摘 要（Abstract) 本文概述了機器視覺的市場前景，比較了PC式視覺系統(tǒng)與嵌入式視覺系統(tǒng)在檢測速度、測量精度等指標上的優(yōu)劣，并重點介紹了基于PC的機器視覺系統(tǒng)的設(shè)計方法，包括光源、鏡頭、攝像機、圖像采集卡等的選用以及視覺軟件的設(shè)計方法。文章還列舉了幾個基于PC的機器視覺的成功應(yīng)用案例。
1 引言
機器視覺是利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標的圖像，經(jīng)計算機或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進行數(shù)字處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，進行尺寸、形狀、顏色等的識別。這樣，就把計算機的快速性、可重復(fù)性，與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，大大提高了生產(chǎn)的柔性和自動化程度。
對于機器視覺的研究應(yīng)用，日本、德國和美國等發(fā)達國家早在上世紀六十年代就開始了。到上世紀九十年代，隨著光電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，機器視覺已取得了廣泛的應(yīng)用，其市場潛力十分巨大。在1984年，西歐的工業(yè)視覺系統(tǒng)的銷售總額達到589萬美元，到1989達到近4320萬美元。而在美國，1984年的視覺系統(tǒng)銷售總額達到6000萬美元，到1994元近12億美元。在日本，2000年機器視覺市場為300～400億日元。另據(jù)“視覺系統(tǒng)國際公司”的一份市場調(diào)研報告顯示：1999－2004 年北美的機器視覺市場規(guī)模從16.8億美元增長到19億美元（年增長率為12.4%）。從上述數(shù)據(jù)可以看出機器視覺技術(shù)發(fā)展之快，市場之大。國內(nèi)的機器視覺發(fā)展較發(fā)達國家晚，目前尚屬概念導(dǎo)入期，但其市場潛力不可忽視。由于中國正成為“世界工廠”，與制造活動密切相關(guān)的機器視覺技術(shù)正逐步被商家認可和接受。而且在中國，機器視覺行業(yè)還是剛剛起步，相對其它行業(yè)來說競爭還不是很激烈。所以，誰占了市場先機誰就贏得了主動權(quán)。相信再過幾年，中國將會成為全球繼北美、歐洲與日本后的第4大機器視覺市場。
2 兩類視覺系統(tǒng)的比較
從組成結(jié)構(gòu)來分類，典型的機器視覺系統(tǒng)可分為兩大類：PC式或稱板卡式機器視覺系統(tǒng)（PC－based Vision System），以及嵌入式機器視覺系統(tǒng)，亦稱“智能相機”（Smart Camera）或“視覺傳感器”（Vision Sensor）。PC式視覺系統(tǒng)是一種基于個人計算機（PC）的視覺系統(tǒng)，一般由光源、光學(xué)鏡頭、CCD或CMOS相機、圖像采集卡、圖像處理軟件以及一臺PC機構(gòu)成。基于PC的機器視覺應(yīng)用系統(tǒng)尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)周期較長，但可達到理想的精度及速度，能實現(xiàn)較為復(fù)雜的系統(tǒng)功能。另一類是嵌入式視覺系統(tǒng)，嵌入式視覺系統(tǒng)具有易學(xué)、易用、易維護、易安裝等特點，可在短期內(nèi)構(gòu)建起可靠而有效的機器視覺系統(tǒng)，從而極大的提高了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)速度。表一列出了兩類視覺系統(tǒng)在檢測速度、測量精度等指標上的優(yōu)劣對比【1】。
表1：嵌入式視覺系統(tǒng)與PC式視覺系統(tǒng)的優(yōu)劣對比
PC式視覺系統(tǒng) 嵌入式視覺系統(tǒng)業(yè)界人士指出，目前在中國使用簡便的智能視覺傳感器占了機器視覺系統(tǒng)市場60%左右的市場份額。由PC式視覺系統(tǒng)在整體成本、靈活性、用戶化界面、速度以及精度等方面的優(yōu)勢，筆者認為接下來的2～5年，在中國市場上PC式視覺系統(tǒng)將與嵌入式視覺系統(tǒng)平分秋色。
3 PC式視覺系統(tǒng)的設(shè)計
3.1光源、鏡頭、CCD和圖像采集卡的選用
光源、鏡頭、CCD和圖像采集卡作為視覺系統(tǒng)成像部分[2]，正確的選用是后續(xù)處理的必要條件，成像的質(zhì)量直接影響到視覺軟件處理和分析部分，最終影響機器視覺系統(tǒng)工作的準確性。業(yè)內(nèi)有句名言“Garbage in，Garbage out”，即如果輸入的圖像是一幅不理想的圖，則輸出的分析結(jié)果也好不到哪里去，因為軟件的處理并不能將一幅低質(zhì)量的圖像變得更好，所以，成像的質(zhì)量是視覺系統(tǒng)的首要前提。為了獲取理想的圖像，必須有效地選取成像系統(tǒng)部件，如光源、鏡頭、攝像頭以及圖像采集卡。根據(jù)筆者的大量實踐，成像的好壞往往決定了一套視覺應(yīng)用系統(tǒng)的成敗。 有時候就是因為選用了價格過于低廉的產(chǎn)品，忽視了一些關(guān)鍵技術(shù)指標，使得系統(tǒng)集成走了太多的彎路。 視覺系統(tǒng)是一個復(fù)雜而又敏感的系統(tǒng)，應(yīng)用機器視覺技術(shù)解決實際問題時，應(yīng)盡量使系統(tǒng)的輸入部分受外界的影響以及硬件調(diào)節(jié)的限制減至最小，這就得選擇專業(yè)適用的成像設(shè)備，以獲得質(zhì)量較佳的圖像。
3.2應(yīng)用軟件的設(shè)計
作為PC式機器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，視覺軟件主要通過對圖像的分析、處理和識別，實現(xiàn)對特定目標特征的處理。專業(yè)的視覺軟件能實現(xiàn)圖像中目標的高精度定位，從而提高了系統(tǒng)的精度。由于開發(fā)一款功能強大的視覺底層軟件，需要有專業(yè)的開發(fā)人員，而且還需要有足夠長的開發(fā)周期。所以，作為一個系統(tǒng)集成商來說，開發(fā)視覺項目，從商業(yè)的角度來看，筆者認為其工作重心應(yīng)放在應(yīng)用層面的開發(fā)上，不應(yīng)混淆底層開發(fā)和應(yīng)用層開發(fā)的區(qū)別。也就是說，根據(jù)項目的要求，合理選擇一款合適的商用視覺軟件包，在最短的時間內(nèi)，完成所承接的項目，創(chuàng)造最快的效益。 雖然從表面上看，自行開發(fā)底層視覺軟件能節(jié)約成本，但由于開發(fā)視覺底層軟件需要周期長，而且自行開發(fā)的軟件在性能上，難于達到由專業(yè)人員所開發(fā)的效果，以至于開發(fā)出來的視覺系統(tǒng)不能滿足預(yù)期的技術(shù)指標，最終難以使視覺產(chǎn)品走上商品化。所以，從綜合成本考慮，建議系統(tǒng)集成商在從事視覺項目時，選擇一款專業(yè)的視覺軟件。
市面上合用的商業(yè)視覺軟件包也有許多，性能、價格等相差較大。選擇一款適合項目需要的機器視覺二次開發(fā)包時，應(yīng)從視覺軟件能達到的精度、速度、魯棒性 、硬件的要求（是否與圖像采集卡相配）、編程的難易程度和價格等方面來綜合考慮。
通常開發(fā)一套PC-based視覺應(yīng)用軟件系統(tǒng)可分為以下幾個步驟：
* 首先在PC機上安裝Windows 2000（推薦），VB或VC++,一個圖像采集卡和一套視覺軟件（SDK或稱二次開發(fā)包）；
* 然后運行視覺軟件包中的自動標定工具對像機進行標定；
* 標定完成以后，調(diào)用軟件包中的自動試教模板編輯器生成對象模板，再對目標進行定位，實現(xiàn)視覺定位功能；
* 如果項目需要測量或檢測時，可以加上基于模板的測量或檢測工具；
* 在軟件與外部設(shè)備的通訊方面，視覺軟件包一般都提供了豐富的接口資源，只要寫幾行VB/VC++代碼，就能將控制與視覺軟件包連接上，這樣就打通了與外部設(shè)備（如I/O卡等）的通訊功能。
4 采用PC式視覺系統(tǒng)的成熟案例分析
近幾十年來，由于視覺系統(tǒng)的非接觸、速度快、精度合適等突出的優(yōu)點，機器視覺技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟與社會效益。現(xiàn)結(jié)合筆者的實踐，介紹三個典型的PC式視覺系統(tǒng)的案例。
4.1 客戶定制的非接觸式、高精度視覺測量系統(tǒng)
該項目是利用機器視覺技術(shù)，對某OEM客戶生產(chǎn)的硬盤驅(qū)動架上最前端的小孔進行高精度尺寸測量[3]。傳統(tǒng)的測量手段，如卡尺、量規(guī)和萬能工具顯微鏡等傳統(tǒng)的工具采用的是接觸性方式，往往對工件表面造成損壞，所以開發(fā)一款非接觸式的視覺系統(tǒng)以解決高精度測量問題非常必要。 在這個項目中，我們要測量的對象為硬盤驅(qū)動架最前端的小孔。該驅(qū)動架為三指片，所以要對上下兩個Φ± in 的小孔進行測量。其技術(shù)要求要達到重復(fù)精度為1～2微米，重復(fù)性指標GRnR應(yīng)不大于10％，與CMM（三坐標測量機）的相關(guān)性要達到80%。
為了能提高測量的效率，采用了雙通道雙攝像頭實現(xiàn)了異步測量硬盤驅(qū)動架上下兩尾孔。該項目的臺架和氣動夾具設(shè)計是經(jīng)過了大量的實驗而最終確定的。我們所采用的開發(fā)包是Adept Hexsight視覺開發(fā)包，其精度能達到1/40亞象素的位置重復(fù)精度和度旋轉(zhuǎn)重復(fù)精度。在該項目中，首先是選一個標準的圖作為模板，模板選取以后，采用Hexsight的卡尺（Caliper）工具，在模板上逐個做八個卡尺，為每個卡尺輸入小孔的直徑數(shù)據(jù)。然后用已做好的標準模板，在要測的對象中進行定位和測量，實現(xiàn)典型的視覺測量。其結(jié)果與CMM做了相關(guān)性測試，重復(fù)性GRnR<8%，相關(guān)性達到90%以上，結(jié)果完全達到了客戶的要求。該視覺系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了對小孔高精度、非接觸式的測量目的。且該系統(tǒng)原理簡單，操作方便，用戶界面友好，普通技術(shù)人員很快就能掌握并操作。
圖1： 非接觸式、高精度視覺測量系統(tǒng) （深圳市視覺龍科技有限公司友情提供）
4.2 帶視覺功能的COG（Chip On Glass）預(yù)壓對位機
隨著電子制造業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電子封裝設(shè)備已不能滿足現(xiàn)有的要求。由于傳統(tǒng)的技術(shù)采用的是機械式定位，其定位速度慢、精度不高等缺點，嚴重影響電子行業(yè)的發(fā)展。現(xiàn)采用視覺定位系統(tǒng)，使得這些設(shè)備更靈活、更自主地適應(yīng)所處的環(huán)境，以滿足柔性生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。圖2為一臺帶視覺功能的COG裝置，本裝置能實現(xiàn)將IC對位預(yù)壓在LCD或FPC（軟性線路板）上，該系統(tǒng)的視覺部分采用了Adept HexSight的幾何特征定位器（locator），定位精度到 ，定位速度在30ms以內(nèi)，該定位器在光線變化、圖像覆蓋、背景凌亂、對比度突變等條件下均能獲得十分穩(wěn)定的效果，且對于對象相對于模板的縮放比例（Scale）和旋轉(zhuǎn)（Rotation）均能準確快速地識別。
圖 2 COG IC對位裝置 （深圳市視覺龍科技有限公司友情提供）
4.3 全自動視覺定位商標切割機
隨著紡織刺繡、商標業(yè)不斷的發(fā)展，其技術(shù)要求越來越高，傳統(tǒng)的定位方式已難以勝任切割精度高、速度快的要求。為了解決紡織刺繡、商標等商品切割的實際問題，在原有切割機的基礎(chǔ)上，安裝一套視覺系統(tǒng)，并結(jié)合目前最高端的DSP 技術(shù)，完成全自動視覺定位切割功能。圖3為一款全自動視覺定位商標切割機，其切割速度能達到40，000mm/min,定位精度能達到<mm。該機也是采用了PC式的視覺系統(tǒng)，與運動控制有機集成在一起。在該系統(tǒng)內(nèi)，視覺軟件包的運算速度以及坐標定位的亞象素（sub-pixel）技術(shù)是該機達到上述性能指標的重要保證，同時HexSight還能輸出匹配實例（Instance）相對于標準模板的縮放比例（Scale），這點對于布匹切割的實時補償尤為關(guān)鍵。
圖3 SM-963型全自動攝像定位商標切割機(東莞粵銘激光有限公司友情提供)
5 總結(jié)
上面幾個視覺系統(tǒng)已經(jīng)在工廠內(nèi)投入運行，至今一直運行良好，穩(wěn)定。從上述對幾個案例分析來看，我們不難發(fā)現(xiàn)，作為一個系統(tǒng)集成商，開發(fā)一款PC式的視覺系統(tǒng)，最佳捷徑首先還是選擇一款專業(yè)的視覺軟件包，這樣可以提高產(chǎn)品的整體性能和縮短項目開發(fā)周期。
參考文獻：
[1] 楊崴,丁少華。 PC式視覺系統(tǒng)與嵌入式視覺系統(tǒng)的比較。
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