什么是機(jī)器視覺

據(jù)自動(dòng)成像協(xié)會(huì)(automated Imaging Association，“AIA”)報(bào)告，機(jī)器視覺涵蓋所有工業(yè)和非工業(yè)應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，硬件與軟件組合在一起，基于圖像的采集和處理，在各種設(shè)備執(zhí)行其功能的過程中向它們提供操作引導(dǎo)。雖然工業(yè)計(jì)算機(jī)視覺使用的許多算法和方法都跟計(jì)算機(jī)視覺在學(xué)術(shù)/教育和政府/軍事應(yīng)用中使用的是一樣的，但它們各自的局限性是不一樣的。

相比學(xué)術(shù)/教育視覺系統(tǒng)，工業(yè)視覺系統(tǒng)需要更高的堅(jiān)固耐用性、可靠性和穩(wěn)定性;而相比政府/軍事應(yīng)用中使用的視覺系統(tǒng)，工業(yè)視覺系統(tǒng)的成本通常要低得多。因此，工業(yè)機(jī)器視覺通常意味著成本低、準(zhǔn)確度令人滿意、堅(jiān)固耐用性高、可靠性高、高機(jī)械化和溫度穩(wěn)定性高。

機(jī)器視覺系統(tǒng)依靠封裝在工業(yè)相機(jī)內(nèi)的數(shù)字傳感器和專門的光學(xué)元件采集圖像，然后，計(jì)算機(jī)硬件和軟件能夠基于該圖像對(duì)各種特征進(jìn)行處理、分析和測(cè)量，并作出最終決策。

下面，我們以啤酒廠采用的填充液位檢測(cè)系統(tǒng)為例來進(jìn)行說明(見圖1)。當(dāng)每個(gè)啤酒瓶移動(dòng)經(jīng)過檢測(cè)傳感器時(shí)，檢測(cè)傳感器將會(huì)觸發(fā)視覺系統(tǒng)光源進(jìn)行頻閃，并拍下啤酒瓶的照片。采集到啤酒瓶的圖像并將圖像保存到內(nèi)存后，視覺軟件將會(huì)處理或分析該圖像，并根據(jù)啤酒瓶的實(shí)際填充液位發(fā)出通過-未通過響應(yīng)。如果視覺系統(tǒng)檢測(cè)到一個(gè)啤酒瓶未填充到位，即未通過檢測(cè)，視覺系統(tǒng)將會(huì)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出信號(hào)，將該啤酒瓶從生產(chǎn)線上剔除。操作員可以在顯示屏上查看被剔除的啤酒瓶和持續(xù)的流程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

另外，機(jī)器視覺系統(tǒng)還能夠進(jìn)行物品測(cè)量，比如確定火花塞間隙或提供位置信息，引導(dǎo)機(jī)器人在制造過程中將元件對(duì)位。圖2顯示的例子主要是說明機(jī)器視覺系統(tǒng)如何能夠用于進(jìn)行濾油器(右)通過或未通過檢測(cè)，以及測(cè)量支架上中心軸頭的寬度(左)。

在這個(gè)應(yīng)用示例中，填充液位檢驗(yàn)系統(tǒng)僅可提供兩種結(jié)果，這顯示了二進(jìn)制系統(tǒng)的特征：

1.如果產(chǎn)品合格，則檢測(cè)結(jié)果為“通過”

2.如果產(chǎn)品不合格，則檢測(cè)結(jié)果為“未通過”。

機(jī)器視覺優(yōu)勢(shì)

雖然人類視覺最擅長于對(duì)復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化的場(chǎng)景進(jìn)行定性解釋，但機(jī)器視覺則憑借速度、精度和可重復(fù)性等優(yōu)勢(shì)，擅長于對(duì)結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景進(jìn)行定量測(cè)量。舉例來說，在生產(chǎn)線上，機(jī)器視覺系統(tǒng)每分鐘能夠?qū)?shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)元件進(jìn)行檢測(cè)。配備適當(dāng)分辨率的相機(jī)和光學(xué)元件后，機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠輕松檢驗(yàn)小到人眼無法看到的物品細(xì)節(jié)特征。

另外，由于消除了檢驗(yàn)系統(tǒng)與被檢驗(yàn)元件之間的直接接觸，機(jī)器視覺還能夠防止元件損壞，也避免了機(jī)械部件磨損的維護(hù)時(shí)間和成本投入。通過減少制造過程中的人工參與，機(jī)器視覺還帶來了額外的安全性和操作優(yōu)勢(shì)。此外，機(jī)器視覺還能夠防止?jié)崈羰沂艿饺藶槲廴?，也能讓工人免受危險(xiǎn)環(huán)境的威脅。

機(jī)器視覺有助于實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)

機(jī)器視覺應(yīng)用

在任何機(jī)器視覺應(yīng)用中，無論是最簡單的裝配檢驗(yàn)，還是復(fù)雜的3D機(jī)器人箱子拾取應(yīng)用，第一步通常都是采用圖案匹配技術(shù)定位相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)的感興趣物品或特征。感興趣物品的定位往往決定機(jī)器視覺應(yīng)用的成敗。如果圖案匹配軟件工具無法精確地定位圖像中的元件，那么，它將無法引導(dǎo)、識(shí)別、檢驗(yàn)、計(jì)數(shù)或測(cè)量元件。雖然元件定位聽上去很簡單，但在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中，元件外觀的差異可能導(dǎo)致這一步變得非常具有挑戰(zhàn)性(見圖3)。雖然視覺系統(tǒng)經(jīng)過模板訓(xùn)練，基于圖案來識(shí)別元件，但即使是最嚴(yán)格控制的流程，也允許元件外觀存在一定的變化(見圖4)。

要實(shí)現(xiàn)精確、可靠、可重復(fù)的結(jié)果，視覺系統(tǒng)的元件定位工具必須具備足夠的智能，能夠快速、精確地將訓(xùn)練圖案與生產(chǎn)線上移動(dòng)過來的實(shí)際物品進(jìn)行比較(即圖案匹配)。在四種主要的機(jī)器視覺應(yīng)用中，包括引導(dǎo)、識(shí)別、測(cè)量和檢驗(yàn)(英文首字母縮寫：GIGI)，元件定位是非常關(guān)鍵的第一步。

引導(dǎo)

需要進(jìn)行引導(dǎo)的原因可能有多種。首先，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以定位元件的位置和方向，將元件與規(guī)定的公差進(jìn)行比較，以及確保元件處于正確的角度，以驗(yàn)證元件裝配是否正確。接著，引導(dǎo)可用于將元件在2D或3D空間內(nèi)的位置和方向報(bào)告給機(jī)器人或機(jī)器控制器，讓機(jī)器人能夠定位元件或機(jī)器，以便將元件對(duì)位。機(jī)器視覺引導(dǎo)在許多任務(wù)中都能夠?qū)崿F(xiàn)比人工定位高得多的速度和精度，比如將元件放入貨盤或從貨盤中拾取元件;對(duì)輸送帶上的元件進(jìn)行包裝;對(duì)元件進(jìn)行定位和對(duì)位，以便將其與其他部件裝配在一起;將元件放置到工作架上;或者將元件從箱子中移走。

另外，引導(dǎo)還可用于與其他機(jī)器視覺工具進(jìn)行對(duì)位。這是機(jī)器視覺一個(gè)非常強(qiáng)大的功能，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中，元件可能是以未知的方向呈現(xiàn)到相機(jī)前面的。通過定位元件，并將其他機(jī)器視覺工具與該元件對(duì)位，機(jī)器視覺能夠?qū)崿F(xiàn)工具自動(dòng)定位。這涉及到元件關(guān)鍵特征的定位，以確保卡尺、Blob、邊線或其他視覺軟件工具的精確定位，進(jìn)而讓它們能夠與元件正確互動(dòng)。這種方法讓制造商能夠在同一生產(chǎn)線上生產(chǎn)多種產(chǎn)品，從而減少了檢驗(yàn)過程中用于保持元件位置的昂貴工裝的需要。

有時(shí)，引導(dǎo)還需要進(jìn)行幾何圖案匹配。圖案匹配工具在保證每次可靠定位元件的同時(shí)，還必須能夠應(yīng)對(duì)較大的對(duì)比度和光線變化，以及尺寸大小變化、旋轉(zhuǎn)和其他因素。這是因?yàn)?，圖案匹配所獲取的位置信息必須能夠讓其他機(jī)器視覺軟件工具與元件精確對(duì)位。

識(shí)別

在元件識(shí)別應(yīng)用中，機(jī)器視覺系統(tǒng)通過讀取條碼(一維)、DataMatrix碼(二維)、直接部件標(biāo)識(shí)(DPM)及元件、標(biāo)簽和包裝上印刷的字符來識(shí)別元件。光學(xué)字符識(shí)別(OCR)系統(tǒng)能夠讀取字母數(shù)字字符，無需提前預(yù)知結(jié)果，而光學(xué)字符驗(yàn)證(OCV)系統(tǒng)則能夠確認(rèn)字符串的存在性準(zhǔn)確性。此外，機(jī)器視覺系統(tǒng)還可以通過定位獨(dú)特的圖案來識(shí)別元件，或者基于顏色、形狀或尺寸來識(shí)別元件。

DPM應(yīng)用是指將代碼或字符串直接標(biāo)記到元件上面。各行各業(yè)的制造商都采用這種方法來進(jìn)行防錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)高效的遏制策略，監(jiān)控流程控制和質(zhì)量控制指標(biāo)，以及量化工廠車間內(nèi)可能存在問題的區(qū)域，比如瓶頸。直接部件標(biāo)識(shí)能夠確?？勺匪菪?，從而提高資產(chǎn)跟蹤和元件真?zhèn)悟?yàn)證能力。另外，直接部件標(biāo)識(shí)還可提供單元層級(jí)的數(shù)據(jù)，通過記錄成品構(gòu)成子組件中元件的系譜，促進(jìn)卓越的技術(shù)支持和質(zhì)保維修服務(wù)。

傳統(tǒng)的條碼已在零售收銀和庫存控制應(yīng)用中獲得了廣泛的接受度。但可追溯性信息所需的數(shù)據(jù)超出了標(biāo)準(zhǔn)條碼的數(shù)據(jù)容量范圍。為增加數(shù)據(jù)容量，一些公司開發(fā)了二維碼，如 DataMatrix碼，二維碼可以存儲(chǔ)更多的信息，包括制造商名稱、產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、批號(hào)以及幾乎任何成品都使用的唯一序列號(hào)。

測(cè)量

在測(cè)量應(yīng)用中，機(jī)器視覺系統(tǒng)通過計(jì)算物品上兩個(gè)或以上的點(diǎn)或者幾何位置之間的距離來進(jìn)行測(cè)量，然后確定這些測(cè)量結(jié)果是否符合規(guī)格。如果不符合，視覺系統(tǒng)將向機(jī)器控制器發(fā)送一個(gè)未通過信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)生產(chǎn)線上的不合格產(chǎn)品剔除裝置，將該物品從生產(chǎn)線上剔除。

在實(shí)踐中，當(dāng)元件移動(dòng)經(jīng)過相機(jī)視場(chǎng)時(shí)，固定式相機(jī)將會(huì)采集該元件的圖像，然后，機(jī)器視覺系統(tǒng)將使用軟件來計(jì)算圖像中不同點(diǎn)之間的距離。由于許多機(jī)器視覺系統(tǒng)在測(cè)量物品特征時(shí)能夠?qū)⒐畋３衷?.0254mm以內(nèi)，因此，它們能夠解決許多傳統(tǒng)上通過接觸式測(cè)量來解決的應(yīng)用。

檢驗(yàn)

在檢驗(yàn)應(yīng)用中，機(jī)器視覺系統(tǒng)通過檢測(cè)制成品是否存在缺陷、污染物、功能性瑕疵和其他不合規(guī)之處，來進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)。應(yīng)用示例包括檢驗(yàn)片劑式藥品是否存在缺陷;檢驗(yàn)顯示屏，以驗(yàn)證圖標(biāo)的正確性或確認(rèn)像素的存在性;或者檢驗(yàn)觸摸屏，以測(cè)量背光對(duì)比度水平。機(jī)器視覺還能夠檢驗(yàn)產(chǎn)品的完整性，比如在食品和醫(yī)藥行業(yè)，機(jī)器視覺用于確保產(chǎn)品與包裝的匹配性，以及檢查包裝瓶上的安全密封墊、封蓋和安全環(huán)是否存在。

結(jié)論

機(jī)器視覺通過從數(shù)字圖像中自動(dòng)提取信息，來幫助用戶實(shí)現(xiàn)流程或質(zhì)量控制?，F(xiàn)在，大多數(shù)制造商都以自動(dòng)化機(jī)器視覺取代了人工檢驗(yàn)員，因?yàn)闄C(jī)器視覺更適合執(zhí)行各種重復(fù)性檢測(cè)任務(wù)，它不僅能夠連續(xù)工作，還可以更快速地提供更客觀的檢測(cè)結(jié)果。機(jī)器視覺每分鐘能夠檢測(cè)數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)元件，并提供更一致、更可靠的檢測(cè)結(jié)果，而且能夠全天候不間斷地運(yùn)行。

在如今的制造領(lǐng)域中，最常見的機(jī)器視覺應(yīng)用包括測(cè)量、計(jì)數(shù)、定位和解碼。制造商采用機(jī)器視覺可以減少缺陷、提高成品率、促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化以及跟蹤元件，從而能夠顯著節(jié)省成本和提高利潤率。