【概述】
機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分 CMOS 和 CCD 兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，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(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺(jué)易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。正是由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。
【基本構(gòu)造】
一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括：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。系統(tǒng)可再分為：主端電腦（Host Computer）、影像擷取卡（Frame Grabber）與影像處理器、影像攝影機(jī)、CCTV鏡頭、顯微鏡頭、照明設(shè)備、Halogen光源、LED光源、高周波螢光燈源、閃光燈源、其他特殊光源、影像顯示器、LCD、機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)、PLC、PC-Base控制器、精密桌臺(tái)、伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)臺(tái)。
【工作原理】
機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)采用CCD照相機(jī)將被檢測(cè)的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，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(hào)，圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長(zhǎng)度，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，包括尺寸、角度、個(gè)數(shù)、合格 / 不合格、有 / 無(wú)等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別功能。
機(jī)器視覺(jué)工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)就其檢測(cè)性質(zhì)和應(yīng)用范圍而言，分為定量和定性檢測(cè)兩大類(lèi)，每類(lèi)又分為不同的子類(lèi)。機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)在線檢測(cè)的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域十分活躍，如：印刷電路板的視覺(jué)檢查、鋼板表面的自動(dòng)探傷、大型工件平行度和垂直度測(cè)量、容器容積或雜質(zhì)檢測(cè)、機(jī)械零件的自動(dòng)識(shí)別分類(lèi)和幾何尺寸測(cè)量等。此外，在許多其它方法難以檢測(cè)的場(chǎng)合，利用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)。機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用正越來(lái)越多地代替人去完成許多工作，這無(wú)疑在很大程度上提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平和檢測(cè)系統(tǒng)的智能水平。
機(jī)器視覺(jué)在質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用實(shí)例 　 　　
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在質(zhì)量檢測(cè)的各個(gè)方面得到了廣泛的應(yīng)用，例如：采用激光掃描與CCD探測(cè)系統(tǒng)的大型工件平行度、垂直度測(cè)量?jī)x，它以穩(wěn)定的準(zhǔn)直激光束為測(cè)量基線，配以回轉(zhuǎn)軸系，旋轉(zhuǎn)五角標(biāo)棱鏡掃出互相平行或垂直的基準(zhǔn)平面，將其與被測(cè)大型工件的各面進(jìn)行比較。在加工或安裝大型工件時(shí)，可用該認(rèn)錯(cuò)器測(cè)量面間的平行度及垂直度。
　　
以頻閃光作為照明光源，利用面陳和線陳CCD作為螺紋鋼外形輪廓尺寸的探測(cè)器件，實(shí)現(xiàn)熱軋螺紋鋼幾何參數(shù)在線測(cè)量的動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)。 　　視覺(jué)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控軸承的負(fù)載和溫度變化，消除過(guò)載和過(guò)熱的危險(xiǎn)。將傳統(tǒng)上通過(guò)測(cè)量滾珠表面保證加工質(zhì)量和安全操作的被動(dòng)式測(cè)量變?yōu)橹鲃?dòng)式監(jiān)控。
用微波作為信號(hào)源，根據(jù)微波發(fā)生器發(fā)出不同波濤率的方波，測(cè)量金屬表面的裂紋，微波的波的頻率越高，可測(cè)的裂紋越狹小。
【典型結(jié)構(gòu)】
一個(gè)典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括以下五大塊：
1.照明：
照明是影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。由于沒(méi)有通用的機(jī)器視覺(jué)照明設(shè)備，所以針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。光源可分為可見(jiàn)光和不可見(jiàn)光。常用的幾種可見(jiàn)光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。可見(jiàn)光的缺點(diǎn)是光能不能保持穩(wěn)定。如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實(shí)用化過(guò)程中急需要解決的問(wèn)題。另一方面，環(huán)境光有可能影響圖像的質(zhì)量，所以可采用加防護(hù)屏的方法來(lái)減少環(huán)境光的影響。照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向照明是被測(cè)物放在光源和攝像機(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對(duì)比度的圖像。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測(cè)物的同側(cè)，這種方式便于安裝。結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測(cè)物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測(cè)物的三維信息。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機(jī)拍攝要求與光源同步。
2.鏡頭：
FOV（Field Of Vision）=所需分辨率＊亞象素＊相機(jī)尺寸/PRTM（零件測(cè)量公差比）。鏡頭選擇應(yīng)注意：①焦距②目標(biāo)高度 ③影像高度 ④放大倍數(shù) ⑤影像至目標(biāo)的距離 ⑥中心點(diǎn) / 節(jié)點(diǎn) ⑦畸變
3.相機(jī)：
按照不同標(biāo)準(zhǔn)可分為：標(biāo)準(zhǔn)分辨率數(shù)字相機(jī)和模擬相機(jī)等。要根據(jù)不同的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合選不同的相機(jī)和高分辨率相機(jī):線掃描CCD和面陣CCD；單色相機(jī)和彩色相機(jī)。
4.圖像采集卡：
圖像采集卡只是完整的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的一個(gè)部件，但是它扮演一個(gè)非常重要的角色。圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等等。比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器進(jìn)行處理。有些采集卡有內(nèi)置的多路開(kāi)關(guān)。例如，可以連接8個(gè)不同的攝像機(jī),然后告訴采集卡采用那一個(gè)相機(jī)抓拍到的信息。有些采集卡有內(nèi)置的數(shù)字輸入以觸發(fā)采集卡進(jìn)行捕捉，當(dāng)采集卡抓拍圖像時(shí)數(shù)字輸出口就觸發(fā)閘門(mén)。
5.視覺(jué)處理器：
視覺(jué)處理器集采集卡與處理器于一體。以往計(jì)算機(jī)速度較慢時(shí)，采用視覺(jué)處理器加快視覺(jué)處理任務(wù)。現(xiàn)在由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲(chǔ)器，而且計(jì)算機(jī)也快多了，所以現(xiàn)在視覺(jué)處理器用的較少了。
【優(yōu)越性】
由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺(jué)易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。
　　
總之，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，可以預(yù)計(jì)它將在現(xiàn)代和未來(lái)制造企業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
【機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)例】
1.基于機(jī)器視覺(jué)的儀表板總成智能集成測(cè)試系統(tǒng)：EQ140-II汽車(chē)儀表板總成是我國(guó)某汽車(chē)公司生產(chǎn)的儀表產(chǎn)品，儀表板上安裝有速度里程表、水溫表、汽油表、電流表、信號(hào)報(bào)警燈等，其生產(chǎn)批量大，出廠前需要進(jìn)行一次質(zhì)量終檢。檢測(cè)項(xiàng)目包括：檢測(cè)速度表等五個(gè)儀表指針的指示誤差；檢測(cè)24個(gè)信號(hào)報(bào)警燈和若干照明9燈是否損壞或漏裝。一般采用人工目測(cè)方法檢查，誤差大，可靠性差，不能滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需要。基于機(jī)器視覺(jué)的智能集成測(cè)試系統(tǒng)，改變了這種現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了對(duì)儀表板總成智能化、全自動(dòng)、高精度、快速質(zhì)量檢測(cè)，克服了人工檢測(cè)所造成的各種誤差，大大提高了檢測(cè)效率。 　　

整個(gè)系統(tǒng)分為四個(gè)部分：為儀表板提供模擬信號(hào)源的集成化多路標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源、具有圖像信息反饋定位的雙坐標(biāo)CNC系統(tǒng)、攝像機(jī)圖像獲取系統(tǒng)和主從機(jī)平行處理系統(tǒng)。
2.金屬板表面自動(dòng)控傷系統(tǒng)：金屬板如大型電力變壓器線圈扁平線收音機(jī)蒙朧皮等的表面質(zhì)量都有很高的要求，但原始的采用人工目視或用百分表加控針的檢測(cè)方法不僅易受主觀因素的影響，而且可能會(huì)繪被測(cè)表面帶來(lái)新的劃傷。金屬板表面自動(dòng)探傷系統(tǒng)利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)金屬表面缺陷進(jìn)行自動(dòng)檢查，在生產(chǎn)過(guò)程中高速、準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)由于采用非接角式測(cè)量，避 免了產(chǎn)生新劃傷的可能。其工作原理圖如圖8-6所示；在此系統(tǒng)中，采用激光器作為光源，通過(guò)針孔濾波器濾除激光束周?chē)碾s散光，擴(kuò)束鏡和準(zhǔn)直鏡使激光束變?yōu)槠叫泄獠⒁?5度的入射角均勻照明被檢查的金屬板表面。金屬板放在檢驗(yàn)臺(tái)上。檢驗(yàn)臺(tái)可在X、Y、Z三個(gè)方向上移動(dòng)，攝像機(jī)采用TCD142D型2048線陳CCD，鏡頭采用普通照像機(jī)鏡頭。CCD接口電路采用單片機(jī)系統(tǒng)。主機(jī)PC機(jī)主要完成圖像預(yù)處理及缺陷的分類(lèi)或劃痕的深度運(yùn)算等，并可將檢測(cè)到的缺陷或劃痕圖像在顯示器上顯示。CCD接口電路和PC機(jī)之間通過(guò)RS-232口進(jìn)行雙向通訊，結(jié)合異步A/D轉(zhuǎn)換方式，構(gòu)成人機(jī)交互式的數(shù)據(jù)采集與處理。
　　
該系統(tǒng)主要利用線陣CCD的自掃描特性與被檢查鋼板X(qián)方向的移動(dòng)相結(jié)合，取得金屬板表面的三維圖像信息。
3.汽車(chē)車(chē)身檢測(cè)系統(tǒng)：英國(guó)ROVER汽車(chē)公司800系列汽車(chē)車(chē)身輪廓尺寸精度的100%在線檢測(cè)，是機(jī)<