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如何設(shè)計(jì)機(jī)器視覺系統(tǒng)框架

如何設(shè)計(jì)機(jī)器視覺系統(tǒng)框架 --- 創(chuàng)科黎友

    在決定一個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的需求及應(yīng)用時(shí)，很多因素需要考慮。機(jī)器視覺（或稱為自動可視檢測系統(tǒng)）一般包含了大量部件，這些部件直接影響系統(tǒng)的性能。為了獲得這些子系統(tǒng)的優(yōu)越性能，并無縫將他們接合在你的生產(chǎn)線上，*好花一些時(shí)間來學(xué)習(xí)視覺系統(tǒng)的組成、應(yīng)用、以及正確的規(guī)劃的重要性。

    機(jī)器視覺的應(yīng)用在對精度和可靠性都很高的重復(fù)性檢測任務(wù)中，機(jī)器視覺廣泛應(yīng)用在這些生產(chǎn)流程中。一些常見的任務(wù)：

    在食物包裝中檢測數(shù)據(jù)代碼；

    自動檢測部件用于正確的安裝；

    為機(jī)器人的撿起（pick）和放置（place）動作提供向?qū)В?br>
    在制藥中效驗(yàn)藥品的顏色；

    讀取部件的條形碼、以及在產(chǎn)品上的標(biāo)識；還有更多更多。

    基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本組成由于機(jī)器視覺應(yīng)用非常廣泛，在不同的系統(tǒng)里使用不同的部件，但是，我們可以將這些部件分成如下幾類（見圖1）。圖1通常的機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要組成（附件1）

    1. 攝像頭和光學(xué)部件 –這一類通常含有一個(gè)或多個(gè)攝像頭和鏡頭（光學(xué)部件），用于拍攝被檢測的物體。根據(jù)應(yīng)用，攝像頭可以基于如下標(biāo)準(zhǔn)，黑白RS-170/CCIR、復(fù)**色（Y/C），RGB彩色，非標(biāo)準(zhǔn)黑白（可變掃描），步進(jìn)掃描（progressive-scan）或線掃描。

    2. 燈光 –燈光用于照亮部件，以便從攝像頭中拍攝到更好的圖像，燈光系統(tǒng)可以在不同形狀、尺寸和亮度。一般的燈光形式是高頻熒光燈、LED、白熾燈和石英鹵（quartz-halogen）光纖。

    3. 部件傳感器 –通常以光柵或傳感器的形式出現(xiàn)。當(dāng)這個(gè)傳感器感知到部件靠近，它會給出一個(gè)觸發(fā)信號。當(dāng)部件處于正確位置時(shí)，這個(gè)傳感器告訴機(jī)器視覺系統(tǒng)去采集圖像。

    4. 圖像采集卡 –也稱為視頻抓取卡，這個(gè)部件通常是一張插在PC上的卡。這張采集卡的作用將攝像頭與PC連接起來。它從攝像頭中獲得數(shù)據(jù)（模擬信號或數(shù)字信號），然后轉(zhuǎn)換成PC能處理的信息。它同時(shí)可以提供控制攝像頭參數(shù)（例如觸發(fā)、曝光時(shí)間、快門速度等等）的信號。圖像采集卡形式很多，支持不同類型的攝像頭，不同的計(jì)算機(jī)總線。

    5. PC平臺 –計(jì)算機(jī)是機(jī)器視覺的關(guān)鍵組成部分。應(yīng)用在檢測方面，通常使用PentiumIII或更高的CPU。一般來講，計(jì)算機(jī)的速度越快，視覺系統(tǒng)處理每一張圖片的時(shí)間就越短。由于在制造現(xiàn)場中，經(jīng)常有振動、灰塵、熱輻射等等，所以一般需要工業(yè)級的計(jì)算機(jī)。

    6. 檢測軟件 –機(jī)器視覺軟件用于創(chuàng)建和執(zhí)行程序、處理采集回來的圖像數(shù)據(jù)、以及作出“通過/失敗（PASS/FAIL）”決定。機(jī)器視覺有多種形式（C語言庫、ActiveX控件、點(diǎn)擊編程環(huán)境等等），可以是單一功能（例如設(shè)計(jì)只用來檢測LCD或BGA、對齊任務(wù)等等），也可以是多功能（例如設(shè)計(jì)一個(gè)套件，包含計(jì)量、條形碼閱讀、機(jī)器人導(dǎo)航、現(xiàn)場驗(yàn)證等等）。

    7. 數(shù)字I/O和網(wǎng)絡(luò)連接 –一旦系統(tǒng)完成這個(gè)檢測部分，這部分必須能與外界通信，例如需要控制生產(chǎn)流程、將“通過/失敗（PASS/FAIL）”的信息送給數(shù)據(jù)庫。通常，使用一張數(shù)字I/O板卡和（或）一張網(wǎng)卡來實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺系統(tǒng)與外界系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的通信。

    配置一個(gè)基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)認(rèn)真的計(jì)劃和注意細(xì)節(jié)能幫助你確保你的檢測系統(tǒng)符合你的應(yīng)用需求。如下是你必需考慮的幾點(diǎn)：確定你的目標(biāo) – 這可能是*重要的一步棗決定在這個(gè)檢測任務(wù)中你需要實(shí)現(xiàn)什么，檢測任務(wù)通常分為如下幾類：

    1. 測量或計(jì)量

    2. 讀取字符或編碼（條形碼）信息。

    3. 檢測物體的狀態(tài)

    4. 認(rèn)知和識別特殊的特性棗模式識別

    5. 將物體與模板進(jìn)行對比或匹配

    6.為機(jī)器或機(jī)器人導(dǎo)航檢測流程可以包含只有一個(gè)操作或包含多個(gè)與檢測任務(wù)相關(guān)的任務(wù)。

    為了確認(rèn)你的任務(wù)，首先你應(yīng)該明確為了*大限度檢測部件你需要做的測試，也就是你能考慮到會出現(xiàn)的缺陷。為了明確什么哪個(gè)才是*重要的，*好做一張?jiān)u估表，列出“必須做”和“可以做”的測試。一旦主要的對測試標(biāo)準(zhǔn)滿意，隨后可以將更多的測試加進(jìn)去來改善檢測過程，一定要記住，添加測試的同時(shí)也會增加檢測的時(shí)間。確定你需要的速度 –系統(tǒng)檢測每一個(gè)部件需要多少時(shí)間？這個(gè)不只是由PC的速度決定，還受生產(chǎn)流水線速度的影響。很多機(jī)器視覺包含了時(shí)鐘/計(jì)時(shí)器，所以檢測操作的每一步所需要的時(shí)間都可以準(zhǔn)確測量，從這些數(shù)據(jù)，我們就可以修改我們的程序以滿足時(shí)間上的要求。通常，一個(gè)基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)每一秒可以檢測20-25個(gè)部件，與檢測部件的多少和處理程序以及計(jì)算機(jī)的速度有密切關(guān)系。

    聰明地選擇你的硬件 –一套機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能與它的部件密切相關(guān)。在選擇的過程中，有很多捷徑棗特別在光學(xué)成像上棗可能很大程度降低系統(tǒng)的效率。如下是在選擇部件時(shí)你必須緊記的幾個(gè)基本原則。

    1. 攝像頭攝像頭的選擇與應(yīng)用的需求直接相關(guān)，通常考慮三點(diǎn)：

    a）黑白還是彩色；

    b）部件/目標(biāo)的運(yùn)動；

    c）圖像分辨率。

    在檢測應(yīng)用中大部分使用黑白攝像頭，因?yàn)楹诎讏D像能提供90%可視數(shù)據(jù)，并且比彩色便宜。彩色攝像頭主要用于一些需要分析彩**像的場合里。根據(jù)部件在檢測時(shí)是否移動，決定我們選擇標(biāo)準(zhǔn)隔行掃描攝像頭還是逐行掃描攝像頭。另外，圖像的分辨率必須足夠高，以提供檢測任務(wù)需要的足夠的數(shù)據(jù)。*后，攝像頭必須質(zhì)量好和可以避免工業(yè)現(xiàn)場中的振動、灰塵和熱的影響。

    2.光學(xué)部件和照明這個(gè)至關(guān)重要的因素往往被人所忽略。當(dāng)你使用一個(gè)很差的光學(xué)部件或照明，就算你使用*好的機(jī)器視覺系統(tǒng)，它表現(xiàn)出的性能甚至比不上一個(gè)配上良好光學(xué)部件和適當(dāng)照明的低能力系統(tǒng)。光學(xué)部件的目標(biāo)是產(chǎn)生*好和*大可用面積的圖像，并且提供*好的圖像分辨率。照明的目標(biāo)是照亮需要測量或檢測的部分的關(guān)鍵特征。通常，照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由如下因素決定：顏色、紋理、尺寸、外形、反射率等等。

    3.圖像采集卡雖然圖像采集卡只是完整的機(jī)器視覺系統(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。使用模擬輸入的圖像采集卡，目標(biāo)是盡量不變地將攝像頭采集的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。使用不正確的圖像采集卡可能得到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。工業(yè)用的圖像采集卡通常用于檢測任務(wù)，多媒體采集卡由于它通過自動增益控制、邊沿增強(qiáng)和顏色增強(qiáng)電路來更改圖像數(shù)據(jù)，所以不用在這個(gè)領(lǐng)域里。使用數(shù)字輸入的圖像采集卡的目標(biāo)是將攝像頭輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并輸送到PC中作處理。考慮各種變化：人類的眼睛和大腦可以在不同的條件下識別目標(biāo)，但是機(jī)器視覺系統(tǒng)就不是這樣多才多藝了，它只能按程序編寫的任務(wù)來工作。了解你的系統(tǒng)能看到什么和不能看到什么能幫助你避免失敗（例如將好的部件認(rèn)為是壞的）或其它檢測錯(cuò)誤。一般要考慮的包括部件顏色、周圍光線、焦點(diǎn)、部件的位置和方向和背景顏色的大變化。

    正確選擇軟件：機(jī)器視覺軟件是檢測系統(tǒng)中的智能部分，也是*核心的部分。軟件的選擇決定了你編寫調(diào)試檢測程序的時(shí)間、檢測操作的性能等等。圖2 DTVF是一個(gè)多功能、圖形化編程的機(jī)器視覺軟件（附件2）機(jī)器視覺提供了圖形化編程界面 (通常稱為“Point &Click”) 通常比其他編程語言(例如VisualC++)容易，但是在你需要一些特殊的特征或功能時(shí)有一定的局限性。基于代碼的軟件包，盡管非常困難和需要編碼經(jīng)驗(yàn)，但在編寫復(fù)雜的特殊應(yīng)用檢測算法具備更大的靈活性。一些機(jī)器視覺軟件同時(shí)提供了圖形化和基于代碼的編程環(huán)境，提供兩方面*好的特征，提供了很多靈活性，滿足不同的應(yīng)用需求。

    通信和記錄數(shù)據(jù)：機(jī)器視覺系統(tǒng)的總的目標(biāo)是通過區(qū)分好和壞的部件來實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢測。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，這個(gè)系統(tǒng)需要與生產(chǎn)流水線通信，這樣才可以在發(fā)現(xiàn)壞的部件是做某種動作。通常這些動作是通過數(shù)字I/O板，這些板與制造流水線中的PLC相連，這樣壞的部件就可以跟好的部件分離。例外，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以與網(wǎng)絡(luò)連接，這樣就可以將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)庫，用于記錄數(shù)據(jù)以及讓質(zhì)量控制員分析為什么會出現(xiàn)廢品。在這一步認(rèn)真考慮將有助于將機(jī)器視覺系統(tǒng)無縫與生產(chǎn)流水線結(jié)合起來。需要考慮的問題是：

    1. 使用了什么類型的PLC，它的接口如何？

    2. 需要什么類型的信號？

    3. 現(xiàn)在使用或必須使用什么類型的網(wǎng)絡(luò)？

    4.在網(wǎng)絡(luò)上傳送的文件格式是什么？通常使用RS-232端口與數(shù)據(jù)庫通信，來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的紀(jì)錄。

    為以后做準(zhǔn)備：當(dāng)你為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇部件時(shí)，時(shí)刻記住未來的生產(chǎn)所需和有可能發(fā)生的變動。這些將直接影響你的機(jī)器視覺軟硬件是否容易更改來滿足以后新的任務(wù)。提前的準(zhǔn)備將不僅僅節(jié)約你的時(shí)間，而且通過在將來重用現(xiàn)有的檢測任務(wù)可以降低整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格。機(jī)器視覺系統(tǒng)的性能由*差的部分決定（就像一個(gè)木桶的容量由*短的一個(gè)木塊決定），精度則由它能獲取的信息決定。花時(shí)間和精力合理配置系統(tǒng)就可以建造一個(gè)零故障和有彈性的視覺檢測系統(tǒng)。

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