1. 機(jī)器視覺的概念引入

    人類在生產(chǎn)實(shí)踐的過程中，面臨自身能力的局限性，因而發(fā)明和創(chuàng)造了許多智能機(jī)器，來輔助或代替人類完成任務(wù)。智能機(jī)器能模擬人類的功能，感知外部世界并有效地解決人所不能解決的問題。人類感知外部世界主要是通過視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等感覺器官，其中約80%的信息是由視覺獲取的。因此，對智能機(jī)器來說，賦予機(jī)器以人類視覺功能是極其重要的。

    在現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢查、測量和零件識別應(yīng)用，例如汽車零配件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，飲料瓶蓋的印刷質(zhì)量檢查，產(chǎn)品包裝上的條碼和字符識別等。這類應(yīng)用的共同特點(diǎn)是連續(xù)大批量生產(chǎn)、對外觀質(zhì)量的要求非常高。通常這種帶有高度重復(fù)性和智能性的工作只能靠人工檢測來完成，我們經(jīng)常在一些工廠的現(xiàn)代化流水線后面看到數(shù)以百計(jì)甚至逾千的檢測工人來執(zhí)行這道工序，在給工廠增加巨大的人工成本和管理成本的同時，仍然不能保證100%的檢驗(yàn)合格率（即“零缺陷”），而當(dāng)今企業(yè)之間的競爭，已經(jīng)不允許哪怕是0.1%的缺陷存在。有些時候，如微小尺寸的精確快速測量，形狀匹配，顏色辨識等，用人眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，其它物理量傳感器也難有用武之地。這時，人們開始考慮把計(jì)算機(jī)的快速性、可靠性、結(jié)果的可重復(fù)性，與人類視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此逐漸形成了一門新學(xué)科――機(jī)器視覺。

    機(jī)器機(jī)器視覺是研究用計(jì)算機(jī)來模擬生物宏觀視覺功能的科學(xué)和技術(shù)。通俗地說，就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。首先采用CCD照相機(jī)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，如：面積、長度、數(shù)量、位置等；最后，根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果，如：尺寸、角度、偏移量、個數(shù)、合格/不合格、有/無等。機(jī)器視覺的特點(diǎn)是自動化、客觀、非接觸和高精度，與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比，機(jī)器視覺強(qiáng)調(diào)的是精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性。

    機(jī)器機(jī)器視覺是一個相當(dāng)新且發(fā)展十分迅速的研究領(lǐng)域。人們從20世紀(jì)50年代開始研究二維圖像的統(tǒng)計(jì)模式識別，60年代Roberts開始進(jìn)行三維機(jī)器視覺的研究，70年代中，MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室正式開設(shè)“機(jī)器視覺”課程，80年代開始，開始了全球性的研究熱潮，機(jī)器視覺獲得了蓬勃發(fā)展，新概念、新理論不斷涌現(xiàn)；現(xiàn)在，機(jī)器視覺仍然是一個非常活躍的研究領(lǐng)域，與之相關(guān)的學(xué)科涉及：圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、模式識別、人工智能、人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)等。

    2. 機(jī)器視覺的系統(tǒng)構(gòu)成和分類

    典型典型的視覺系統(tǒng)一般包括如下部分：光源，鏡頭，CCD照相機(jī)，圖像處理單元（或圖像捕獲卡），圖像處理軟件，監(jiān)視器，通訊/輸入輸出單元等。視覺系統(tǒng)的輸出并非圖像視頻信號，而是經(jīng)過運(yùn)算處理之后的檢測結(jié)果，如尺寸數(shù)據(jù)。上位機(jī)如PC和PLC實(shí)時獲得檢測結(jié)果后，指揮運(yùn)動系統(tǒng)或I/O系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動作，如定位和分選。

    從視從視覺系統(tǒng)的運(yùn)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。系統(tǒng)內(nèi)含高性能圖像捕獲卡,一般可接多個鏡頭，配套軟件方面，從低到高有幾個層次，如Windows95/98/NT環(huán)境下C/C++編程用DLL，可視化控件ActiveX提供VB和VC++下的圖形化編程環(huán)境， 甚至Windows下的面向?qū)ο蟮臋C(jī)器視覺組態(tài)軟件，用戶可用它快速開發(fā)復(fù)雜高級的應(yīng)用。在基于PLC的系統(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(dú)立于系統(tǒng)，通過串行總線和I/O與PLC交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)硬件一般利用高速專用ASIC或嵌入式計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理，系統(tǒng)軟件保存在圖像處理器中，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(jìn)行配置，或在PC上開發(fā)軟件然后下載。基于PLC的系統(tǒng)體現(xiàn)了可靠性高、集成化，小型化、高速化、低成本的特點(diǎn)。

    3. 機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用

    目前，國際上視覺系統(tǒng)的應(yīng)用方興未艾，而在中國，工業(yè)視覺系統(tǒng)尚處于概念導(dǎo)入期，各行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)在解決了生產(chǎn)自動化的問題以后，已開始將目光轉(zhuǎn)向測量自動化方面。

    機(jī)器機(jī)器視覺極適用于大批量生產(chǎn)過程中的測量、檢查和辨識，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。其最大的應(yīng)用行業(yè)為：汽車，制藥，電子與電氣，制造，包裝/食品/飲料，醫(yī)學(xué)。如對汽車儀表盤加工精度的檢查，高速貼片機(jī)上對電子元件的快速定位，對管腳數(shù)目的檢查，對IC表面印字符的辨識，膠囊生產(chǎn)中對膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查，軸承生產(chǎn)中對滾珠數(shù)量和破損情況的檢查，食品包裝上面對生產(chǎn)日期的辨識，對標(biāo)簽貼放位置的檢查等等。下面給出幾個例子：

    生產(chǎn)線、裝配線質(zhì)量檢測： 

    檢查印刷是否正確 

    外形及尺寸檢查 

    位置檢測 

    表面檢測 

    速度：動態(tài)或靜止目標(biāo)檢測，

    檢測速度（吞吐量）可達(dá)： 10 物件/秒   

    裝瓶過程中最嚴(yán)格的質(zhì)檢員：  

    瓶體分類 

    標(biāo)簽檢查 

    缺損識別 

    灌瓶液位測量 

    支持動態(tài)檢測，吞吐量可達(dá)：25 物件/秒   

    零部件測量：   

    長度測量：精度可達(dá)1/1000 mm 

    角度測量 

    面積測量 

    公制單位的結(jié)果輸出 
    
    支持動態(tài)或靜態(tài)檢測，吞吐量可達(dá)：25 物件/秒   

    完整性檢測：-確保標(biāo)簽與實(shí)際物品相符  

    標(biāo)簽印刷是否正確 

    外形輪廓檢查 

    表面檢測 

    代碼識別 

    可使用頻閃或連續(xù)光源 

    支持動態(tài)或靜態(tài)檢測吞吐量：10 物件/秒  

    檢測牙膏管口邊緣毛刺：  

    對物件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)位置識別 

    檢測管口是否有毛刺或其他障礙物  

    通過異步觸發(fā)器對圖象進(jìn)行整體評估   

    顏料盒生產(chǎn)時的粘貼物監(jiān)控： 

    解決方案：安放顏料塊前，監(jiān)控顏料盒每一格中注入的膠水量，避免注入太多或太少  

    檢驗(yàn)傳動軸是否正確安裝，并且編碼一致：  

    解決方案：自動檢測編碼存在與否，以及封口和卡子的位置  

    結(jié)論
    
    應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠大幅降低檢驗(yàn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加快生產(chǎn)速度和效率。作為高精度、非接觸的測量方案，視覺系統(tǒng)涉及到光學(xué)和圖像處理算法，本身就是高度專業(yè)化的產(chǎn)品，在整個測量控制系統(tǒng)中，往往要與運(yùn)動控制系統(tǒng)配合完成位置矯正和進(jìn)給控制；另外，生產(chǎn)線上對多工序進(jìn)行同步連續(xù)檢測時，必須使視覺系統(tǒng)具備分布式聯(lián)網(wǎng)能力。機(jī)器視覺與運(yùn)動控制，網(wǎng)絡(luò)通訊等先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合正在改變工業(yè)自動化生產(chǎn)的面貌。目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了像北京四通電機(jī)公司這樣的具備運(yùn)動控制，機(jī)器視覺，網(wǎng)絡(luò)通訊幾方面技術(shù)背景的系統(tǒng)集成商，他們專業(yè)化的技術(shù)支持和服務(wù)能力使之成為原始供應(yīng)商和最終用戶之間的橋梁。而對包裝企業(yè)來說，意識到技術(shù)發(fā)展的趨勢并首先付諸實(shí)施者無疑將走在競爭的前列。