基于PC的機器視覺系統

基于PC的機器視覺系統
深圳視覺龍科技有限公司　顏發根　丁少華　 陳樂　廣東工業大學　劉建群

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

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.
關鍵詞(Keywords) 機器視覺 視覺軟件開發包
machine vision, vision SDK (software development kit)

1 引言
機器視覺是利用光電成像系統采集被控目標的圖像，經計算機或專用的圖像處理模塊進行數字處理，根據圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，進行尺寸、形狀、顏色等的識別。這樣，就把計算機的快速性、可重復性，與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結合，大大提高了生產的柔性和自動化程度。
對于機器視覺的研究應用，日本、德國和美國等發達國家早在上世紀六十年代就開始了。到上世紀九十年代，隨著光電子技術和計算機技術的發展，機器視覺已取得了廣泛的應用，其市場潛力十分巨大。在1984年，西歐的工業視覺系統的銷售總額達到589萬美元，到1989達到近4320萬美元。而在美國，1984年的視覺系統銷售總額達到6000萬美元，到1994元近12億美元。在日本，2000年機器視覺市場為300～400億日元。另據“視覺系統國際公司”的一份市場調研報告顯示：1999－2004 年北美的機器視覺市場規模從16.8億美元增長到19億美元（年增長率為12.4%）。從上述數據可以看出機器視覺技術發展之快，市場之大。國內的機器視覺發展較發達國家晚，目前尚屬概念導入期，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的機器視覺技術正逐步被商家認可和接受。而且在中國，機器視覺行業還是剛剛起步，相對其它行業來說競爭還不是很激烈。所以，誰占了市場先機誰就贏得了主動權。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大機器視覺市場。
2 兩類視覺系統的比較
從組成結構來分類，典型的機器視覺系統可分為兩大類：PC式或稱板卡式機器視覺系統（PC－Based Vision System），以及嵌入式機器視覺系統，亦稱“智能相機”（Smart Camera）或“視覺傳感器”（Vision Sensor）。PC式視覺系統是一種基于個人計算機（PC）的視覺系統，一般由光源、光學鏡頭、CCD或CMOS相機、圖像采集卡、圖像處理軟件以及一臺PC機構成。基于PC的機器視覺應用系統尺寸較大、結構復雜，開發周期較長，但可達到理想的精度及速度，能實現較為復雜的系統功能。另一類是嵌入式視覺系統，嵌入式視覺系統具有易學、易用、易維護、易安裝等特點，可在短期內構建起可靠而有效的機器視覺系統，從而極大的提高了應用系統的開發速度。表一列出了兩類視覺系統在檢測速度、測量精度等指標上的優劣對比【1】。

表1：嵌入式視覺系統與PC式視覺系統的優劣對比

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

3 PC式視覺系統的設計

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成像部分[2]，正確的選用是后續處理的必要條件，成像的質量直接影響到視覺軟件處理和分析部分，最終影響機器視覺系統工作的準確性。業內有句名言“Garbage in，Garbage out”，即如果輸入的圖像是一幅不理想的圖，則輸出的分析結果也好不到哪里去，因為軟件的處理并不能將一幅低質量的圖像變得更好，所以，成像的質量是視覺系統的首要前提。為了獲取理想的圖像，必須有效地選取成像系統部件，如光源、鏡頭、攝像頭以及圖像采集卡。根據筆者的大量實踐，成像的好壞往往決定了一套視覺應用系統的成敗。 有時候就是因為選用了價格過于低廉的產品，忽視了一些關鍵技術指標，使得系統集成走了太多的彎路。 視覺系統是一個復雜而又敏感的系統，應用機器視覺技術解決實際問題時，應盡量使系統的輸入部分受外界的影響以及硬件調節的限制減至最小，這就得選擇專業適用的成像設備，以獲得質量較佳的圖像。
3.2應用軟件的設計
作為PC式機器視覺系統的重要組成部分，視覺軟件主要通過對圖像的分析、處理和識別，實現對特定目標特征的處理。專業的視覺軟件能實現圖像中目標的高精度定位，從而提高了系統的精度。由于開發一款功能強大的視覺底層軟件，需要有專業的開發人員，而且還需要有足夠長的開發周期。所以，作為一個系統集成商來說，開發視覺項目，從商業的角度來看，筆者認為其工作重心應放在應用層面的開發上，不應混淆底層開發和應用層開發的區別。也就是說，根據項目的要求，合理選擇一款合適的商用視覺軟件包，在最短的時間內，完成所承接的項目，創造最快的效益。 雖然從表面上看，自行開發底層視覺軟件能節約成本，但由于開發視覺底層軟件需要周期長，而且自行開發的軟件在性能上，難于達到由專業人員所開發的效果，以至于開發出來的視覺系統不能滿足預期的技術指標，最終難以使視覺產品走上商品化。所以，從綜合成本考慮，建議系統集成商在從事視覺項目時，選擇一款專業的視覺軟件。
市面上合用的商業視覺軟件包也有許多，性能、價格等相差較大。選擇一款適合項目需要的機器視覺二次開發包時，應從視覺軟件能達到的精度、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格等方面來綜合考慮。
通常開發一套PC-Based視覺應用軟件系統可分為以下幾個步驟：
* 首先在PC機上安裝Windows 2000（推薦），VB或VC++,一個圖像采集卡和一套視覺軟件（SDK或稱二次開發包）；
* 然后運行視覺軟件包中的自動標定工具對像機進行標定；
* 標定完成以后，調用軟件包中的自動試教模板編輯器生成對象模板，再對目標進行定位，實現視覺定位功能；
* 如果項目需要測量或檢測時，可以加上基于模板的測量或檢測工具；
* 在軟件與外部設備的通訊方面，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備（如I/O卡等）的通訊功能。

4 采用PC式視覺系統的成熟案例分析
近幾十年來，由于視覺系統的非接觸、速度快、精度合適等突出的優點，機器視覺技術得到了廣泛的應用，取得了巨大的經濟與社會效益?，F結合筆者的實踐，介紹三個典型的PC式視覺系統的案例。
4.1 客戶定制的非接觸式、高精度視覺測量系統
該項目是利用機器視覺技術，對某OEM客戶生產的硬盤驅動架上最前端的小孔進行高精度尺寸測量[3]。傳統的測量手段，如卡尺、量規和萬能工具顯微鏡等傳統的工具采用的是接觸性方式，往往對工件表面造成損壞，所以開發一款非接觸式的視覺系統以解決高精度測量問題非常必要。 在這個項目中，我們要測量的對象為硬盤驅動架最前端的小孔。該驅動架為三指片，所以要對上下兩個Φ0.1084±0.0001 in 的小孔進行測量。其技術要求要達到重復精度為1～2微米，重復性指標GRnR應不大于10％，與CMM（三坐標測量機）的相關性要達到80%。
為了能提高測量的效率，采用了雙通道雙攝像頭實現了異步測量硬盤驅動架上下兩尾孔。該項目的臺架和氣動夾具設計是經過了大量的實驗而最終確定的。我們所采用的開發包是Adept Hexsight視覺開發包，其精度能達到1/40亞象素的位置重復精度和0.01度旋轉重復精度。在該項目中，首先是選一個標準的圖作為模板，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據。然后用已做好的標準模板，在要測的對象中進行定位和測量，實現典型的視覺測量。其結果與CMM做了相關性測試，重復性GRnR<8%，相關性達到90%以上，結果完全達到了客戶的要求。該視覺系統成功地實現了對小孔高精度、非接觸式的測量目的。且該系統原理簡單，操作方便，用戶界面友好，普通技術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 （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）預壓對位機
隨著電子制造業的飛速發展，傳統的電子封裝設備已不能滿足現有的要求。由于傳統的技術采用的是機械式定位，其定位速度慢、精度不高等缺點，嚴重影響電子行業的發展。現采用視覺定位系統，使得這些設備更靈活、更自主地適應所處的環境，以滿足柔性生產，提高了生產效率。圖2為一臺帶視覺功能的COG裝置，本裝置能實現將IC對位預壓在LCD或FPC（軟性線路板）上，該系統的視覺部分采用了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，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定的效果，且對于對象相對于模板的縮放比例（Scale）和旋轉（Rotation）均能準確快速地識別。

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切割機
隨著紡織刺繡、商標業不斷的發展，其技術要求越來越高，傳統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、商標等商品切割的實際問題，在原有切割機的基礎上，安裝一套視覺系統，并結合目前最高端的DSP 技術，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切割機，其切割速度能達到40，000mm/min,定位精度能達到<0.01mm。該機也是采用了PC式的視覺系統，與運動控制有機集成在一起。在該系統內，視覺軟件包的運算速度以及坐標定位的亞象素（sub-pixel）技術是該機達到上述性能指標的重要保證，同時HexSight還能輸出匹配實例（Instance）相對于標準模板的縮放比例（Scale），這點對于布匹切割的實時補償尤為關鍵。

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

5 總結
上面幾個視覺系統已經在工廠內投入運行，至今一直運行良好，穩定。從上述對幾個案例分析來看，我們不難發現，作為一個系統集成商，開發一款PC式的視覺系統，最佳捷徑首先還是選擇一款專業的視覺軟件包，這樣可以提高產品的整體性能和縮短項目開發周期。
參考文獻：
[1] 楊崴,丁少華。 PC式視覺系統與嵌入式視覺系統的比較。 http://www.china-vision.net
[2] <<CCD&CMOS圖像和機器視覺產品手冊>>
[3] <<Hexsigh 用戶手冊 >>
作者簡介
顏發根　男　碩士生　現為深圳視覺龍有限公司軟件工程師