基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)

基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)
深圳視覺龍科技有限公司　顏發(fā)根　丁少華　 陳樂　廣東工業(yè)大學(xué)　劉建群

摘 要（Abstract) 本文概述了機(jī)器視覺的市場前景，比較了PC式視覺系統(tǒng)與嵌入式視覺系統(tǒng)在檢測速度、測量精度等指標(biāo)上的優(yōu)劣，并重點(diǎn)介紹了基于PC的機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，包括光源、鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡等的選用以及視覺軟件的設(shè)計(jì)方法。文章還列舉了幾個基于PC的機(jī)器視覺的成功應(yīng)用案例。

Abstract: As world’s manufacturing is shifting to China, “World Factory”, quality production to meet global standards is expected. To assure high quality, automated inspection with machine vision plays a very important role. This paper depicts the design methodology of the dominant PC-Based machine vision systems in the market. A comparison between the two major machine vision systems, namely PC-based and Embedded machine vision systems, is made based on criteria, such as processing speed, measurement precision and robustness, etc. A couple of successful application case study of PC-based machine vision is also presented in the paper.
關(guān)鍵詞(Keywords) 機(jī)器視覺 視覺軟件開發(fā)包
machine vision, vision SDK (software development kit)

1 引言
機(jī)器視覺是利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像，經(jīng)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進(jìn)行數(shù)字處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的識別。這樣，就把計(jì)算機(jī)的快速性、可重復(fù)性，與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，大大提高了生產(chǎn)的柔性和自動化程度。
對于機(jī)器視覺的研究應(yīng)用，日本、德國和美國等發(fā)達(dá)國家早在上世紀(jì)六十年代就開始了。到上世紀(jì)九十年代，隨著光電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺已取得了廣泛的應(yīng)用，其市場潛力十分巨大。在1984年，西歐的工業(yè)視覺系統(tǒng)的銷售總額達(dá)到589萬美元，到1989達(dá)到近4320萬美元。而在美國，1984年的視覺系統(tǒng)銷售總額達(dá)到6000萬美元，到1994元近12億美元。在日本，2000年機(jī)器視覺市場為300～400億日元。另據(jù)“視覺系統(tǒng)國際公司”的一份市場調(diào)研報(bào)告顯示：1999－2004 年北美的機(jī)器視覺市場規(guī)模從16.8億美元增長到19億美元（年增長率為12.4%）。從上述數(shù)據(jù)可以看出機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展之快，市場之大。國內(nèi)的機(jī)器視覺發(fā)展較發(fā)達(dá)國家晚，目前尚屬概念導(dǎo)入期，但其市場潛力不可忽視。由于中國正成為“世界工廠”，與制造活動密切相關(guān)的機(jī)器視覺技術(shù)正逐步被商家認(rèn)可和接受。而且在中國，機(jī)器視覺行業(yè)還是剛剛起步，相對其它行業(yè)來說競爭還不是很激烈。所以，誰占了市場先機(jī)誰就贏得了主動權(quán)。相信再過幾年，中國將會成為全球繼北美、歐洲與日本后的第4大機(jī)器視覺市場。
2 兩類視覺系統(tǒng)的比較
從組成結(jié)構(gòu)來分類，典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)可分為兩大類：PC式或稱板卡式機(jī)器視覺系統(tǒng)（PC－Based Vision System），以及嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)，亦稱“智能相機(jī)”（Smart Camera）或“視覺傳感器”（Vision Sensor）。PC式視覺系統(tǒng)是一種基于個人計(jì)算機(jī)（PC）的視覺系統(tǒng)，一般由光源、光學(xué)鏡頭、CCD或CMOS相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件以及一臺PC機(jī)構(gòu)成。基于PC的機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)周期較長，但可達(dá)到理想的精度及速度，能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的系統(tǒng)功能。另一類是嵌入式視覺系統(tǒng)，嵌入式視覺系統(tǒng)具有易學(xué)、易用、易維護(hù)、易安裝等特點(diǎn)，可在短期內(nèi)構(gòu)建起可靠而有效的機(jī)器視覺系統(tǒng)，從而極大的提高了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)速度。表一列出了兩類視覺系統(tǒng)在檢測速度、測量精度等指標(biāo)上的優(yōu)劣對比【1】。

表1：嵌入式視覺系統(tǒng)與PC式視覺系統(tǒng)的優(yōu)劣對比

PC式視覺系統(tǒng) 嵌入式視覺系統(tǒng)業(yè)界人士指出，目前在中國使用簡便的智能視覺傳感器占了機(jī)器視覺系統(tǒng)市場60%左右的市場份額。由PC式視覺系統(tǒng)在整體成本、靈活性、用戶化界面、速度以及精度等方面的優(yōu)勢，筆者認(rèn)為接下來的2～5年，在中國市場上PC式視覺系統(tǒng)將與嵌入式視覺系統(tǒng)平分秋色。

3 PC式視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1光源、鏡頭、CCD和圖像采集卡的選用
光源、鏡頭、CCD和圖像采集卡作為視覺系統(tǒng)成像部分[2]，正確的選用是后續(xù)處理的必要條件，成像的質(zhì)量直接影響到視覺軟件處理和分析部分，最終影響機(jī)器視覺系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性。業(yè)內(nèi)有句名言“Garbage in，Garbage out”，即如果輸入的圖像是一幅不理想的圖，則輸出的分析結(jié)果也好不到哪里去，因?yàn)檐浖奶幚聿⒉荒軐⒁环唾|(zhì)量的圖像變得更好，所以，成像的質(zhì)量是視覺系統(tǒng)的首要前提。為了獲取理想的圖像，必須有效地選取成像系統(tǒng)部件，如光源、鏡頭、攝像頭以及圖像采集卡。根據(jù)筆者的大量實(shí)踐，成像的好壞往往決定了一套視覺應(yīng)用系統(tǒng)的成敗。 有時(shí)候就是因?yàn)檫x用了價(jià)格過于低廉的產(chǎn)品，忽視了一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，使得系統(tǒng)集成走了太多的彎路。 視覺系統(tǒng)是一個復(fù)雜而又敏感的系統(tǒng)，應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)解決實(shí)際問題時(shí)，應(yīng)盡量使系統(tǒng)的輸入部分受外界的影響以及硬件調(diào)節(jié)的限制減至最小，這就得選擇專業(yè)適用的成像設(shè)備，以獲得質(zhì)量較佳的圖像。
3.2應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)
作為PC式機(jī)器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，視覺軟件主要通過對圖像的分析、處理和識別，實(shí)現(xiàn)對特定目標(biāo)特征的處理。專業(yè)的視覺軟件能實(shí)現(xiàn)圖像中目標(biāo)的高精度定位，從而提高了系統(tǒng)的精度。由于開發(fā)一款功能強(qiáng)大的視覺底層軟件，需要有專業(yè)的開發(fā)人員，而且還需要有足夠長的開發(fā)周期。所以，作為一個系統(tǒng)集成商來說，開發(fā)視覺項(xiàng)目，從商業(yè)的角度來看，筆者認(rèn)為其工作重心應(yīng)放在應(yīng)用層面的開發(fā)上，不應(yīng)混淆底層開發(fā)和應(yīng)用層開發(fā)的區(qū)別。也就是說，根據(jù)項(xiàng)目的要求，合理選擇一款合適的商用視覺軟件包，在最短的時(shí)間內(nèi)，完成所承接的項(xiàng)目，創(chuàng)造最快的效益。 雖然從表面上看，自行開發(fā)底層視覺軟件能節(jié)約成本，但由于開發(fā)視覺底層軟件需要周期長，而且自行開發(fā)的軟件在性能上，難于達(dá)到由專業(yè)人員所開發(fā)的效果，以至于開發(fā)出來的視覺系統(tǒng)不能滿足預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)，最終難以使視覺產(chǎn)品走上商品化。所以，從綜合成本考慮，建議系統(tǒng)集成商在從事視覺項(xiàng)目時(shí)，選擇一款專業(yè)的視覺軟件。
市面上合用的商業(yè)視覺軟件包也有許多，性能、價(jià)格等相差較大。選擇一款適合項(xiàng)目需要的機(jī)器視覺二次開發(fā)包時(shí)，應(yīng)從視覺軟件能達(dá)到的精度、速度、魯棒性 、硬件的要求（是否與圖像采集卡相配）、編程的難易程度和價(jià)格等方面來綜合考慮。
通常開發(fā)一套PC-Based視覺應(yīng)用軟件系統(tǒng)可分為以下幾個步驟：
* 首先在PC機(jī)上安裝Windows 2000（推薦），VB或VC++,一個圖像采集卡和一套視覺軟件（SDK或稱二次開發(fā)包）；
* 然后運(yùn)行視覺軟件包中的自動標(biāo)定工具對像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定；
* 標(biāo)定完成以后，調(diào)用軟件包中的自動試教模板編輯器生成對象模板，再對目標(biāo)進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)視覺定位功能；
* 如果項(xiàng)目需要測量或檢測時(shí)，可以加上基于模板的測量或檢測工具；
* 在軟件與外部設(shè)備的通訊方面，視覺軟件包一般都提供了豐富的接口資源，只要寫幾行VB/VC++代碼，就能將控制與視覺軟件包連接上，這樣就打通了與外部設(shè)備（如I/O卡等）的通訊功能。

4 采用PC式視覺系統(tǒng)的成熟案例分析
近幾十年來，由于視覺系統(tǒng)的非接觸、速度快、精度合適等突出的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)器視覺技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會效益。現(xiàn)結(jié)合筆者的實(shí)踐，介紹三個典型的PC式視覺系統(tǒng)的案例。
4.1 客戶定制的非接觸式、高精度視覺測量系統(tǒng)
該項(xiàng)目是利用機(jī)器視覺技術(shù)，對某OEM客戶生產(chǎn)的硬盤驅(qū)動架上最前端的小孔進(jìn)行高精度尺寸測量[3]。傳統(tǒng)的測量手段，如卡尺、量規(guī)和萬能工具顯微鏡等傳統(tǒng)的工具采用的是接觸性方式，往往對工件表面造成損壞，所以開發(fā)一款非接觸式的視覺系統(tǒng)以解決高精度測量問題非常必要。 在這個項(xiàng)目中，我們要測量的對象為硬盤驅(qū)動架最前端的小孔。該驅(qū)動架為三指片，所以要對上下兩個Φ0.1084±0.0001 in 的小孔進(jìn)行測量。其技術(shù)要求要達(dá)到重復(fù)精度為1～2微米，重復(fù)性指標(biāo)GRnR應(yīng)不大于10％，與CMM（三坐標(biāo)測量機(jī)）的相關(guān)性要達(dá)到80%。
為了能提高測量的效率，采用了雙通道雙攝像頭實(shí)現(xiàn)了異步測量硬盤驅(qū)動架上下兩尾孔。該項(xiàng)目的臺架和氣動夾具設(shè)計(jì)是經(jīng)過了大量的實(shí)驗(yàn)而最終確定的。我們所采用的開發(fā)包是Adept Hexsight視覺開發(fā)包，其精度能達(dá)到1/40亞象素的位置重復(fù)精度和0.01度旋轉(zhuǎn)重復(fù)精度。在該項(xiàng)目中，首先是選一個標(biāo)準(zhǔn)的圖作為模板，模板選取以后，采用Hexsight的卡尺（Caliper）工具，在模板上逐個做八個卡尺，為每個卡尺輸入小孔的直徑數(shù)據(jù)。然后用已做好的標(biāo)準(zhǔn)模板，在要測的對象中進(jìn)行定位和測量，實(shí)現(xiàn)典型的視覺測量。其結(jié)果與CMM做了相關(guān)性測試，重復(fù)性GRnR<8%，相關(guān)性達(dá)到90%以上，結(jié)果完全達(dá)到了客戶的要求。該視覺系統(tǒng)成功地實(shí)現(xiàn)了對小孔高精度、非接觸式的測量目的。且該系統(tǒng)原理簡單，操作方便，用戶界面友好，普通技術(shù)人員很快就能掌握并操作。

圖1： 非接觸式、高精度視覺測量系統(tǒng) （深圳市視覺龍科技有限公司友情提供）

4.2 帶視覺功能的COG（Chip On Glass）預(yù)壓對位機(jī)
隨著電子制造業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的電子封裝設(shè)備已不能滿足現(xiàn)有的要求。由于傳統(tǒng)的技術(shù)采用的是機(jī)械式定位，其定位速度慢、精度不高等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響電子行業(yè)的發(fā)展。現(xiàn)采用視覺定位系統(tǒng)，使得這些設(shè)備更靈活、更自主地適應(yīng)所處的環(huán)境，以滿足柔性生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。圖2為一臺帶視覺功能的COG裝置，本裝置能實(shí)現(xiàn)將IC對位預(yù)壓在LCD或FPC（軟性線路板）上，該系統(tǒng)的視覺部分采用了Adept HexSight的幾何特征定位器（locator），定位精度到 0.05mm，定位速度在30ms以內(nèi)，該定位器在光線變化、圖像覆蓋、背景凌亂、對比度突變等條件下均能獲得十分穩(wěn)定的效果，且對于對象相對于模板的縮放比例（Scale）和旋轉(zhuǎn)（Rotation）均能準(zhǔn)確快速地識別。

圖 2 COG IC對位裝置 （深圳市視覺龍科技有限公司友情提供）

4.3 全自動視覺定位商標(biāo)切割機(jī)
隨著紡織刺繡、商標(biāo)業(yè)不斷的發(fā)展，其技術(shù)要求越來越高，傳統(tǒng)的定位方式已難以勝任切割精度高、速度快的要求。為了解決紡織刺繡、商標(biāo)等商品切割的實(shí)際問題，在原有切割機(jī)的基礎(chǔ)上，安裝一套視覺系統(tǒng)，并結(jié)合目前最高端的DSP 技術(shù)，完成全自動視覺定位切割功能。圖3為一款全自動視覺定位商標(biāo)切割機(jī)，其切割速度能達(dá)到40，000mm/min,定位精度能達(dá)到<0.01mm。該機(jī)也是采用了PC式的視覺系統(tǒng)，與運(yùn)動控制有機(jī)集成在一起。在該系統(tǒng)內(nèi)，視覺軟件包的運(yùn)算速度以及坐標(biāo)定位的亞象素（sub-pixel）技術(shù)是該機(jī)達(dá)到上述性能指標(biāo)的重要保證，同時(shí)HexSight還能輸出匹配實(shí)例（Instance）相對于標(biāo)準(zhǔn)模板的縮放比例（Scale），這點(diǎn)對于布匹切割的實(shí)時(shí)補(bǔ)償尤為關(guān)鍵。

圖3 SM-963型全自動攝像定位商標(biāo)切割機(jī)(東莞粵銘激光有限公司友情提供)

5 總結(jié)
上面幾個視覺系統(tǒng)已經(jīng)在工廠內(nèi)投入運(yùn)行，至今一直運(yùn)行良好，穩(wěn)定。從上述對幾個案例分析來看，我們不難發(fā)現(xiàn)，作為一個系統(tǒng)集成商，開發(fā)一款PC式的視覺系統(tǒng)，最佳捷徑首先還是選擇一款專業(yè)的視覺軟件包，這樣可以提高產(chǎn)品的整體性能和縮短項(xiàng)目開發(fā)周期。
參考文獻(xiàn)：
[1] 楊崴,丁少華。 PC式視覺系統(tǒng)與嵌入式視覺系統(tǒng)的比較。 http://www.china-vision.net
[2] <<CCD&CMOS圖像和機(jī)器視覺產(chǎn)品手冊>>
[3] <<Hexsigh 用戶手冊 >>
作者簡介
顏發(fā)根　男　碩士生　現(xiàn)為深圳視覺龍有限公司軟件工程師