1. 機(jī)器視覺的概念引入
人類在生產(chǎn)實(shí)踐的過程中,面臨自身能力的局限性,因而發(fā)明和創(chuàng)造了許多智能機(jī)器,來輔助或代替人類完成任務(wù)。智能機(jī)器能模擬人類的功能,感知外部世界并有效地解決人所不能解決的問題。人類感知外部世界主要是通過視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等感覺器官,其中約80%的信息是由視覺獲取的。因此,對(duì)智能機(jī)器來說,賦予機(jī)器以人類視覺功能是極其重要的。
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,與人類視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合,由此逐漸形成了一門新學(xué)科——機(jī)器視覺。
機(jī)器機(jī)器視覺是研究用計(jì)算機(jī)來模擬生物宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)。通俗地說,就是用機(jī)器代替人眼來做測(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)算來抽取目標(biāo)的特征,如:面積、長度、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/無等。機(jī)器視覺的特點(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)器視覺是一個(gè)相當(dāng)新且發(fā)展十分迅速的研究領(lǐng)域。人們從20世紀(jì)50年代開始研究二維圖像的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別,60年代Roberts開始進(jìn)行三維機(jī)器視覺的研究,70年代中,MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室正式開設(shè)“機(jī)器視覺”課程,80年代開始,開始了全球性的研究熱潮,機(jī)器視覺獲得了蓬勃發(fā)展,新概念、新理論不斷涌現(xiàn);現(xiàn)在,機(jī)器視覺仍然是一個(gè)非?;钴S的研究領(lǐng)域,與之相關(guān)的學(xué)科涉及:圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識(shí)別、人工智能、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等。
2. 機(jī)器視覺的系統(tǒng)構(gòu)成和分類
典型典型的視覺系統(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。視覺系統(tǒng)的輸出并非圖像視頻信號(hào),而是經(jīng)過運(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。
從視從視覺系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)系統(tǒng)總體成本較低。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)器視覺組態(tài)軟件,用戶可用它快速開發(fā)復(fù)雜高級(jí)的應(yīng)用。在基于PLC的系統(tǒng)中,視覺的作用更像一個(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(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理,系統(tǒng)軟件保存在圖像處理器中,通過類似于游戲鍵盤的簡(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上開發(fā)軟件然后下載?;赑LC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)。
3. 機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用
目前目前,國際上視覺系統(tǒng)的應(yīng)用方興未艾,而在中國,工業(yè)視覺系統(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)化的問題以后,已開始將目光轉(zhuǎn)向測(cè)量自動(dòng)化方面。
機(jī)器機(jī)器視覺極適用于大批量生產(chǎn)過程中的測(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,制藥,電子與電氣,制造,包裝/食品/飲料,醫(yī)學(xué)。如對(duì)汽車儀表盤加工精度的檢查,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)簽貼放位置的檢查等等。下面給出幾個(gè)例子:
生產(chǎn)線、裝配線質(zhì)量檢測(cè):
檢查印刷是否正確
外形及尺寸檢查
位置檢測(cè)
表面檢測(cè)
速度:動(dòng)態(tài)或靜止目標(biāo)檢測(cè),
檢測(cè)速度(吞吐量)可達(dá): 10 物件/秒
裝瓶過程中最嚴(yán)格的質(zhì)檢員:
瓶體分類
標(biāo)簽檢查
缺損識(shí)別
灌瓶液位測(cè)量
支持動(dòng)態(tài)檢測(cè),吞吐量可達(dá):25 物件/秒
零部件測(cè)量:
長度測(cè)量:精度可達(dá)1/1000 mm
角度測(cè)量
面積測(cè)量
公制單位的結(jié)果輸出
支持動(dòng)態(tài)或靜態(tài)檢測(cè),吞吐量可達(dá):25 物件/秒
完整性檢測(cè): -確保標(biāo)簽與實(shí)際物品相符
標(biāo)簽印刷是否正確
外形輪廓檢查
表面檢測(cè)
代碼識(shí)別
可使用頻閃或連續(xù)光源
支持動(dòng)態(tài)或靜態(tài)檢測(cè)吞吐量:10 物件/秒
檢測(cè)牙膏管口邊緣毛刺:
對(duì)物件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)位置識(shí)別
檢測(cè)管口是否有毛刺或其他障礙物
通過異步觸發(fā)器對(duì)圖象進(jìn)行整體評(píng)估
顏料盒生產(chǎn)時(shí)的粘貼物監(jiān)控:
解決方案:安放顏料塊前,監(jiān)控顏料盒每一格中注入的膠水量,避免注入太多或太少
檢驗(yàn)傳動(dòng)軸是否正確安裝,并且編碼一致:
解決方案:自動(dòng)檢測(cè)編碼存在與否,以及封口和卡子的位置
結(jié)論
應(yīng)用機(jī)器視覺系統(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,視覺系統(tǒng)涉及到光學(xué)和圖像處理算法,本身就是高度專業(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),必須使視覺系統(tǒng)具備分布式聯(lián)網(wǎng)能力。機(jī)器視覺與運(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,網(wǎng)絡(luò)通訊幾方面技術(shù)背景的系統(tǒng)集成商,他們專業(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)來說,意識(shí)到技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)并首先付諸實(shí)施者無疑將走在競(jìng)爭(zhēng)的前列。