：檢查煙盒的印刷圖案在盒體和翻蓋的連接處是否匹配 速度：8-10只/秒 好處：代替人工，高速度。

2. 項目：檢查放在底盤上的餅干的形狀（是否破碎）和完整性（是否有缺失） 速度：16塊/秒 好處：保證每一塊餅干在包裝前形狀完整。

3. 項目：化妝品瓶子外觀質量的最終檢查 i. 標簽種類 ii. 標簽位置和偏移量 iii. 瓶子的種類 iv. 蓋子是否蓋緊 速度：20個/秒 好處：只有外觀最完美的產品才能離開灌裝線，標簽和瓶子內容完全對應。

4. 項目：灌裝線上啤酒瓶檢測 i. 瓶體分類 ii. 標簽檢查 iii. 瓶口破損檢測 iv. 灌裝液位測量 速度：25只/秒，支持靜態(tài)和動態(tài)測量 好處：減少系統(tǒng)停機時間，提高效率。

5. 項目：標簽印刷是否與實物相符 i. 印刷代碼識別（OCR） ii. 印刷質量檢查 iii. 表面檢測 iv. 外形輪廓檢查 速度：10件/秒，支持靜態(tài)和動態(tài)測量

6. 項目：旋開式瓶蓋內襯墊測量 i. 內襯墊本身完整性（多料/少料） ii. 油污檢測 速度：16個/秒

7. 項目：皇冠式瓶蓋印刷質量測量 i. 圖案是否印偏 ii. 圖案是否模糊 速度：10個/秒

8. 項目：口服液瓶尺寸和外觀檢查 i. 瓶高，瓶口直徑，垂直度 ii. 瓶口裂紋 速度：10個/秒.

結論:總之，應用機器視覺系統(tǒng)能夠大幅降低檢驗成本，提高產品質量，加快生產速度和效率。作為高精度、非接觸的測量方案，視覺系統(tǒng)涉及到光學和圖像處理算法，本身就是高度專業(yè)化的產品，在整個測量控制系統(tǒng)中，往往要與運動控制系統(tǒng)配合完成位置矯正和進給控制；另外，生產線上對多工序進行同步連續(xù)檢測時，必須使視覺系統(tǒng)具備分布式聯(lián)網能力。機器視覺與運動控制，網絡通訊等先進技術的結合正在改變工業(yè)自動化生產的面貌。目前國內已經出現(xiàn)了像北京四通電機公司這樣的具備運動控制，機器視覺，網絡通訊幾方面技術背景的系統(tǒng)集成商，他們專業(yè)化的技術支持和服務能力使之成為原始供應商和最終用戶之間的橋梁。而對包裝企業(yè)來說，意識到技術發(fā)展的趨勢并首先付諸實施者無疑將走在競爭的前列。 (end)