1.引言

現(xiàn)代工業(yè)自動化生產中涉及到各種各樣的檢驗、生產監(jiān)視和零件識別應用，如汽車零配件批量加工的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、IC上的字符識別等。通常這種帶有高度重復性和智能性的工作是由肉眼來完成的，但在某些特殊情況下，如對微小尺寸的精確快速測量、形狀匹配以及顏色辨識等，依靠肉眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地進行，其它物理量傳感器也難以勝任。人們開始考慮用CCD照相機抓取圖像后送入計算機或專用的圖像處理模塊，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。這種方法是把計算機處理的快速性、可重復性與肉眼視覺的高度智能化和抽象能力相結合，由此產生了機器視覺檢測技術的概念。

視覺檢測技術是建立在計算機視覺研究基礎上的一門新興測試技術。與計算機視覺研究的視覺模式識別、視覺理解等內容不同，視覺檢測技術重點研究的是物體的幾何尺寸及物體的位置測量，如轎車白車身三維尺寸的測量、模具等三維面形的快速測量、大型工件同軸度測量以及共面性測量等，它可以廣泛應用于在線測量、逆向工程等主動、實時測量過程。視覺檢測技術在國外發(fā)展很快，早在20世紀80年代，美國國家標準局就曾預計未來90％的檢測任務將由視覺檢測系統(tǒng)來完成。因此僅在80年代，美國就有100多家公司躋身于視覺檢測系統(tǒng)的經(jīng)營市場，可見視覺檢測系統(tǒng)確實很有發(fā)展前途。在近幾屆北京國際機床展覽會上已經(jīng)見到國外企業(yè)展出的應用視覺檢測技術研制的先進儀器，如流動式光學三坐標測量機、高速高精度數(shù)字化掃描系統(tǒng)、非接觸式光學三坐標測量機等。

2.機器視覺檢測系統(tǒng)構成、分類及工作原理

2.1 系統(tǒng)構成與工作原理

(1)系統(tǒng)構成

典型的視覺系統(tǒng)一般包括光源、鏡頭、CCD照相機、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊／輸入輸出單元等。

(2)工作原理

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))。通常，機器視覺檢測就是用機器代替肉眼來做測量和判斷。

首先采用CCD照相機將被攝取目標轉換成圖像信號，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。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(如定位和分類)。

2.2 系統(tǒng)分類

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。PC—Based系統(tǒng)內含高性能圖像采集卡，一般可接多個鏡頭，并提供庫函數(shù)支持。目前世界一流的PC—Based視覺系統(tǒng)生產廠商美國Data Translation公司，其MACH 系列(如DT3155)和MV系列PC I工業(yè)視覺卡已經(jīng)成為業(yè)界標準；配套軟件方面，32位SDK for Windows95/98/NT提供C/C++編程用DLL，DT Active Open Layer可視化控件提供VB和VC++下的圖形化編程環(huán)境，而DT Vision Foundry則是Windows下面向對象的機器視覺組態(tài)軟件，用戶可用它快速開發(fā)復雜高級的應用。類似的還有美國NI公司，該公司將機器視覺和運動控制功能與其被廣泛應用的Labview虛擬儀器軟件相結合，效果顯著。

與美國公司大力發(fā)展PC結構相比，日本和德國公司在PLC—Based系統(tǒng)方面走在前列。在PLC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)。日本松下公司的Image Checker M100/M200系統(tǒng)可說是這方面的代表。該系統(tǒng)利用高速專用ASIC進行256級灰度檢測，帶邏輯條件和數(shù)學運算功能。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，開發(fā)周期短，系統(tǒng)可*性高，其新一代產品A110/A210體現(xiàn)了集成化、小型化、高速化和低成本的特點。歐姆龍、Keyence等公司也有類似的系統(tǒng)，但在技術性能上相對簡單，更適用于進行有無判別或形狀匹配等。而德國Siemens公司的智能化PROFIBUS工業(yè)視覺系統(tǒng)SIMATICVS 710提供了一體化的、分布式的高檔圖像處理方案，它將處理器、CCD、I/O集成在一個機箱內，提供PROFIBUS的聯(lián)網(wǎng)方式或集成的I/O和RS232接口，更重要的是通過PCWINDOWS下的Pro Vision軟件進行組態(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。

3.機器視覺檢測系統(tǒng)的典型應用領域及市場現(xiàn)狀

現(xiàn)代視覺理論和技術的發(fā)展，不僅在于模擬人眼能完成的功能，更重要的是它能完成人眼所不能勝任的工作。在當今電子、光學和計算機等技術不斷成熟和完善的基礎上，視覺技術這個新興技術門類也得到迅速發(fā)展。

機器視覺的特點是自動化、客觀性、非接觸和高精度。與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比，機器視覺系統(tǒng)強調的是精度、速度以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。機器視覺特別適用于大批量生產過程中的質量檢查，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，主要應用于包括汽車、制藥、電子與電氣、制造、包裝、食品、飲料、醫(yī)學等領域，用于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、IC表面印字符的辨識、膠囊生產中對膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查、軸承生產中對滾珠數(shù)量和破損情況的檢查、食品包裝上對生產日期的辨識、對標簽貼放位置的檢查以及醫(yī)療方面對細胞數(shù)量和性質的判斷等。由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，易于自動處理，也易于與設計信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產過程中，機器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質量控制等領域。機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產的柔性和自動化程度，在一些不適合人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，采用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產過程中，用人工視覺檢查產品質量不僅效率低而且精度不高，而用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度；此外，機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎技術。國際上視覺系統(tǒng)的應用方興未艾，僅1998年的市場規(guī)模已達46億美元，而在國內，工業(yè)視覺系統(tǒng)尚處于概念導人期，各行業(yè)的領先企業(yè)在解決了生產自動化的問題以后，才開始將目光轉向視覺測量自動化。