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摘要：主要介紹了機器視覺的測量原理及其在尺寸測量上的應用，系統(tǒng)通過運動控制卡驅動伺服滑臺，帶動產(chǎn)品運動，在運動中通過CCD相機將被測目標轉成圖像信號而送至影像處理卡。PC對經(jīng)初步處理的信號進行各種運算來抽取目標特征，進而轉化成尺寸測量數(shù)據(jù)。
關鍵詞：機器視覺；CCD；相機；影像處理卡；運動控制卡；測量

Abstract: The paper presents the principle of the PC-based machine vision systems and the application in range measurement. The images of the measured objects are taken by a CCD camera, and then sent to the vision card .The features of object are extracted by processing the information of images by a pc, and the final range data is obtained from these features.
Key words: Machine vision; CCD; Camera; Vision card; Motion card; Measurement

1  前言

    在電子行業(yè)日新月異飛速發(fā)展的情況下，電子連接器的發(fā)展也一日千里，日益呈精巧化發(fā)展。如SMD類產(chǎn)品（如IC及連接器等）的平面度（coplanarity）一般為0.08mm~0.1mm，其間距（pitch）也由2.54mm發(fā)展到0.6mm、0.5mm甚至0.4mm。再如PC主板中CPU連接器（Socket）也由PGA發(fā)展成BGA封裝。而其生產(chǎn)過程中零件及成品的尺寸測量的在線測量用傳統(tǒng)方式已無法勝任，采用機器視覺測量漸漸被業(yè)界所接受，本文即就機器視覺在電子連接器生產(chǎn)中在線尺寸測量的具體應用做一詳細介紹。

2  機器視覺原理及特點

    所謂機器視覺，就是用機器代替人眼來做測量及判斷。具體來講，是指通過鏡頭將被測目標轉化為圖像信號，投射至影像接受器件（一般為CCD元件）上再通過計算機進行分析處理。CCD是英文（Charge Coupling Device）的縮寫，其中文含義為電荷耦合組件。當不同強度的光線照射在CCD表面，CCD即發(fā)生光電效應，產(chǎn)生對應分布的電荷量。通過模數(shù)轉換即可得到對應的數(shù)字量。由于一般均采用8位模數(shù)轉換，則最低強度光線（黑）到最高強度光線（白）分成256等分（0~255），專業(yè)術語稱之為灰階或灰度。
    當外部影像通過鏡頭投影到一塊由很多CCD組成陣列的元件板上，每個CCD即可分到該影像的一部分。這樣計算機通過A/D轉換，讀取所有CCD的數(shù)據(jù)，從而就可得到一幅完整的影像。由于CCD陣列有很多種組合，如：512*480、640*480、800*600、1024*768等等，專業(yè)術語稱之為解析度。其中每個CCD稱為一個像素（pixel)。當CCD陣列已固定，如采用800*600 CCD，一幅影像即被分成800*600等份。當計算機從CCD端取得一幅影像，即根據(jù)系統(tǒng)的灰階設定，通過二值化處理，得出影像的輪廓。即可得出指定部位輪廓的像素位置差，根據(jù)以標準量塊對每像素對應尺寸進行標定，得出換算系數(shù)。從而可得出指定測量的尺寸數(shù)值。
    機器視覺系統(tǒng)的特點是測量精確、穩(wěn)定、快速、可大幅度提高生產(chǎn)的柔性及自動化程度以提高生產(chǎn)效率，且易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的核心技術之一。如在一些不適合人工作業(yè)的危險環(huán)境；在當前大批量工業(yè)自動生產(chǎn)過程中，用人工檢查產(chǎn)品質量效率過低且精度不高；和其他一些人工視覺難以滿足要求的場合，機器視覺正在迅速取代人工視覺。事實上，也正因如此，在世界上現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，機器視覺已經(jīng)廣泛用于工況監(jiān)控，成品檢驗及其他質量控制等領域。在我國，這種應用也逐漸被認知，對機器視覺的需求也越來越多。

3  系統(tǒng)技術方案簡述

    本系統(tǒng)整體技術方案為：在自動流水線上，由自動機械手A將被測產(chǎn)品從包裝盤中用真空吸盤吸取，放置在測量承座上。由伺服滑臺帶動向前運動，每運動到一個測量位置，即通過PC觸發(fā)CCD相機取像，取像結束，伺服滑臺又運動到下一個測量位置，同時即對取得影像進行處理，待全部圖像取完即測量完成。系統(tǒng)根據(jù)設定的規(guī)格判別產(chǎn)品的PASS/FAIL，如為PASS則由自動機械手B將其取放至下一個工位；如為FAIL則由該機械手將其取放至不良品放置盒以等待處理。其系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1  系統(tǒng)架構框圖

4  系統(tǒng)硬件架構

    系統(tǒng)主要包括CCD相機、鏡頭、光源、PC（含影像處理卡及運動控制卡） 、伺服執(zhí)行機構等。其主要架構可分為影像測量及位置控制兩大部分。
4.1  影像測量部分
    (1)  CCD相機 
    CCD相機結構基本上與普通相機差異不大，其中最重要的不同在于普通相機的感光元件是膠卷，而CCD相機的是CCD元件。根據(jù)CCD元件結構不同，大致可分為線陣CCD相機及面型CCD相機，而線型CCD又可分單溝道線陣CCD和雙溝道線陣CCD，面陣CCD根據(jù)排列方式可分幀轉移、隔列轉移、線轉移及全幀轉移等方式；根據(jù)CCD元件辨別色彩能力分黑白型CCD相機及彩色CCD相機。在工業(yè)控制領域用途最廣的是面型CCD相機（黑白型）。
    當使用普通相機在拍攝快速運動的物體時，圖像容易模糊，這要求相機縮短曝光時間即提高快門速度。在CCD相機中，可通過電子快門來實現(xiàn)。CCD相機控制每個像素的電荷積累時間，以控制入射光在CCD芯片上的作用時間，也即只將某一段時間產(chǎn)生的電荷作為圖像信號輸出，而其他時間產(chǎn)生的電荷則排放掉不予使用。這樣，就等效于縮短存儲電荷時間，相當于縮短光線照射在CCD上的時間，如同加了快門一樣，這就是電子快門的工作原理。
    本系統(tǒng)中采用日本日立公司KP-F3W黑白模擬CCD相機，該相機內置1/3英寸CCD，其最大像素為699（橫）*503（縱），其有效像素為647（橫）*485（縱）。其電子快門速度為1/16000，1/8000，1/4000，1/2000，1/1000，1/500，1/200可選。
    (2)  鏡頭
    鏡頭的選擇對系統(tǒng)來說也很重要。普通攝像鏡頭的最小工作距離約為500mm左右，但在工業(yè)機器視覺測量，一般要求工作距離都較小，常為30mm~100mm之間。所以在使用中要采用近攝頭鏡。簡單的近攝鏡頭是在普通鏡頭和CCD相機之間加入一個接圈，使CCD可以位于鏡頭的像方聚焦面之外一段距離，從而可以攝取到較近距離目標的像，但它受到圖像清晰度的限制。一般在要求較高的機器視覺系統(tǒng)中均采用專用的近攝鏡頭。
    首先，鏡頭的成像面一定要與CCD相機相匹配。CCD芯片一般有1/3英寸、1/2英寸、2/3英寸等等。鏡頭的成像面不可小于CCD芯片，當然也不要過大。另外如焦距、景深、視野和最小工作距離等也很重要。所有的這些選擇，并沒有一成之規(guī)，只能根據(jù)實際情況來決定，如每幅圖像所需覆蓋的有效工作范圍、系統(tǒng)的允許空間、被測物體是否凹凸不平等。一般來說，選擇鏡頭盡可能選擇最小工作距離較小，視野較大，且景深較大同時鏡頭本身的畸變最小。
    (3)  光源   
    一個穩(wěn)定可靠的處理系統(tǒng)，不能僅局限于在實驗室里獲得一時性的優(yōu)質影像，重要的是在實際的生產(chǎn)現(xiàn)場持續(xù)獲得高質量，高對比度的影像。因為與實驗室不同，生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境條件會出現(xiàn)各種變化如環(huán)境光線的變化，被測物體表面狀況，材質和傾斜角度，被測產(chǎn)品種類的更換等。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高照明光源的品質是至關重要的。據(jù)有關統(tǒng)計，機器視覺系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素60%以上來自光源的選用不當或打光方式有誤。然而，適合于各行各業(yè)的萬能通用光源是不存在的。以業(yè)界觀念來看，適合的就是最好的。實際在選光源時，一般根據(jù)實際情況和經(jīng)驗決定選擇哪一類光源，最好能在決定前先多試用幾種以觀察效果。
    常見的光源有白燈、鹵素燈、LED光源、熒光燈。而現(xiàn)在LED光源在機器視覺上應用越來越廣。LED光源主要有以下特點：使用壽命長，反應時間短，有紅、綠、藍等顏色可選。選好光源后，一定要注意周圍環(huán)境光源對系統(tǒng)的影響，盡可能將測量裝置用不透明的防護罩以防干擾。
    本系統(tǒng)采用打正光方式，主光源為常見的紅光環(huán)形LED光源，再輔45^。平板式光源以加強影像對比度，如圖2所示。

圖2  系統(tǒng)光源結構圖

    (4)  影像處理裝置
    一般機器視覺系統(tǒng)采用基于單獨控制器方式或基于PC-BASE影像處理卡方式。二者各有所長，前者簡單易用，體積較小，在機器視覺行業(yè)應用十分廣泛；后者應用較復雜繁瑣，但因基于PC的強大數(shù)據(jù)處理功能及網(wǎng)絡能力，且價格較低，于近年來發(fā)展迅速，前景可觀。
    本影像處理系統(tǒng)采用凌華科技股份有限公司（ADLINK，以下簡稱凌華公司）代理的EureSys Domino Lota影像卡。該卡為32 BIT PCI總線，支持DMA工作方式，內置8Bit 32MHz A/D轉換器和8M板上緩存，同時支持2通道模擬CCD相機輸入。
4.2  位置控制部分
    因本測量系統(tǒng)的位置控制如前所述，即為采用運動控制卡驅動伺服電機，帶動工作滑臺運動。運動控制卡采用凌華公司（ADLINK）的PCI-8132，該卡為2軸步進/伺服運動控制卡。同樣為32 Bit PCI總線，采用脈沖輸出工作方式，輸出最大頻率可達2.4MHz。可同時控制2軸電機進行直線/圓弧插補。因本部分只需進行點對點直線運動，結構相對較為簡單，其他部分則不再詳細介紹。

5  系統(tǒng)軟件結構

    本系統(tǒng)軟件采用Windows 2000環(huán)境下Visual Basic 6.0作為開發(fā)平臺，以eVISION 7.0和凌華公司所提供的運動控制卡動態(tài)鏈接庫文件（*.DLL）為基礎開發(fā)而成的。
    本系統(tǒng)軟件為適應被測產(chǎn)品的多樣性，采用了參數(shù)化教導測量模式。在新建一個測量模式時，系統(tǒng)根據(jù)使用者的設定，以測量畫面為單位，記錄下每個畫面的圖像處理參數(shù)和運動控制參數(shù)而存儲為測量參數(shù)文件。系統(tǒng)啟動后，根據(jù)使用者要求調用指定的參數(shù)文件，取得各項參數(shù)，自動進行測量。
    系統(tǒng)軟件同樣可分影像處理部分及位置控制部分。
    在影像處理軟件部分，由于EureSys Domino Lota影像卡可提供動態(tài)連接庫文件（.DLL文件）和ActiveX控件（Evison.ocx）。在本系統(tǒng)設計時采用了ActiveX控件（Evison.ocx）。該控件功能十分強大，與系統(tǒng)接口方便易懂。以下就部分程序代碼做一說明。
    影像處理卡初始化子程序：
    Dim ImageSizeX As Long
    Dim ImageSizeY As Long
    '設定系統(tǒng)信號輸入架構為可同時接受2支CCD Camera
    EConfiguration1.SetParamNm "BoardTopology", "1_1"
    '設定系統(tǒng)CCD Camera的影像輸入通道為Y channel
    ECamera1.Mpf = "ALPHA_Y"  
    '設定系統(tǒng)所使用的CCD Camera的參數(shù)文件，以使影像處理卡同CCD Camera有效通信
    ECamera1.SetParamNm "CamFile", "KP-F3W_P60SA" 
    '讀取CCD Camera 的實際取像尺寸大小
    ImageSizeX = ECamera1.GetParamNm("ImageSizeX
    ImageSizeY = ECamera1.GetParamNm("ImageSizeY")   
    '設定顯示畫面的尺寸大小與實際CCD Camera 取像尺寸大小相同
    EBW8Image1.SetSize ImageSizeX, ImageSizeY  
    '設定Camera1的取像Buffer為 EBW8Image1
    ECamera1.Cluster = EBW8Image1 
    ECamera1.SetParamNm "SignalEnable", "Filled"   
    '設定Trigger模式
    ECamera1.SetParamNm "TrIgMode", "IMMEDIATE"         
    '設定連續(xù)取像
    ECamera1.SetParamNm "GrabCount", -1                
    ECamera1.SetParamNm "ChannelState", "Active"
    '畫面刷新
    EBW8Image1.Refresh

    在影像處理軟件中，取得影像后需要對其進行一定的前置處理，如增益調整、光線補償、銳化、邊緣提取等處理后才能得到一幅較好的影像以利后段測量。另外，實際上由于產(chǎn)品在裝夾過程中無法保證每次裝夾位置完全一致，為避免裝夾所造成測量誤差，需要對影像采用位置補償處理。
    為降低系統(tǒng)處理工作量，減少不必要的處理時間。系統(tǒng)可以通過在顯示圖像上設定檢測區(qū)域，在該區(qū)域即進行處理，區(qū)域外則不處理，從而大大節(jié)省了處理時間。在檢測區(qū)域通過圖像灰階變化而識別為邊緣，同時加以過濾，以避免影像中某些亮點對測量造成誤判。
    以下以采集測量邊緣上的點坐標數(shù)值給出子程序范例：

    Dim i As Byte
    Dim j As Byte
    Dim SamplingPoint As Byte
    Dim CenterX, CenterY As Single
     '畫面刷新
    EBW8Image1.Refresh  
    '讀取需要采集的點的數(shù)量
    SamplingPoint = CCDMeasureParameter.FormROINumber(CurrentSetForm)
    For j = 1 To SamplingPoint
       If CCDMeasureParameter.FormROIArray(CurrentSetForm, j) Then
          CCDEPointGauge(1).Load "D:\CCD自動機\" & CurrentSetForm & j & ".ccd", False
          CenterX = CCDEPointGauge(1).CenterX
          CenterY = CCDEPointGauge(1).CenterY
             For i = 2 To SamplingPoint
              CCDEPointGauge(i).Load "D:\CCD自動機\" & CurrentSetForm & j & ".ccd", False
              CCDEPointGauge(i).SetDragable False, False
              CCDEPointGauge(i).SetResizable False, False
              CCDEPointGauge(i).SetRotatable False, False
              CCDEPointGauge(i).SetCenter CenterX + (i - 1) *     CCDMeasureParameter.FormROIDistance(CurrentSetForm) * 100, CenterY
          Next
          For i = 1 To SamplingPoint
              CCDEPointGauge(i).Measure EBW8Image1.object
          Next
       End If
    Next

    值得注意的是，測量所返回的數(shù)據(jù)并不是實際的尺寸值，而是像素。要得到最后的實際尺寸數(shù)據(jù)，需要對其進行標定。標定的方法為：取一個標準尺寸的工件，放在系統(tǒng)進行多次測量，去除變異的數(shù)據(jù)然后取平均值，其與實際尺寸相比較即為標定轉換系數(shù)。系統(tǒng)在運算時，用像素值除以該系數(shù)即為測量的尺寸值。 
    在伺服控制軟件部分中，由于PCI-8132運動控制卡提供動態(tài)鏈接庫文件，能方便地與VB開發(fā)環(huán)境相結合，系統(tǒng)可調用動態(tài)鏈接庫文件中的函數(shù)來直接操作，以進行原點回歸、直線運動及快速返回等。

6  結語

    本機器視覺測量系統(tǒng)現(xiàn)應用于手機連接器自動生產(chǎn)線的在線測量，能對多種產(chǎn)品的二維尺寸如間距（PITCH）、長度、寬度、位置等進行快速在線測量。其CCD像素基本測量精度為0.01mm，通過軟件細分，實際測量精度可達0.003~0.005mm。經(jīng)過一年多的實際上線運行，證明該測量系統(tǒng)運行穩(wěn)定，測量結果精確可靠，有效地保證了產(chǎn)品品質，取得良好的經(jīng)濟效益。

參考文獻：
[1]  王慶有. CCD應用技術[M]. 天津大學出版社，2000.