機(jī)器視覺原理解析及典型解決方案

　　機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來(lái)替代人工視覺；同時(shí)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(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。正是由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，人們將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。

　　基本構(gòu)造

　　一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭、相機(jī)（包括CCD 相機(jī)和CMOS相機(jī)）、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(jī)、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(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、PLC、PC-Base控制器、精密桌臺(tái)、伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)臺(tái)。

　　工作原理

　　機(jī)器視覺檢測(cè)系統(tǒng)采用CCD照相機(jī)將被檢測(cè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，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(hào)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長(zhǎng)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(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無(wú)等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別功能。

　　機(jī)器視覺系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

　　照明

　　照明是影響機(jī)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(jī)器視覺照明設(shè)備，所以針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)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(diǎn)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(shí)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(hù)屏的方法來(lái)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(cè)物放在光源和攝像機(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對(duì)比度的圖像。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測(cè)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(cè)物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測(cè)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(jī)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(jī)尺寸/PRTM（零件測(cè)量公差比）鏡頭選擇應(yīng)注意：①焦距②目標(biāo)高度 ③影像高度 ④放大倍數(shù) ⑤影像至目標(biāo)的距離 ⑥中心點(diǎn) /節(jié)點(diǎn) ⑦畸變

　　相機(jī)

　　按照不同標(biāo)準(zhǔn)可分為：標(biāo)準(zhǔn)分辨率數(shù)字相機(jī)和模擬相機(jī)等。要根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合選不同的相機(jī)和高分辨率相機(jī)：線掃描CCD和面陣CCD；單色相機(jī)和彩色相機(jī)。

　　圖像采集卡

　　圖像采集卡只是完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)的一個(gè)部件，但是它扮演一個(gè)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(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)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(gè)不同的攝像 機(jī)，然后告訴采集卡采用那一個(gè)相機(jī)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(jìn)行捕捉，當(dāng)采集卡抓拍圖像時(shí)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(jì)算機(jī)速度較慢時(shí)，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(chǔ)器，而且計(jì)算機(jī)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(jī)器視覺的應(yīng)用主要有檢測(cè)和機(jī)器人視覺兩個(gè)方面：

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

　　2. 機(jī)器人視覺：用于指引機(jī)器人在大范圍內(nèi)的操作和行動(dòng)，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(dòng)，還需要借助于觸覺傳感技術(shù)。

　　此外還有：（1）自動(dòng)光學(xué)檢查（2）人臉偵測(cè)（3）無(wú)人駕駛汽車

　　機(jī)器視覺特性

　　1.攝像機(jī)的拍照速度自動(dòng)與被測(cè)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(jìn)行尺寸檢測(cè)，并輸出結(jié)果；

　　4.針對(duì)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(yùn)動(dòng)并進(jìn)行視覺檢測(cè)；

　　5.機(jī)器視覺系統(tǒng)分辨率達(dá)到1600×1200，動(dòng)態(tài)檢測(cè)精度可以達(dá)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(cè)過程，也可通過界面顯示的檢測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)查看檢測(cè)結(jié)果；

　　8.具有對(duì)錯(cuò)誤工件及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)出剔除控制信號(hào)、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(shí)能夠設(shè)置系統(tǒng)維護(hù)人員、使用人員不同的操作權(quán)限；

　　10.實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)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(chǔ)和實(shí)時(shí)察看錯(cuò)誤工件圖像的功能；

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

　　應(yīng)用實(shí)例

　　1. 基于機(jī)器視覺的儀表板總成智能集成測(cè)試系統(tǒng)

　　EQ140-II汽車儀表板總成是我國(guó)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(hào)報(bào)警燈等，其生產(chǎn)批量大，出廠前需要進(jìn)行一次質(zhì)量終檢。檢測(cè)項(xiàng)目包括：檢測(cè)速度表等五個(gè)儀表指針的指示誤差；檢測(cè)24個(gè)信號(hào)報(bào)警燈和若干照明9燈是否損壞或漏裝。一般采用人工目測(cè)方法檢查，誤差大，可靠性差，不能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。基于機(jī)器視覺的智能集成測(cè)試系統(tǒng)，改變了這種現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀表板總成智能化、全自動(dòng)、高精度、快速質(zhì)量檢測(cè)，克服了人工檢測(cè)所造成的各種誤差，大大提高了檢測(cè)效率。

　　整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)部分：為儀表板提供模擬信號(hào)源的集成化多路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源、具有圖像信息反饋定位的雙坐標(biāo)CNC系統(tǒng)、攝像機(jī)圖像獲取系統(tǒng)和主從機(jī)平行處理系統(tǒng)。

　　2. 金屬板表面自動(dòng)控傷系統(tǒng)

　　金屬板如大型電力變壓器線圈扁平線收音機(jī)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(cè)方法不僅易受主觀因素的影響，而且可能會(huì)繪被測(cè)表面帶來(lái)新的劃傷。金屬板表面自動(dòng)探傷系統(tǒng)利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)金屬表面缺陷進(jìn)行自動(dòng)檢查，在生產(chǎn)過程中高速、準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)由于采用非接角式測(cè)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(kuò) 束鏡和準(zhǔn)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(yàn)臺(tái)上。檢驗(yàn)臺(tái)可在X、Y、Z三個(gè)方向上移動(dòng)，攝像機(jī)采用 TCD142D型2048線陳CCD，鏡頭采用普通照相機(jī)鏡頭。CCD接口電路采用單片機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)PC機(jī)主要完成圖像預(yù)處理及缺陷的分類或劃痕的深度運(yùn)算等，并可將檢測(cè)到的缺陷或劃痕圖像在顯示器上顯示。CCD接口電路和PC機(jī)之間通過RS-232口進(jìn)行雙向通訊，結(jié)合異步A/D轉(zhuǎn)換方式，構(gòu)成人機(jī)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(dòng)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(cè)系統(tǒng)

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

　　測(cè)量單元的校準(zhǔn)將會(huì)影響檢測(cè)精度，因而受到特別重視。每個(gè)激光器/攝像機(jī)單元均在離線狀態(tài)下經(jīng)過校準(zhǔn)。同時(shí)還有一個(gè)在離線狀態(tài)下用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)過的校準(zhǔn)裝置，可對(duì)攝像頂進(jìn)行在線校準(zhǔn)。

　　檢測(cè)系統(tǒng)以每40秒檢測(cè)一個(gè)車身的速度，檢測(cè)三種類型的車身。系統(tǒng)將檢測(cè)結(jié)果與人、從CAD模型中撮出來(lái)的合格尺寸相比較，測(cè)量精度為±0.1mm。 　ROVER的質(zhì)量檢測(cè)人員用該系統(tǒng)來(lái)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(shí)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(cè)。

　　4. 紙幣印刷質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)：該系統(tǒng)利用圖像處理技術(shù)，通過對(duì)紙幣生產(chǎn)流水線上的紙幣20多項(xiàng)特征（號(hào)碼、盲文、顏色、圖案等）進(jìn)行比較分析，檢測(cè)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(shí)，攝像頭將車輛的牌照拍攝下來(lái)，傳輸給中央管理系統(tǒng)，系統(tǒng)利用圖像處理技術(shù)，對(duì)拍攝的圖片進(jìn)行分析，提取出車牌號(hào)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，可以供管理人員進(jìn)行檢索。

　　6.金相分析：金相圖象分析系統(tǒng)能對(duì)金屬或其它材料的基體組織、雜質(zhì)含量、組織成分等進(jìn)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(xì)胞自動(dòng)分類計(jì)數(shù)、染色體分析、癌癥細(xì)胞識(shí)別等。

　　8. 瓶裝啤酒生產(chǎn)流水線檢測(cè)系統(tǒng)：可以檢測(cè)啤酒是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的容量、啤酒標(biāo)簽是否完整

　　9. 大型工件平行度、垂直度測(cè)量?jī)x：采用激光掃描與CCD探測(cè)系統(tǒng)的大型工件平行度、垂直度測(cè)量?jī)x，它以穩(wěn)定的準(zhǔn)直激光束為測(cè)量基線，配以回轉(zhuǎn)軸系，旋轉(zhuǎn)五角 標(biāo)棱鏡掃出互相平行或垂直的基準(zhǔn)平面，將其與被測(cè)大型工件的各面進(jìn)行比較。在加工或安裝大型工件時(shí)，可用該認(rèn)錯(cuò)器測(cè)量面間的平行度及垂直度。

　　10. 螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測(cè)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(cè)器件，實(shí)現(xiàn)熱軋螺紋鋼幾何參數(shù)在線測(cè)量的動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。

　　11.軸承實(shí)時(shí)監(jiān)控：視覺技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控軸承的負(fù)載和溫度變化，消除過載和過熱的危險(xiǎn)。將傳統(tǒng)上通過測(cè)量滾珠表面保證加工質(zhì)量和安全操作的被動(dòng)式測(cè)量變?yōu)橹鲃?dòng)式監(jiān)控。

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

　　附：工業(yè)自動(dòng)化的機(jī)器視覺解決方案

　　當(dāng)前工業(yè)工廠自動(dòng)化需要機(jī)器視覺來(lái)快速準(zhǔn)確檢測(cè)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(jiǎn)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(tái)支持各種機(jī)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(dú)特的市場(chǎng)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(kù)、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(chǎng)推出最具差異化的產(chǎn)品，同時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)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(jī)器視覺接口在單芯片上的集成實(shí)例，其可大幅降低材料清單成本，顯著提高系統(tǒng)性能。

　　主要特性：

　　高分辨率 VGA 至500 萬(wàn)像素傳感器

　　改變分辨率支持 5-120 fps

　　圖像信號(hào)處理

　　寬動(dòng)態(tài)范圍

　　智能視頻分析

　　低資源占用 H.264 編碼

　　靈活的視頻輸出接口