一文了解機(jī)器視覺

在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺已經(jīng)開始慢慢取代人工視覺，尤其是在工況檢測(cè)、成品檢驗(yàn)、質(zhì)量控制等領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛，隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，這一趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)。

機(jī)器視覺，是通過光學(xué)裝置和非接觸式的傳感器，自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置

這是美國(guó)制造工程師協(xié)會(huì)(SME)機(jī)器視覺分會(huì)和美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)(RIA)自動(dòng)化視覺分會(huì)，對(duì)機(jī)器視覺的定義。

? SME——Society of Manufacturing Engineers

? RIA——Robotic Industrial Association

機(jī)器視覺，就是用機(jī)器代替人眼，來做測(cè)量和判斷。本質(zhì)上，機(jī)器視覺是圖像分析技術(shù)在工廠自動(dòng)化中的應(yīng)用，通過使用光學(xué)系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)字相機(jī)和圖像處理工具，來模擬人的視覺能力，并做出相應(yīng)的決策，通過指揮某種特定的裝置執(zhí)行這些決策。

原因有很多，以下列出較主要的幾點(diǎn)：

1、從生產(chǎn)效率的角度來說，由于操作工在長(zhǎng)時(shí)間工作下容易疲憊，人工視覺質(zhì)量效率低下且精度不高，而機(jī)器視覺可以大大提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。

2、從成本控制的角度來說，培訓(xùn)一個(gè)合格的操作工需要企業(yè)管理者花費(fèi)大量的人力物力，然而單純的培訓(xùn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，后續(xù)還需要花費(fèi)大量的時(shí)間，使操作工的水平在實(shí)踐中得到提升。而機(jī)器視覺系統(tǒng)只要設(shè)計(jì)、調(diào)試和操作得當(dāng)，可以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)不間斷使用，同時(shí)確保生產(chǎn)效果。

3、在某些特殊工業(yè)環(huán)境中實(shí)施工況檢測(cè)，如焊接制造等，人工視覺可能會(huì)對(duì)操作工的人身造成威脅，而機(jī)器視覺從某種程度上有效地規(guī)避了這些風(fēng)險(xiǎn)。

一個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)是由不同的功能模塊共同組成，設(shè)計(jì)出一個(gè)成功的機(jī)器視覺系統(tǒng)，對(duì)工程師要求很高。

一般來說，機(jī)器視覺所涵蓋的專業(yè)領(lǐng)域如下：

1、電氣工程：用于機(jī)器視覺系統(tǒng)中硬件和軟件的設(shè)計(jì)。

2、工程數(shù)學(xué)：圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)。

3、物理：照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

4、機(jī)械工程：機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用。好的機(jī)器視覺系統(tǒng)能更好地為制造業(yè)提供更多有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的技術(shù)支持。

一個(gè)完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)一般由光學(xué)系統(tǒng)(光源、鏡頭、工業(yè)相機(jī))、圖像采集單元、圖像處理單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)及人機(jī)界面等模塊組成，所有功能模塊相輔相成，缺一不可。

照明(光源)

照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，直接關(guān)系到輸入數(shù)據(jù)，即圖像的質(zhì)量和應(yīng)用效果。

工程師需根據(jù)用戶需求和產(chǎn)品特性，首先確定有效的照明條件，選擇相應(yīng)的照明裝置，才能確保在此光照條件下生成的圖像能突顯出用戶需要的目標(biāo)信息特征。

光源一般分為可見光源和不可見光源，工業(yè)上常用的可見光源有LED、鹵素?zé)?、熒光燈?不可見光源主要為近紅外光、紫外光、X射線等。

LED光源是目前運(yùn)用多的機(jī)器視覺光源，它具有效率高、壽命長(zhǎng)、防潮抗震、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，是工程師在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時(shí)的選擇。

不可見光源主要用來應(yīng)對(duì)一些特定的需求，如管道焊接工藝的檢測(cè)，由于不可見光的可穿透性，才能到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)。

鏡頭

鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的重要組件，其作用是光學(xué)成像。

鏡頭的主要參數(shù)有焦距、景深(DOF，Depth of Field)、分辨率、工作距離、視場(chǎng)(FOV，F(xiàn)ield of View)等。

景深，是指鏡頭能夠獲得佳圖像時(shí)，被攝物體離此佳焦點(diǎn)前后的距離范圍。

視場(chǎng)，表示攝像頭所能觀測(cè)到的大范圍，通常以角度表示，一般說來，視場(chǎng)越大，觀測(cè)范圍越大。

工作距離，是指鏡頭到被攝物體的距離，工作距離越長(zhǎng)，成本越高。

在設(shè)計(jì)機(jī)器視覺系統(tǒng)時(shí)，要選擇參數(shù)與用戶需求相匹配的鏡頭。

工業(yè)相機(jī)

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中工業(yè)相機(jī)必不可少，它就像人眼一樣，用來捕獲圖像。相機(jī)按其感光器的不同，可分為：CCD相機(jī);CMOS 相機(jī)。

CCD—Charge Coupled Device

CMOS —Complementary MetalOxide Semiconductor

CCD相機(jī)的成本較高，但成像品質(zhì)、成像通透性、色彩的豐富性等較CMOS相機(jī)出很多。CCD相機(jī)按其使用的CCD感光元件可分為線陣式和面陣式兩大類。

線陣相機(jī)，是呈“線”狀的，對(duì)圖像的信息只能以行為單位進(jìn)行處理，分辨率高，速度快，主要應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域中，相配套的機(jī)器視覺系統(tǒng)上。

面陣式相機(jī)則一次可以獲得整幅圖像的信息，價(jià)格相對(duì)便宜。

圖像采集單元

圖像采集單元中重要的元件是圖像采集卡，它是圖像采集單元與圖像處理單元的接口，用來將采集到的圖像進(jìn)行數(shù)字化，并輸入、存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中。

圖像處理單元包含大量圖像處理算法。在取得圖像后，用這些算法對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理，分析計(jì)算，并輸出結(jié)果。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)與人機(jī)界面

在完成圖像采集和處理工作之后，需要將圖像處理的結(jié)果輸出，并做出與結(jié)果相匹配的動(dòng)作，如剔廢、報(bào)警等，并通過人機(jī)界面顯示生產(chǎn)信息。

通過光學(xué)系統(tǒng)，將需要拍攝的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成為圖像信號(hào)，再將圖像信號(hào)傳送至圖像采集卡，并根據(jù)像素分布、亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)。

圖像處理單元對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行有效地運(yùn)算并獲得拍攝目標(biāo)的特征值，從而根據(jù)判別的結(jié)果來指揮設(shè)備進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。

這張圖，是一個(gè)完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)架圖。

以安瓿注射劑中異物自動(dòng)燈檢為例，該機(jī)器視覺系統(tǒng)的工作流程如下：

首先，待檢的安瓿瓶由機(jī)械輸送裝置輸送至檢測(cè)工位，PLC發(fā)出“物體已到達(dá)”信號(hào)。

隨后，相機(jī)(camera and lens)和光源(light source)被觸發(fā)并同步開啟，對(duì)待檢安瓿瓶中液體進(jìn)行圖像獲取。

接著，獲取到的藥液狀態(tài)圖像在圖像采集卡(image processing hardware)中進(jìn)行數(shù)字化，并將被數(shù)字化的圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

然后，所存儲(chǔ)的信息被運(yùn)到圖像處理軟件，對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行處理與異物特征分析，判斷液體質(zhì)量是否合乎要求并做出決策，如好品GOOD，壞品NOTGOOD。

由控制系統(tǒng)，如PLC指揮某特定裝置執(zhí)行上述決策，即將好品和壞品通過不同的輸出通道分選開來，并在人機(jī)界面上顯示相關(guān)數(shù)據(jù)。