視覺系統(tǒng)可以快速、準(zhǔn)確和高可重復(fù)性地自動完成諸如部件測量和檢查的工作，這樣就可以幫助制造商提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)力。視覺系統(tǒng)在制造過程中的每一步都可以生成有價(jià)值的監(jiān)測數(shù)據(jù)，這同時(shí)也可以幫助控制工程師擴(kuò)展過程診斷的功能。 　　 非接觸式測量更加快捷 　　 機(jī)器視覺在質(zhì)量控制上最普遍的應(yīng)用就是測量。Cognex公司的In-Sight系列視覺傳感器的市場銷售部經(jīng)理Bryan Boatner說，由于視覺系統(tǒng)測量部件特有的可以達(dá)到千分之一英寸的精度，使得它可以適用于很多從前需要采用接觸式測量方法的應(yīng)用場合。 　　 他說道：“制造商采用基于視覺的測量是有諸多原因的。速度是主要的一點(diǎn)。采用接觸式測量，難以跟上高吞吐量的流水線的步伐，因此，傳統(tǒng)地測量一般都是在產(chǎn)品抽檢時(shí)完成。”相對應(yīng)地，機(jī)器視覺系統(tǒng)就可以跟上上述生產(chǎn)流水線的步伐，每分鐘可以完成上千次的測量，而且機(jī)器視覺系統(tǒng)還可以嵌入流水線系統(tǒng)中進(jìn)行100%的監(jiān)測。 　　 消除了物理接觸，基于視覺的測量就可以“避免對零件的損傷并減少了對機(jī)械測量表面磨損和劃痕的維護(hù)。最終，視覺系統(tǒng)可以測量某些不能用接觸式方法測量的零件。”Boatner說道。 　　 Matrox Imaging公司的圖像軟件小組組長Arnaud Lina，贊同道：機(jī)器視覺為物理計(jì)量學(xué)提供了很多新的可能，如物體的精確測量。Dalsa公司數(shù)碼圖像小組的集成產(chǎn)品開發(fā)戰(zhàn)略發(fā)展部主任Ben Dawson介紹了一些要點(diǎn)，有助于組建機(jī)器視覺測量系統(tǒng)以及一些其他的應(yīng)用。 [align=center] 圖1：一些簡單的工具－例如一把直尺、一臺分光鏡以及2 倍的長焦鏡頭－ 能夠幫助提高設(shè)置機(jī)器視覺的速度，DMCInc 公司的Ken Brey說。[/align] 診斷功能 　　 Boatner說：除了測量，機(jī)器視覺還能為診斷提供一個(gè)有效數(shù)據(jù)采集工具，這些工具可以進(jìn)行過程度量和分析數(shù)據(jù)走勢。視覺系統(tǒng)可以為監(jiān)控操作提供實(shí)時(shí)的圖像，也可以將數(shù)字圖像按時(shí)間標(biāo)記存檔，便于后期檢索。 　　 Boatner舉例說，在一個(gè)裝罐流水線上，當(dāng)瓶子經(jīng)過攝像機(jī)時(shí)，它可以為每一個(gè)瓶子捕捉一幅圖像，并將其與一系列標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對比，檢查充滿程度、瓶蓋、密封程度和標(biāo)簽、外觀和變形程度。當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)參數(shù)超標(biāo)時(shí)，就發(fā)出信號提示此瓶需要被移至廢物儲存室。而且，這個(gè)可以通過設(shè)置系統(tǒng)，使之將次品瓶子的圖像存儲到一個(gè)數(shù)據(jù)庫中用于分析。工程師們可以觀察圖像來進(jìn)行根源分析，而不是再次從廢物儲存室里取樣，再找到次品的來源。將次品圖像存檔以備后用的方法可以作為一種診斷工具使用，它有助于故障查找并減少停機(jī)時(shí)間。 [align=center] 圖2：將一個(gè)鏡式分光計(jì)放置成45 度，來模仿散射同軸光源（DOAL）。 它可以與一個(gè)環(huán)形光源或一個(gè)集成的攝像頭光源搭配使用， 將攝像頭垂直于零件，確保圖像質(zhì)量。[/align] 最優(yōu)方法 　　 Boatner說，視覺產(chǎn)品逐漸被歸為三種主要類別：視覺傳感器（一般是獨(dú)立的、低功耗的檢測設(shè)備）、基于PC機(jī)的視覺系統(tǒng)（帶有電源并且可以使用簡單的圖形化編程語言進(jìn)行靈活的編程）、專家傳感器（針對特定自動化問題的低功耗技術(shù)）。這三個(gè)類別的視覺產(chǎn)品都包括攝像頭、處理器、圖像分析軟件、光源和網(wǎng)絡(luò)互連功能。 　　 DMC系統(tǒng)集成公司技術(shù)主管Ken Brey建議道：共享一些機(jī)器視覺技術(shù)的方法和技巧有助于最終用戶明白什么應(yīng)該做什么不應(yīng)該做。 　　 由以上所述，我們可以列出幾種最優(yōu)方法：很多器件是相互依賴的，所以這個(gè)列表不是嚴(yán)格排序的。例如，功能強(qiáng)大的軟件可以補(bǔ)償非最佳光源的不足；合理地使用鏡頭可以降低硬件的功耗。 　　 組建工具：每一個(gè)視覺系統(tǒng)搭建區(qū)域或者實(shí)驗(yàn)室里都應(yīng)該有一系列的備用零件、鏡頭和其他組件，配合簡單的機(jī)器視覺攝像頭、光源和安裝選項(xiàng)，工程師可以在這些材料中酌情選擇，搭建視覺系統(tǒng)。Brey說一組合理的原材料大約要$300。 　　 搭建系統(tǒng)用附件：一個(gè)塑料標(biāo)尺，大約$2，就可以為前置光源后置光源來測量視野。擺放成45度角，聚焦在中間（而不是邊緣），它可以測量景深（例如15mm長的標(biāo)尺距離，除以1.41得到景深）。對于高放大倍數(shù)的應(yīng)用場合，使用一個(gè)簡單的價(jià)值$40的朗奇光柵，檢查光學(xué)系統(tǒng)得失真。更換鏡頭并在最小視野下調(diào)整攝像頭的位置。無需購買超過實(shí)際需要的攝像頭，但需要花費(fèi)時(shí)間對結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)換算。 　　 搭建系統(tǒng)用附件：一組顏色濾鏡，大約$150，可以減少環(huán)境光線的影響；濾除不同材料光波中的共同波長部分，進(jìn)而增加對比度。 　　 搭建系統(tǒng)用附件：焦距擴(kuò)展設(shè)備，大約$95，可以通過使用一個(gè)2倍的焦距擴(kuò)展設(shè)備仿真一個(gè)更長焦距的鏡頭，如將50mm的焦距變換為100mm的焦距或35mm的焦距變換為70mm。然而，這種使用方法的曝光時(shí)間將4倍于長焦距鏡頭搭配相應(yīng)f制光圈的使用方法。Brey說這是擴(kuò)展器的一個(gè)弊端。如果不考慮曝光時(shí)間的話，焦距擴(kuò)展器就可以被接納為系統(tǒng)的一部分。因?yàn)樗茉诳臻g很緊密的條件下提供更短的光學(xué)距離，并且能夠降低整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的花費(fèi)。 　　 搭建系統(tǒng)用附件：鏡式分光器，價(jià)值$50，可以與一個(gè)環(huán)形光源或集成的攝像頭光源搭配使用，以使攝像頭和光源垂直于零件。在45度的角度上，通過反射一半光線、透射另一半光線，可以模擬一個(gè)散射同軸光源（DOAL；如圖）。對于漫反射，可以調(diào)整攝像頭，以使中央光圈環(huán)繞待測零件，這樣可以消除測量誤差。在機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用中，例如在發(fā)動機(jī)組周圍可以在每一個(gè)測量點(diǎn)對機(jī)器人進(jìn)行示教。對于遠(yuǎn)程測量，它也可以增加精度。散射同軸光源（DOAL）可以減少反射和閃耀、消除亮點(diǎn)和異物，例如通過給出邊緣對比度可以消除油漆表面上的結(jié)塊。 　　 應(yīng)用須知，知道你在測試什么：明白好的和不好的零件或產(chǎn)品之間的差別。規(guī)范得越精確，就越容易解決問題。更重要的是，選擇邊緣產(chǎn)品進(jìn)行檢測，可以減少判斷出錯(cuò)。 　　 應(yīng)用須知，視覺系統(tǒng)的性能：在視覺傳感器選型之前，首先要確定此系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，以保證此視覺系統(tǒng)在速度、精度和采集要求上留有足夠的性能余量。原因是用戶既然已經(jīng)熟悉了機(jī)器視覺的能力，他們便想盡可能多地完成有關(guān)視覺的作業(yè)，而且還要考慮到未來對加大吞吐量、生產(chǎn)新產(chǎn)品、生產(chǎn)現(xiàn)有產(chǎn)品的改裝產(chǎn)品的需求。 應(yīng)用須知，攝像頭的性能、分辨率：攝像頭必須具有足夠的像素，以便對最小的點(diǎn)進(jìn)行分析。對于電測量，如針孔瑕疵測量，希望最小點(diǎn)的尺寸至少是3×3個(gè)像素點(diǎn)。優(yōu)秀的機(jī)器視覺軟件可以在1/10個(gè)像素點(diǎn)的尺度下進(jìn)行邊到邊的距離測量，甚至可以更好。這對于某些種類的測量可以極大地提高分辨率。 　　 應(yīng)用須知，硬件：圖像采集硬件（即“圖像采集卡”）必須具有低噪聲和低抖動，以便進(jìn)行穩(wěn)定的測量。 　　 應(yīng)用須知，軟件：確保基于視覺的度量衡能對測量公差給予明確的定義。例如有多種不同的方法可以測量垂直度，所以你必須先確定此視覺解決方案能夠完成所要求的測試。 　　 應(yīng)用須知，重復(fù)性能：任何傳感作業(yè)，包括視覺傳感，都需要重復(fù)測量來盡可能多地進(jìn)行可靠地檢測。要測試重復(fù)性，須在視覺系統(tǒng)下放置一個(gè)零件，“至少進(jìn)行5次測量，且在測量過程中不能改變零件的位置、光源或其他變量。據(jù)此，你可以繪出測量的重復(fù)性，并且確保結(jié)果中的任何改變都在測量允許公差之內(nèi)。”Boatner說道。 　　 在采購之前，考慮附加功能：不要僅看價(jià)格，而不考慮這些購買的東西所帶來的潛在附加功能就確定是否購買。投資在具有強(qiáng)大軟件支持的視覺系統(tǒng)上可以節(jié)省資金，因?yàn)檫@樣可以減少對更昂貴的光源、光學(xué)設(shè)備或零件夾持裝置的需求。 　　 在采購之前，針對實(shí)際的零件使用售前演示來檢查：讓視覺系統(tǒng)的賣主作一個(gè)售前演示，對從好到壞的各類產(chǎn)品或零件的樣本進(jìn)行概念論證和驗(yàn)證作業(yè)。 　　 鏡頭選擇，避免失真：標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺鏡頭都有光學(xué)失真、負(fù)失真或桶狀失真，當(dāng)在距鏡頭不同距離的位置測量時(shí)，還會產(chǎn)生透視失真。雖然這些失真可以被機(jī)器視覺系統(tǒng)部分地校正。但更好的解決方法是使用低失真的鏡頭或遠(yuǎn)心透鏡。Dawson建議“向賣主尋求幫助。” 　　 鏡頭選擇，視野，分辨率：根據(jù)視野要求和對最小感興趣點(diǎn)的分辨率來選擇鏡頭。Dawson說，制約分辨率組件的應(yīng)該是攝像頭而不是鏡頭。 　　 光源，避免反射：提供一種可以增強(qiáng)待測量并且抑制人為影響的光源，不必要的反射就是人為影響。例如沖壓金屬板之類的可以用逆光照射零件，我們就用平行光源來凸現(xiàn)其邊緣。正確的光源選擇需要一定經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)測定。同樣，你也可以向視覺系統(tǒng)賣主尋求幫助。 　　 光源，對比度：Lina說，由于測試精度會受到對比度和噪聲的影響，所以盡可能在最優(yōu)條件下獲取圖像。 　　 光源，對比度，顏色：要謹(jǐn)記光源對于產(chǎn)生易于觀測的對比度和得到一幅優(yōu)質(zhì)的圖片是至關(guān)重要的。當(dāng)考慮光源的時(shí)候，就要考慮光源類型和光源顏色。 　　 光源，景深：Boatner說，確保光源是符合景深和視野要求的。 [align=center] 圖3：機(jī)器視覺軟件已經(jīng)變得不那么復(fù)雜了，就像Banner Engineering 公司的這個(gè)程序所顯示的那樣，當(dāng)它檢查字母以及通過視覺傳感器檢 查距離時(shí)只需進(jìn)行點(diǎn)擊動作即可完成操作。[/align] 安裝：在通常的測量應(yīng)用當(dāng)中，攝像頭安裝在零件的上方或在一側(cè)，當(dāng)零件進(jìn)入視野時(shí)，采集圖像用于測量。然后使用測量工具軟件進(jìn)行圖形分析，軟件可以計(jì)算圖像中不同點(diǎn)的距離。以這些計(jì)算為基礎(chǔ)，視覺系統(tǒng)判斷零件的精度是否在公差允許范圍內(nèi)。如果超過，視覺系統(tǒng)就發(fā)送一個(gè)不合格信號給一個(gè)邏輯器件（例如可編程邏輯控制器，PLC），它可以驅(qū)動一個(gè)機(jī)械機(jī)構(gòu)把不合格產(chǎn)品從流水線剔除。 　　 軟件，自動設(shè)置：選擇一個(gè)可以自動設(shè)置度量模版（測量區(qū)域圖）的度量工具。例如，如果用幾何圖案識別來確定零件的位置和朝向，根據(jù)這些識別的結(jié)果，系統(tǒng)可以自動調(diào)整度量的區(qū)域。 　　 軟件，基于幾何學(xué)：依賴基本的幾何學(xué)操作而不是復(fù)雜的數(shù)學(xué)。通過采用一個(gè)具有多重復(fù)坐標(biāo)系系統(tǒng)的度量工具包，你可以便利地用幾何學(xué)方法從已有特征得到新的特征。 　　 軟件，攝像頭定位，校準(zhǔn)：校準(zhǔn)！選擇一個(gè)工作在現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系下的軟件包，然后對攝像頭進(jìn)行定位，避免主要的失真和透視。從源圖像（失真的）提取欲度量的特征，然后在采取校正操作的空間中對其進(jìn)行測量。這樣對失真的圖像采取度量操作就不會降低精度等級。 　　 軟件，易用性：選擇容易設(shè)置和使用的機(jī)器視覺軟件，它可以對光學(xué)失真或透視失真進(jìn)行校正，而且提供亞像素精度；即使測量的分辨率高達(dá)1/25個(gè)像素點(diǎn)甚至更高，也可以在幾分鐘之內(nèi)完成軟件設(shè)置和失真校正。 　　 軟件，基于特征：對圖像進(jìn)行度量的方法應(yīng)該是基于特征的，它是一種從灰度像素值中提取幾何特征的技術(shù)。Lina說：這種算法可以模擬現(xiàn)實(shí)世界的度量是如何進(jìn)行的，而且這種算法的強(qiáng)壯性足夠應(yīng)對亮度上的變化。 　　 軟件，視野：為了最優(yōu)化操作，盡可能地使視野區(qū)域緊密地環(huán)繞待測特征。 　　 軟件，測量工具：預(yù)設(shè)置軟件工具庫可以簡化包括測量在內(nèi)的機(jī)器視覺應(yīng)用的設(shè)置。測量工具通過測量圖像中邊沿的距離來完成工作。一幅由灰度像素點(diǎn)組成的圖像，其灰度值的急劇變化處便是邊沿。變化可以使由暗到亮或由亮到暗。除了計(jì)算邊沿之間的距離，測量工具還測量邊沿之間所成的角度和零件上的孔的大小和位置。 [align=center] 圖4：就像機(jī)器視覺能夠確定位置一樣，包括Cognex軟件在內(nèi)的有些 軟件還能夠測量距離，例如Cognex可以測量兩個(gè)孔之間的中心距離。[/align] 軟件，設(shè)置/編程：Boatner指出：“一些視覺軟件平臺比另一些易用。”因?yàn)檫@些軟件平臺為用戶提供了點(diǎn)擊式控制，而不需要用戶使用高級編程語言進(jìn)行設(shè)置。 　　 基于視覺的測量軟件，包括： 　　■ 邊沿檢測：忽略背景中的變化，并對圖像中的邊沿進(jìn)行定位，計(jì)算邊沿的角度及量級。 　　■ 卡尺：對零件的特征寬度提供高速的、亞像素級的測量。 　　■ 區(qū)域（Blob）分析：表現(xiàn)高度的可重復(fù)性，測量零件特征的區(qū)域、尺寸、和質(zhì)心。 　　■ 刻度校準(zhǔn)：將攝像頭的像素點(diǎn)轉(zhuǎn)化為實(shí)際世界中的工程單位。 　　■ 非線性校準(zhǔn)：最優(yōu)化系統(tǒng)精度，矯正由鏡頭和投射光帶來的失真。而且可以在大視野的應(yīng)用中使用更小、更易管理的矯正模板。 　　通過簡單的統(tǒng)計(jì)設(shè)置測量臨界值：反復(fù)地改變測量極限和評估結(jié)果是非常耗時(shí)的，而且在你的改變和評估完成時(shí)，也不能說測量極限處于最佳位置。只有當(dāng)時(shí)間都已經(jīng)被浪費(fèi)之后，你才可以判斷它是否起作用，而且你還不能完全確定。為了節(jié)省時(shí)間，Brey說： 　　■ 設(shè)置你的視覺系統(tǒng)，令其輸出標(biāo)準(zhǔn)值，產(chǎn)品通過的臨界值正是根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)值來設(shè)置的。 　　■ 對收集的圖像進(jìn)行處理，然后將輸出值整理成電子數(shù)據(jù)表格。 　　■ 把合格零件和不合格的零件的檢測數(shù)據(jù)分開。 　　■ 計(jì)算這兩組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差。 　　■ 生成柱狀圖。這兩組數(shù)據(jù)的柱狀分布不能交迭，如果交迭了，就要找一個(gè)更合適的標(biāo)準(zhǔn)值。 　　■ 對不合格組求平均值，選取一個(gè)臨界值，使臨界值在平均值之上的部分達(dá)到3Sigma（99.73%）。不合格率是由合格組的Sigma等級決定的。 　　■ 如果對于合格組和不合格組，不存在一個(gè)可以達(dá)到3Sigma等級的臨界值，則再找一個(gè)新的標(biāo)準(zhǔn)值。 　　設(shè)置，檢測方案的優(yōu)化：使用存儲的圖形來提高檢測的優(yōu)化程度：視覺工程師會花費(fèi)幾個(gè)小時(shí)來優(yōu)化檢測方案。成本包括資金、零件和執(zhí)行檢測過程的時(shí)間。為一個(gè)罕見的疵點(diǎn)進(jìn)行的等待是必要的，然而花費(fèi)時(shí)間去等待或去制造疵點(diǎn)就是一種浪費(fèi)了。而且對這些改動所進(jìn)行的有效性論證也是很耗時(shí)的。因此： 　　■ 排列攝像頭和光源，使其達(dá)到最優(yōu)。確保所有感興趣的物體都是可見的而且有最佳的對比度。 　　■ 校正系統(tǒng)，使其聚焦。 　　■ 收集一打，有時(shí)是上百幅不同零件的圖像。生成一個(gè)較小的工作樣品組，10到20幅圖像，有少數(shù)合格零件的圖像，幾幅各種不合格情況的圖像。而完成此工作可能要收集數(shù)十億幅圖像。 　　■ 生成檢測方案然后優(yōu)化它，直到工作樣品組中的所有圖像都能正確地評估。 　　■ 檢測較大樣品組中的所有圖像。優(yōu)化檢測方案，直到不存在“錯(cuò)誤接受”的不合格樣品，而且不合格率也可以接受，那么 　　■ 把這個(gè)檢測方案應(yīng)用到系統(tǒng)上。繼續(xù)收集所有的圖像。出現(xiàn)任何有問題的圖像，將其加入工作樣品組，然后離線地進(jìn)一步優(yōu)化檢測方案，這樣可以減少在工作機(jī)組前的等待時(shí)間。