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(chǎn)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(zhì)量檢查，產(chǎn)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(chǎn)、對外觀質(zhì)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(jīng)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(jīng)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(chǎn)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(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(diào)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(chǎn)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(chǎn)中對膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查，軸承生產(chǎn)中對滾珠數(shù)量和破損情況的檢查，食品包裝上面對生產(chǎn)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(nèi)，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(chǎn)自動化的問題以后，已開始將目光轉(zhuǎn)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(jīng)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)。基于PC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DATATRANSLATION公司為例，系統(tǒng)內(nèi)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?qū)ο蟮臋C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。

SIEMENSSIMATICVS710機器視覺系統(tǒng)的特點

德國Siemens公司在工業(yè)圖像處理方面擁有超過20年經(jīng)驗積累，SIMATICVIDEOMAT是第一個高性能的單色和彩色圖像處理系統(tǒng)，并成為SIMATIC自動化系統(tǒng)中極重要的產(chǎn)品。而99年推出的SIMATICVS710是業(yè)內(nèi)第一個智能化的、一體化的、帶PROFIBUS接口的、分布式的灰度級工業(yè)視覺系統(tǒng)，它將圖像處理器、CCD、I/O集成在一個小型機箱內(nèi)，提供PROFIBUS的聯(lián)網(wǎng)方式（通訊速率達12Mbps）或集成的I/O和RS232接口。更重要的，通過PCWINDOWS下的ProVision參數(shù)化軟件進行組態(tài)，VS710第一次將PC的靈活性，PLC的可靠性、分布式網(wǎng)絡技術，和一體化設計結合在一起，使得西門子在PC和PLC體系之間找到了完美的平衡。

SIMATICVS710的主要技術特點如下：

集成數(shù)字化照相機

1.高分辨率CCD，768X512方形像素

2.直接像素數(shù)字化采樣，無轉(zhuǎn)換誤差

3.集成全幀快門，適合運動物體

4.快門速度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

1.80486100MCPU，直接處理像素數(shù)據(jù)

2.16MBRAM，可執(zhí)行復雜程序

3.16MBFLASHDISK,最多存儲200個程序

4.2MB圖像存儲器，可在處理圖像時同步抓取下一幅圖像

5.采用倍速掃描技術，圖像采集過程中即可進行評估

6.半幀模式時吞吐率達25件/秒，全幀模式時達16件/秒

采用標準連接接口

1.PROFIBUS-DP,傳輸率9.6Kbit/s-12Mbit/s

2.節(jié)點地址號1-125，標準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.標準C-mount鏡頭接口

7.工業(yè)24V,0.6A電源

采用ProVision軟件進行參數(shù)化

1.利用PROFIBUS-DP對幾個從屬VS710進行遠程配置，包括圖像傳輸

2.針對所有參數(shù)的在線示教功能，用RS232和PROFIBUS進行在線參數(shù)傳輸

3.完整的檢查工具（邊緣檢測，園/環(huán)模式搜索…）

4.友好的界面，（drag&drop,copy&paste…）

5.畫面只顯示有問題的圖像而不影響處理性能

運行溫度范圍0-50攝氏度

EC,UL,CSA,FM認證

SIMATICVS710在包裝行業(yè)的應用

VS710的幾個重要的特征：一體化和小型化、網(wǎng)絡化、編程靈活性、可靠性和經(jīng)濟性，使之在包裝領域有著廣泛的應用，如瓶子的分類和液位測量，標簽、蓋子、盒子的檢查，可樂瓶的形狀、尺寸、密封性、完整性的檢查等。從包裝物的形狀上分類有：包裝盒、包裝箱，包裝袋，金屬箔，管狀、泡狀、盤狀、杯狀，廣口瓶、細口瓶，罐狀，桶狀等。從包裝內(nèi)容上分類有：

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：清潔類和洗滌類、磨面類、乳液類；

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(zhì)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(chǎn)品才能離開灌裝線，標簽和瓶子內(nèi)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(zhì)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(nèi)襯墊測量

i.內(nèi)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(zhì)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(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(chǎn)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(chǎn)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(wǎng)能力。機器視覺與運動控制，網(wǎng)絡通訊等先進技術的結合正在改變工業(yè)自動化生產(chǎn)的面貌。目前國內(nèi)已經(jīng)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(wǎng)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。