機(jī)器視覺(jué)的概念引入和主要應(yīng)用 在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢查、測(cè)量和零件識(shí)別應(yīng)用，例如汽車(chē)零配件尺寸檢查和自動(dòng)裝配的完整性檢查，電子裝配線的元件自動(dòng)定位，飲料瓶蓋的印刷質(zhì)量檢查，產(chǎn)品包裝上的條碼和字符識(shí)別等。這類(lèi)應(yīng)用的共同特點(diǎn)是連續(xù)大批量生產(chǎn)、對(duì)外觀質(zhì)量的要求非常高。通常這種帶有高度重復(fù)性和智能性的工作只能靠人工檢測(cè)來(lái)完成，我們經(jīng)常在一些工廠的現(xiàn)代化流水線后面看到數(shù)以百計(jì)甚至逾千的檢測(cè)工人來(lái)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(shí)，仍然不能保證100%的檢驗(yàn)合格率（即“零缺陷”），而當(dāng)今企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)，已經(jīng)不允許哪怕是0.1%的缺陷存在。有些時(shí)候，如微小尺寸的精確快速測(cè)量，形狀匹配，顏色辨識(shí)等，用人眼根本無(wú)法連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，其它物理量傳感器也難有用武之地。這時(shí)，人們開(kāi)始考慮把計(jì)算機(jī)的快速性、可靠性、結(jié)果的可重復(fù)性，與人類(lèi)視覺(jué)的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機(jī)器視覺(jué)的概念。 一般地說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。首先采用CCD照相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專(zhuān)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、長(zhǎng)度、數(shù)量、位置等；最后，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量、個(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無(wú)等。機(jī)器視覺(jué)的特點(diǎn)是自動(dòng)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(jī)器視覺(jué)強(qiáng)調(diào)的是精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的可靠性。 機(jī)器視覺(jué)極適用于大批量生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)量、檢查和辨識(shí)，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(cè)量，零件識(shí)別，特性/字符識(shí)別等。其最大的應(yīng)用行業(yè)為：汽車(chē)，制藥，電子與電氣，制造，包裝/食品/飲料，醫(yī)學(xué)。如對(duì)汽車(chē)儀表盤(pán)加工精度的檢查，高速貼片機(jī)上對(duì)電子元件的快速定位，對(duì)管腳數(shù)目的檢查，對(duì)IC表面印字符的辨識(shí)，膠囊生產(chǎn)中對(duì)膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查，軸承生產(chǎn)中對(duì)滾珠數(shù)量和破損情況的檢查，食品包裝上面對(duì)生產(chǎn)日期的辨識(shí)，對(duì)標(biāo)簽貼放位置的檢查。目前，國(guó)際上視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用方興未艾，1998年的市場(chǎng)規(guī)模為46億美元，而在國(guó)內(nèi)，工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)尚處于概念導(dǎo)入期，各行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)在解決了生產(chǎn)自動(dòng)化的問(wèn)題以后，已開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向視覺(jué)測(cè)量自動(dòng)化方面。 機(jī)器視覺(jué)的系統(tǒng)構(gòu)成和分類(lèi) 　　 典型的視覺(jué)系統(tǒng)一般包括如下部分：光源，鏡頭，CCD照相機(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。視覺(jué)系統(tǒng)的輸出并非圖像視頻信號(hào)，而是經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理之后的檢測(cè)結(jié)果，如尺寸數(shù)據(jù)。上位機(jī)如PC和PLC實(shí)時(shí)獲得檢測(cè)結(jié)果后，指揮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)或I/O系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作，如定位和分選。從視覺(jué)系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境分類(lèi)，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(kāi)放性，高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時(shí)系統(tǒng)總體成本較低。以美國(guó)DATA TRANSLATION公司為例，系統(tǒng)內(nèi)含高性能圖像捕獲卡,一般可接多個(gè)鏡頭，配套軟件方面，從低到高有幾個(gè)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?qū)ο蟮臋C(jī)器視覺(jué)組態(tài)軟件，用戶可用它快速開(kāi)發(fā)復(fù)雜高級(jí)的應(yīng)用。在基于PLC的系統(tǒng)中，視覺(jué)的作用更像一個(gè)智能化的傳感器，圖像處理單元獨(dú)立于系統(tǒng)，通過(guò)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(zhuān)用ASIC或嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，系統(tǒng)軟件固化在圖像處理器中，通過(guò)類(lèi)似于游戲鍵盤(pán)的簡(jiǎn)單裝置對(duì)顯示在監(jiān)視器中的菜單進(jìn)行配置，或在PC上開(kāi)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(diǎn)，代表廠商為日本松下、德國(guó)Siemens等。 　　 SIEMENS SIMATIC VS710機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn) 德國(guó)Siemens公司在工業(yè)圖像處理方面擁有超過(guò)20年經(jīng)驗(yàn)積累，SIMATIC VIDEOMAT是第一個(gè)高性能的單色和彩色圖像處理系統(tǒng)，并成為SIMATIC自動(dòng)化系統(tǒng)中極重要的產(chǎn)品。而99年推出的SIMATIC VS710是業(yè)內(nèi)第一個(gè)智能化的、一體化的、帶PROFIBUS接口的、分布式的灰度級(jí)工業(yè)視覺(jué)系統(tǒng)，它將圖像處理器、CCD、I/O集成在一個(gè)小型機(jī)箱內(nèi)，提供PROFIBUS的聯(lián)網(wǎng)方式（通訊速率達(dá)12Mbps）或集成的I/O和RS232接口。更重要的，通過(guò)PC WINDOWS下的Pro Vision參數(shù)化軟件進(jìn)行組態(tài)，VS 710第一次將PC的靈活性，PLC的可靠性、分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，和一體化設(shè)計(jì)結(jié)合在一起，使得西門(mén)子在PC和PLC體系之間找到了完美的平衡。 　　 SIMATIC VS710的主要技術(shù)特點(diǎn)如下： 　　 　　 集成數(shù)字化照相機(jī) 　　 　　1. 高分辨率CCD，768X512方形像素 　　 　　2. 直接像素?cái)?shù)字化采樣，無(wú)轉(zhuǎn)換誤差 　　 　　3. 集成全幀快門(mén)，適合運(yùn)動(dòng)物體 　　 　　4. 快門(mén)速度1/50-1/10，000s可選 　　 　　5. 集成頻閃控制 　　 　　 集成CPU快速處理灰度圖像 　　 　　1. 80486 100M CPU，直接處理像素?cái)?shù)據(jù) 　　 　　2. 16MB RAM，可執(zhí)行復(fù)雜程序 　　 　　3. 16MB FLASHDISK,最多存儲(chǔ)200個(gè)程序 　　 　　4. 2MB 圖像存儲(chǔ)器，可在處理圖像時(shí)同步抓取下一幅圖像 　　 　　5. 采用倍速掃描技術(shù)，圖像采集過(guò)程中即可進(jìn)行評(píng)估 　　 　　6. 半幀模式時(shí)吞吐率達(dá)25件/秒，全幀模式時(shí)達(dá)16件/秒 　　 　　 采用標(biāo)準(zhǔn)連接接口 　　 　　1. PROFIBUS-DP,傳輸率9.6Kbit/s-12Mbit/s 　　 　　2. 節(jié)點(diǎn)地址號(hào)1-125，標(biāo)準(zhǔn)9針接口，RS485 　　 　　3. RS232接口，9.6Kbit/s-115Kbit/s 　　 　　4. 數(shù)字2I/4O,24V/0.5A,光電隔離 　　 　　5. 直接VGA 監(jiān)視器接口 　　 　　6. 標(biāo)準(zhǔn)C-mount鏡頭接口 　　 　　7. 工業(yè)24V,0.6A電源 　　 　　 采用ProVision軟件進(jìn)行參數(shù)化 　　 　　1. 利用PROFIBUS-DP對(duì)幾個(gè)從屬VS710進(jìn)行遠(yuǎn)程配置，包括圖像傳輸 　　 　　2. 針對(duì)所有參數(shù)的在線示教功能，用RS232和PROFIBUS進(jìn)行在線參數(shù)傳輸 　　 　　3. 完整的檢查工具（邊緣檢測(cè)，園/環(huán)模式搜索…） 　　 　　4. 友好的界面，（drag&drop, copy&paste…） 　　 　　5. 畫(huà)面只顯示有問(wèn)題的圖像而不影響處理性能 　　 　　 運(yùn)行溫度范圍0-50攝氏度 　　 　　 EC,UL,CSA,FM認(rèn)證 　　 SIMATIC VS710在包裝行業(yè)的應(yīng)用 VS710的幾個(gè)重要的特征：一體化和小型化、網(wǎng)絡(luò)化、編程靈活性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，使之在包裝領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，如瓶子的分類(lèi)和液位測(cè)量，標(biāo)簽、蓋子、盒子的檢查，可樂(lè)瓶的形狀、尺寸、密封性、完整性的檢查等。從包裝物的形狀上分類(lèi)有：包裝盒、包裝箱，包裝袋，金屬箔，管狀、泡狀、盤(pán)狀、杯狀，廣口瓶、細(xì)口瓶，罐狀，桶狀等。從包裝內(nèi)容上分類(lèi)有： 　　1. 食品和飲料：食品、糖果、煙草、飲料（含酒精和不含酒精）； 　　2. 化妝品：清潔類(lèi)和洗滌類(lèi)、磨面類(lèi)、乳液類(lèi)； 　　3. 制藥：藥片、膠囊、藥膏、藥液； 　　4. 建材和化工：粉劑、顆粒、液體； 　　5. 金屬：電器、工具、連接件。 　　 　　舉例如下： 　　1. 項(xiàng)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(xiàng)目：檢查放在底盤(pán)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(xiàng)目：化妝品瓶子外觀質(zhì)量的最終檢查 　　 i. 標(biāo)簽種類(lèi) 　　 ii. 標(biāo)簽位置和偏移量 　　 iii. 瓶子的種類(lèi) 　　 iv. 蓋子是否蓋緊 　　速度：20個(gè)/秒 　　好處：只有外觀最完美的產(chǎn)品才能離開(kāi)灌裝線，標(biāo)簽和瓶子內(nèi)容完全對(duì)應(yīng)。 　　4. 項(xiàng)目：灌裝線上啤酒瓶檢測(cè) 　　 i. 瓶體分類(lèi) 　　 ii. 標(biāo)簽檢查 　　 iii. 瓶口破損檢測(cè) 　　 iv. 灌裝液位測(cè)量 　　 速度：25只/秒，支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量 　　 好處：減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，提高效率。 　　5. 項(xiàng)目：標(biāo)簽印刷是否與實(shí)物相符 　　 i. 印刷代碼識(shí)別（OCR） 　　 ii. 印刷質(zhì)量檢查 　　 iii. 表面檢測(cè) 　　 iv. 外形輪廓檢查 　　 速度：10件/秒，支持靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量 　　6. 項(xiàng)目：旋開(kāi)式瓶蓋內(nèi)襯墊測(cè)量 　　 i. 內(nèi)襯墊本身完整性（多料/少料） 　　 ii. 油污檢測(cè) 　　 速度：16個(gè)/秒 　　7. 項(xiàng)目：皇冠式瓶蓋印刷質(zhì)量測(cè)量 　　 i. 圖案是否印偏 　　 ii. 圖案是否模糊 　　 速度：10個(gè)/秒 　　8. 項(xiàng)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(gè)/秒 結(jié)論 　　 總之，應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能夠大幅降低檢驗(yàn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加快生產(chǎn)速度和效率。作為高精度、非接觸的測(cè)量方案，視覺(jué)系統(tǒng)涉及到光學(xué)和圖像處理算法，本身就是高度專(zhuān)業(yè)化的產(chǎn)品，在整個(gè)測(cè)量控制系統(tǒng)中，往往要與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)配合完成位置矯正和進(jìn)給控制；另外，生產(chǎn)線上對(duì)多工序進(jìn)行同步連續(xù)檢測(cè)時(shí)，必須使視覺(jué)系統(tǒng)具備分布式聯(lián)網(wǎng)能力。機(jī)器視覺(jué)與運(yùn)動(dòng)控制，網(wǎng)絡(luò)通訊等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的面貌。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了像北京四通電機(jī)公司這樣的具備運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器視覺(jué)，網(wǎng)絡(luò)通訊幾方面技術(shù)背景的系統(tǒng)集成商，他們專(zhuān)業(yè)化的技術(shù)支持和服務(wù)能力使之成為原始供應(yīng)商和最終用戶之間的橋梁。而對(duì)包裝企業(yè)來(lái)說(shuō)，意識(shí)到技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)并首先付諸實(shí)施者無(wú)疑將走在競(jìng)爭(zhēng)的前列。