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    房超
男，天津科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺和模式識(shí)別。現(xiàn)任大恒圖像視覺算法部經(jīng)理，多年來一直從事視覺系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和算法研究工作。(中國(guó)大恒(集團(tuán))有限公司北京圖像視覺技術(shù)分公司，北京    100086)

1  機(jī)器視覺概述

    作為一門新興的學(xué)科，機(jī)器視覺近20年來一直以迅猛的速度發(fā)展，自90年代中期以來，機(jī)器視覺的發(fā)展已經(jīng)從最初的實(shí)驗(yàn)室研究階段逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用的發(fā)展階段。尤其進(jìn)入21世紀(jì)以后，機(jī)器視覺在各行各業(yè)的應(yīng)用得到了前所未有的普及和推廣，理論研究也在高分辨率的多灰度圖像處理、三維視覺模型、模式識(shí)別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域內(nèi)取得了很大的進(jìn)展。

    1.1   機(jī)器視覺發(fā)展的客觀因素

    近幾年來機(jī)器視覺的長(zhǎng)足發(fā)展得益于以下的事實(shí)：

    （1）計(jì)算機(jī)工業(yè)水平的飛速提高以及人工智能、并行處理和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科的發(fā)展，使得機(jī)器視覺系統(tǒng)的實(shí)用化程度得到了進(jìn)一步的提高，同時(shí)促進(jìn)了許多復(fù)雜視覺過程的研究；

    （2）攝像機(jī)技術(shù)的發(fā)展使得高速和高精度應(yīng)用場(chǎng)合的視覺系統(tǒng)成為可能；

    （3）光源的發(fā)展尤其高亮度專用LED照明光源的使用使得視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到很大的提高，同時(shí)降低了算法的復(fù)雜程度；

    （4）許多專業(yè)傳感器的發(fā)展使得視覺系統(tǒng)在定位采集和控制輸出上的能力進(jìn)一步增強(qiáng)。

    1.2   視覺系統(tǒng)取代人工檢測(cè)是現(xiàn)代化進(jìn)程的必然趨勢(shì)

    目前，機(jī)器視覺系統(tǒng)正在廣泛地應(yīng)用于視覺檢測(cè)、機(jī)器人的視覺引導(dǎo)和自動(dòng)化裝配領(lǐng)域中。在現(xiàn)代化的大生產(chǎn)之中，產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)和工藝環(huán)節(jié)中的質(zhì)量控制往往是不可缺少的，比如，印刷品質(zhì)量、產(chǎn)品上號(hào)碼的印刷質(zhì)量、機(jī)械零件的外觀、產(chǎn)品包裝的外觀、電路板焊接的好壞，等等。在應(yīng)用視覺檢測(cè)系統(tǒng)之前都是依賴于人工檢測(cè)，通過肉眼或結(jié)合輔助工具進(jìn)行觀測(cè)檢驗(yàn)。人工檢測(cè)的弊端很多，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

    （1）人工檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低；

    （2）較多的人工檢驗(yàn)人員會(huì)造成較大的人工成本；

    （3）人工檢測(cè)的主觀性會(huì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，沒有嚴(yán)格統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，尤其在一些無法量化的定性檢測(cè)上，每個(gè)人的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)都不一樣，直接影響最終的檢測(cè)結(jié)果；

    （4）在一些高速的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，人工檢測(cè)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全檢，抽檢的結(jié)果會(huì)導(dǎo)致大量不合格產(chǎn)品的產(chǎn)生；

    （5）在高精度的檢測(cè)要求下，人工檢測(cè)的慢速度無法對(duì)所有產(chǎn)品進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)；

    （6）在某些高溫或有毒場(chǎng)合，無法通過人工方式對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)；

    （7）人工檢測(cè)的數(shù)據(jù)無法準(zhǔn)確及時(shí)地納入質(zhì)量管理系統(tǒng)；

    （8）許多檢測(cè)的工序需要的是準(zhǔn)確定位坐標(biāo)和角度信息，這些工作是很難靠人眼快速完成的。 

    在生產(chǎn)領(lǐng)域采用基于機(jī)器視覺技術(shù)的在線檢測(cè)系統(tǒng)，可以完全克服以上人工檢測(cè)存在的種種問題。隨著生產(chǎn)過程自動(dòng)化控制程度和產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高以及人工成本的逐年提高，生產(chǎn)領(lǐng)域采用視覺檢測(cè)系統(tǒng)用于質(zhì)量檢測(cè)和控制的呼聲也越來越強(qiáng)烈，越來越迫切。

    1.3   視覺系統(tǒng)的基本工作原理

    機(jī)器視覺系統(tǒng)一般采用CCD攝像機(jī)采集待測(cè)物圖像，再采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，根據(jù)處理分析的結(jié)果實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別、尺寸或坐標(biāo)計(jì)算、缺陷分析等多種功能。最后將檢測(cè)結(jié)果輸出：既可輸出報(bào)警信號(hào)，也可輸出控制信號(hào)以配合執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成位置調(diào)整或者實(shí)現(xiàn)好壞篩選。與人工視覺相比較，機(jī)器視覺的最大優(yōu)點(diǎn)是精確、快速、可靠以及數(shù)字化。

    1.4   視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

    機(jī)器視覺系統(tǒng)主要由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。其中圖像的獲取是一個(gè)視覺系統(tǒng)成敗的基礎(chǔ)，只有獲取了穩(wěn)定可靠的待測(cè)物圖像，將待測(cè)物缺陷完整準(zhǔn)確地表現(xiàn)出來，才能保證分析階段的可行和可靠，因此可以說圖像的獲取方案最能體現(xiàn)視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水平；圖像的處理和分析主要是通過硬件或軟件的方法來對(duì)待測(cè)物圖像進(jìn)行分析處理，通過圖像處理和模式識(shí)別的方法將待測(cè)物的缺陷提取出來并準(zhǔn)確分類，這一階段可以說是體現(xiàn)了視覺系統(tǒng)的技術(shù)水平和算法設(shè)計(jì)能力，尤其在一些精度高，速度快的應(yīng)用場(chǎng)合，算法設(shè)計(jì)起到?jīng)Q定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵作用；結(jié)果的輸出與顯示主要是要對(duì)分析的結(jié)果進(jìn)行輸出顯示或控制輸出等處理，主要體現(xiàn)了視覺系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)水平，其中輸出控制屬于自動(dòng)控制的范疇。

2    視覺系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)步驟
 
    一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)用性和技術(shù)水平主要取決于設(shè)計(jì)工作的細(xì)致性，因此首先要仔細(xì)分析客戶需求，根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)工作條件來確定系統(tǒng)方案。下面簡(jiǎn)要介紹視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟。

    2.1   圖像獲取方案設(shè)計(jì)

    （1）根據(jù)系統(tǒng)的精度和速度要求確定攝像機(jī)的分辨率、行頻或幀率；

    （2）根據(jù)視場(chǎng)大小和物距要求以及安裝空間位置要求確定鏡頭的各項(xiàng)參數(shù)；

    （3）根據(jù)待測(cè)物特征確定光源和照明方式；

    （4）確定圖像采集的控制方式，面陣相機(jī)方案主要是確定外觸發(fā)方式，線陣相機(jī)方案主要是確定編碼器行信號(hào)和復(fù)位信號(hào)的使用；

    （5）  考慮圖像采集的抗干擾設(shè)計(jì)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的干擾源很多，因此要根據(jù)實(shí)際的工作環(huán)境來設(shè)計(jì)抗干擾方案。

    2.2   圖像處理和分析方案設(shè)計(jì)

    主要是涉及到軟件算法的設(shè)計(jì)。

    （1）首先要確定是采用DSP的處理方式還是純軟件的處理方式；

    （2）其次要確定開發(fā)語言，即確定高級(jí)語言程序的編譯調(diào)試工具，目前常用的是VC，VB和C++ Builder等；

    （3）確定圖像處理工具的使用，為了加快開發(fā)進(jìn)度可以采用一些成熟的圖像處理庫，常見的主要有OpenCV，IPP以及Halcon等一些專業(yè)處理庫；

    （4）算法設(shè)計(jì)，根據(jù)采集的待測(cè)物圖像設(shè)計(jì)分割和模式識(shí)別的算法；

    （5）分類方法設(shè)計(jì)，根據(jù)圖像分析的結(jié)果對(duì)各種缺陷準(zhǔn)確分類。

    2.3   輸出設(shè)計(jì)

    結(jié)果輸出可根據(jù)客戶的實(shí)際需要和調(diào)試維護(hù)的需求來設(shè)計(jì)。

    （1）顯示設(shè)計(jì)，包括圖像顯示、分類結(jié)果顯示等；

    （2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包括圖像存儲(chǔ)、檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等；

    （3）報(bào)警輸出，即報(bào)警方式設(shè)計(jì)，包括用戶界面上的報(bào)警輸出、聲光報(bào)警等；

    （4）控制輸出，根據(jù)實(shí)際需要確定控制輸出的方式，主要有停機(jī)控制、剔廢控制和反饋控制等。

3    視覺系統(tǒng)在工業(yè)檢測(cè)的應(yīng)用案例

    機(jī)器視覺系統(tǒng)首先在一些效益好的規(guī)模型企業(yè)得到有效地應(yīng)用，如人民幣生產(chǎn)企業(yè)、鋼鐵企業(yè)、煙草生產(chǎn)企業(yè)、大型印刷企業(yè)、汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)以及芯片電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)等。這些企業(yè)長(zhǎng)期以來跟國(guó)外的合作較多，能夠很快接受先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)。規(guī)模型企業(yè)在質(zhì)量檢驗(yàn)方面的人員比較多，比較適合視覺檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。尤其隨著競(jìng)爭(zhēng)的加劇，企業(yè)強(qiáng)烈需要通過采用視覺檢測(cè)系統(tǒng)提高產(chǎn)品質(zhì)量，通過降低廢品率來控制生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理的數(shù)字化。

    以下簡(jiǎn)要介紹視覺系統(tǒng)在工業(yè)檢測(cè)中的幾個(gè)常見的應(yīng)用案例。

    3.1   OCR與OCV

    很多產(chǎn)品上都印刷有號(hào)碼，這些號(hào)碼有的是作為防偽的措施而存在的，有的是作為產(chǎn)品的唯一標(biāo)識(shí)碼。如人民幣上的號(hào)碼即可用作防偽，也是表征該人民幣的唯一標(biāo)識(shí)碼。每個(gè)人民幣印制企業(yè)對(duì)號(hào)碼印刷的質(zhì)量要求都很高，行業(yè)里也有統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，號(hào)碼作為可見的防偽措施，其印刷的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)人民幣產(chǎn)品的質(zhì)量，因此人民幣印制企業(yè)在印碼工序上都安裝有基于機(jī)器視覺的印碼在線質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，作為印碼質(zhì)量控制的一項(xiàng)必需手段。

圖1   人民幣上的號(hào)碼

 

圖２  增值稅票上的號(hào)碼               圖3  牙膏上的號(hào)碼

    當(dāng)然還有其他方式的號(hào)碼產(chǎn)品，如噴碼的應(yīng)用也很廣泛，一些票據(jù)的號(hào)碼和香煙外包裝上的隱形熒光噴碼都是通過噴碼機(jī)直接噴印到產(chǎn)品表面的，但是噴碼的應(yīng)用場(chǎng)合多是OCR，只校驗(yàn)噴碼的正確性，不做噴印質(zhì)量分析。

圖8    硬幣表面質(zhì)量檢測(cè)



圖9    墊片表面質(zhì)量檢測(cè)

圖10    香煙條盒的外包裝質(zhì)量檢測(cè)