概述
自上世紀90年代初作為一項新技術進入實用階段以來，機器視覺經過10多年的完善和發展，應用領域已日趨擴大。其在發達工業國家的應用較為普及，尤其在半導體和電子行業，約占總體應用的40~50%。而在國內，機器視覺產品的推出和應用尚處于起步期。隨著其優越性的逐漸凸顯，該技術已在包括汽車制造業在內的批量生產企業中獲得越來越多的運用，應用前景廣闊。
機器視覺是利用圖像攝取裝置（分CCD和CMOS兩種），將目標轉換成圖像信號，傳送給專用的處理系統后，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統通過對這些信號進行各種運算，抽取出目標的特徵，進而根據判別的結果來完成各種運作。它具有非接觸、高速度、工作范圍大、獲得信息豐富等優點。因其易于實現信息集成，故也成為制造業信息化中的一項基礎技術。
機器視覺可用于標志識別、工況監視、產品（零部件）檢驗和質量控制等領域，對提高生產效率和自動化程度發揮很大作用。從技術層面看，機器視覺的主要功能可歸納為兩項，即辨識和檢測。
辨識功能的應用
辨識，亦稱自動識別。相對而言，現代汽車制造業對機器視覺的辨識功能開發、利用最多。由此帶來了制造過程柔性化程度的提高，加工可靠性和產品可追溯性的強化。
1.識別、讀碼、可追溯性
隨著國家汽車召回制度的出臺，如何有效地實現產品的可追溯性已成當務之急。相比用于商品識別的條形碼，二維碼包含信息更多，于是，企業進一步采取為重要零部件打上二維碼的方式，將其包含的件號、批次等重要質量信息，經讀數頭識別采集后送至中央監控室的服務器。
然后，再結合各總成和整車上的條形碼，一旦有需要，就可方便地查詢，迅速、準確地進行針對性的質量追溯。而讀數頭對二維碼的解讀，正是利用了機器視覺的圖像識別功能。
此外，通過讀取工件上的二維碼，還可控制生產操作和作業過程。例如，發動機缸體的軸承檔與壓入的軸瓦，采用的是選擇裝配方式，即兩者都按測量結果進行分組（一般分3~5組），然后一一對應地進行壓裝。為了提高生產效率和杜絕錯裝，在成品缸體所打的二維碼中，包含了第1~5軸瓦檔（若為四缸發動機）的組別信息。
當工件在發動機裝配線上移至某一工位時，設置的讀數頭即自動讀碼，工位外側根據組數有3~5排盛放不同組別的軸瓦槽，前部有一指示燈。按1~5的壓裝順序，操作工人根據指示燈提示，取出對應的軸瓦放入軸承檔，顯然，代表不同組別的指示燈的先后閃爍取決于讀取二維碼中相關信息后發出的控制信號。
2.提高作業的可靠性
為防止批量生產條件下作業工程（如：汽車發動機的裝配工序）出現諸如零件錯裝/漏裝，安裝不到位及其他問題，必須提高作業的可靠性。建立在機器視覺辨識功能基礎上的各種有針對性的自動識別系統，對提高作業可靠性相當有效。以下舉2個典型案例。
1. 活塞-連桿組件在缸體內的裝配
該自動識別系統的主要環節為：首先判斷缸體是否已到位，并做好準備，其方法是探測缸體上緣（準確到位的標志），如果未發現該特徵部分，即發出報警信號。然后，對以下3項內容進行自動識別：1.活塞的有無；2.活塞位置的正確性（確切地講是“周向方位”）；3.活塞頂部表面的標識和字符（用于表明型號、選配時的組別及其它相關含義）與安裝的缸體是否一致。
整個識別過程如下：發動機被翻轉、裝入活塞，輸送系統使發動機隨托盤向自動識別工位移動；當發動機即將到達時，先由二維碼讀數頭驗明其“身份”，然后發信號給PLC；一旦發動機到達自動識別工位，
接近開關觸發，PLC向機器視覺系統發出工作指令。如果活塞已安放在缸體內，其標識和字符與要求的型號、組別等完全一致，且裝配正確、即“周向方位”在規定范圍內，則視覺系統發信給PLC，令發動機流向下一工位。
如果活塞裝配有錯，則視覺系統提示PLC，并通過人機界面報警，顯示屏將指示哪一缸的活塞裝配有誤以及屬何種錯誤。操作者確認識別的結果后，通過人機界面向PLC發出指令，并且將發動機直接輸送到返修區域進行返修。整個檢測過程全部自動完成，只是在出現裝配錯誤、發出報警時才由人工干預。
關于活塞位置的正確性，即“周向方位”的含義，如圖1。在活塞底部（白色形象）的上方有個箭頭，它必須位于圖示位置，即處于與被安放的缸體（黑色形象）4個缸孔的中心線相一致的狀態。活塞置于機器視覺探頭之下時，通過一個圓框來判別箭頭是否處在正確位置。
圖1 活塞安放位置正確性的識別
2. 汽車車燈出廠前檢驗
各種車用燈具的日產量往往高達幾千只。產品出廠前的檢驗一般包括判別2個螺絲的定向，測定擰入深度（要求精度達到0.1mm），并要求檢查塑料墊圈、擋水片，以及墊片是否安裝正確，還要求記錄刻印在塑料座上的產品型號。
為此，采取了擁有4個攝像頭的機器視覺系統，它們均設置在裝配線上方，前2個攝像頭檢查螺絲的定向及擰入深度，第3臺檢查墊圈，擋水片，墊片等零件，第4臺則讀取零件型號。
4臺攝像頭所讀取的圖像送往1臺PC進行處理判斷并顯示結果。為避免外界雜光干擾，該系統采用LED 照明裝置。在這套機器視覺檢測系統投用之前，企業每班需要2名檢驗員，每件檢驗耗時30秒，且有較大誤差。采用后則不再需要專職檢驗員，檢驗速度大大提高，每件僅耗時5.5秒，差錯率也降至零。
3.提高制造過程的柔性
現代汽車制造業，特別是轎車企業，其發展方向是采用多品種、柔性化的混線生產模式，而工件識別技術就是實現這種生產模式的一個重要環節，下面試舉例說明。 為了在一條自動線上同時生產屬于2種發動機的4種不同凸輪軸，采取了在工件指定的二檔軸頸間制作標志的方法，標志是事先加工在軸間的1~4道環帶，分別代表4種類型的凸輪軸，圖2是其中的2種。
圖2 帶識別標志的工件
在工件進入某道工序（如凸輪軸的最終檢測）之前，線上所設置的光電
視覺傳感器將通過讀取上述標志，正確地對工件進行識別（如圖3），然后發出相應的控制信號，以執行不同的工作程序。譬如，當圖2中的凸輪軸在進入終檢工位的前兩個工位時，綜合測量機就會根據收到的指令，調用不同的程序，以對該工件進行正確檢測。
圖3 視覺系統對工件的識別
檢測功能的應用
檢測是機器視覺的另一個重要應用領域，其與“辨識”的主要區別就是前者為定量，而后者為定性。檢測功能可表現為多種形態的工作模式，適用于批量生產條件下，尤其是現代汽車制造業中不同場合的需要。
1.精密測量
應用機器視覺進行精密測量，建立在對被測對象圖像的邊緣檢測的基礎之上，如圖4所示。檢測系統主要由光學系統、CCD攝像頭和計算機處理系統（圖中未標示）等組成。
圖4 測量系統工作示意圖
由光源發出的平行光束照射到被測對象的檢測部位上，其邊緣輪廓經過顯微光學鏡組成像在攝像機的面陣CCD像面上，經計算機進行圖像處理后獲得被測對象邊緣輪廓的位置。如果使被測對象產生位移，再次測量其邊緣輪廓位置，則兩次位置之差便是位移量。顯然，若被測對象的兩條平行的邊緣輪廓能處于同一幅圖像內，則其兩者位置之差即為相應尺寸。
上述系統特別適合對大批量生產情況下工件的在線檢測，尤其是在被測對象尺寸較小、形狀比較簡單時，其優越性更加突出。汽車電子產品中的接插件就是一個典型例子，它們的生產效率和成品尺寸精度都較高，前者可達到每分鐘數百件，而后者多數為0.01mm的數量級。
一般情況下，工件的質量缺陷包括插腳的變形或扭曲、多余的金屬粘附（金屬碎屑）等，均反映為外形尺寸的誤差。當采用圖4所示系統進行測量時，由于零件（插腳）形成的圖像與其明亮背景之間具有強烈對比，呈現出清晰的剪影效果。這就為準確測量被檢對象的尺寸和輪廓（形狀）特徵創造了條件。
圖5顯示了一部分沖壓成形的插腳隨著金屬輸送帶通過檢測工位時產生的典型背光圖像。其中，插腳A發生了扭曲，插腳B上粘附著多余的金屬，插腳C斷面尺寸（寬）不合格——這些都屬于常見的質量缺陷。
圖5 典型的背光檢測圖像
用機器視覺進行精密測量的另一個實例是刀具預調測量儀。傳統的檢測方式是光學投影和光柵數顯表相結合，前者用于瞄準定位，而后者用于測量、讀數。整個過程需較多的人工參與，對操作人員要求高，效率卻并不高。
幾年前誕生的新穎刀具預調測量儀，將機器視覺、光柵技術、計算機軟硬件、自動控制技術等有機結合，無論在測量精度、操作方便和工作效率上都有了革命性的提高。其主要原因就是以機器視覺替代了傳統的光學投影，徹底改變了原有工作模式。
在這種新穎儀器中，作為運動導軌的Z軸、X軸和C（回轉）軸內，分別裝有直線光柵和圓光柵，被測刀具沿轉臺中心線、即C軸安裝。機器視覺傳感器位于叉形支架兩側，也即，跨越轉臺的中心線。支架的一端安放光源，另一端是攝像頭，被測刀具的圖像由攝像頭讀取。
2.工件表面缺陷檢測
工件表面缺陷，比如連桿大小頭結合面的破口缺損是在制造過程中形成的。迄今為止，在批量生產的汽車、摩托車、內燃機等行業，對表面缺陷的探測基本都是人工目測方式。此法不但效率低、勞動強度大，且難以準確執行工藝標準中規定的定量評定，影響了對產品質量的有效監控。
以連桿大頭孔結合面的爆口為例，其評定標準的具體要求如下：1）破口面積小于3mm2， 2 ）破口任一方向的線性長度小于2.5mm。只要符合上述一個條件，就將判定不合格而被剔除。
必須指出，與以上精密測量中機器視覺系統采用的透射方式（又稱“背光” 方式）不同，表面缺陷探測需采取反射方式。此時，系統通過一個方形框式LED漫反射光源照亮待檢測工件的破口區域，光線照射到對象表面后，反射到攝像頭內的光電耦合CCD元件上，即轉化成對應的電量信號，圖像處理系統根據電量信號對得到的圖像進行分析和計算，最終得到所需數據。
如前所述，CCD元件可理解為一個由感光像素組成的點陣。其每個像素都一一對應了對象的二維圖像特徵，即通過對像素點成像結果的分析可間接分析對象的圖像特徵。比如通過對二值化圖像中的成像像素個數的計算，便能得到相應對象的長度值和面積值。
圖6 檢測系統組成
以連桿結合面爆口為例，根據被測對象的特徵（工件形狀、被測部位）和要求，需分別檢測互為15°夾角的A-B-C 3個（連桿側面的）破口面，最終以3個檢測結果中的最大值作為破口的真實值，進行判斷并輸出結果。據此，組成了如圖6所示的檢測系統，它主要包括：
1. CCD攝像頭；用于采集破口圖像并轉換成數字圖像信號。
2. LED光源；用于提供穩定、均勻的照明，保證取像質量。
3. 圖像處理單元；其可根據需要，對采集到的圖像進行處理、分析，同時把分析結果和圖像系統的狀態信息通過RS232接口傳向PLC。系統使用松下的MultiCheckerV110嵌入式圖像處理系統，集圖像處理和輸出為一體。嵌入式圖像處理系統的特點是處理器體積小（8.4×4.0×12cm）功耗低（24VDC,0.7A），且環境適應性好，能在環境溫度50℃的條件下連續工作。
4. PLC；它控制整個檢測系統各項功能的執行，同時也對圖像處理單元傳過來的數據進行校驗和判斷。本系統選用西門子公司的S7-226MX。
5. 監示器。它作為人機交互界面，顯示圖像處理系統的狀態和數據分析結果。
3.機器視覺在檢測自由曲面中的應用
汽車車身以及其覆蓋件（焊接件、沖壓件等）大多呈自由曲面狀，多年來，對它們的檢測主要是采用坐標測量機。為提高測量效率，尤其是考慮到強化對生產過程的監控，自上世紀九十年代中期起，利用先進的光學測量系統在現場實施在線檢測的方式逐漸興起，而這種新興測量裝置正是激光傳感器和機器視覺相結合的產物。
光學測量裝置的工作原理是三角測量法。由
半導體激光器發出的光經過聚焦，照射在被測物表面，其反射光通過成像透鏡，成像于圖像攝取裝置的CCD面陣上。依據三角測量的原理，當被測表面偏離基準面時，在圖像接受器件上的成像點也將產生相應偏離，據此能求得被測工件表面不同部位的實際值。
上述激光視覺測量經過多年發展，已從早期主要用于一維尺寸和距離的檢測，進入到三維測量，但其工作原理仍為三角測量法。
當然，相比利用三坐標測量機檢測工件的自由曲面，激光視覺測量的重復性R和精度AC要低得多。正因為此，它們主要用于在線檢測，通過高效、快速的100%測量和對實測值進行統計分析，實現對動態生產過程的質量監控。
