何新宇，趙時(shí)璐，張 震，趙天宇

（1.沈陽(yáng)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110000；2.華晨寶馬汽車有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 引言

智能化產(chǎn)業(yè)已逐步進(jìn)入到我們的生活中，隨著人們對(duì)于生活產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，智能工廠也逐步走入到工業(yè)化企業(yè)之中。我國(guó)制造實(shí)業(yè)現(xiàn)還處于發(fā)展戰(zhàn)略階段，使用機(jī)器視覺技術(shù)是我國(guó)生產(chǎn)制造業(yè)快速向智能化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化的一個(gè)有效途徑。對(duì)于工業(yè)化產(chǎn)業(yè)而言，充分利用機(jī)器視覺較強(qiáng)的現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)能力，達(dá)到高效率和高精度的檢測(cè)結(jié)果；再對(duì)機(jī)器視覺使用進(jìn)行檢測(cè)成本預(yù)測(cè)，若使用機(jī)器視覺技術(shù)成本小于人工成本，則技術(shù)實(shí)施可行；如若成本高于人工成本，則需重新對(duì)技術(shù)實(shí)施計(jì)劃進(jìn)行改善控制成本；因此，如何準(zhǔn)確利用機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)于我國(guó)工業(yè)制造實(shí)業(yè)來說意義非凡。

機(jī)器視覺的主要功能是替代人在一些比較危險(xiǎn)或者人眼視覺難以觀測(cè)的工作環(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)[1]。這項(xiàng)技術(shù)不僅快速實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)產(chǎn)品高效率、高精度的生產(chǎn)節(jié)奏，同時(shí)保證了操作者的人身安全，是一項(xiàng)不可多得的智能化技術(shù)。但一套完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)是比較復(fù)雜的，不僅包含圖像采集、圖像處理、數(shù)字模擬技術(shù)、智能判斷等軟件技術(shù)，同時(shí)還需電光源照明、機(jī)械控制穩(wěn)定及執(zhí)行等硬件控制；那么，如何準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)出一款嚴(yán)謹(jǐn)性好、精確度高的視覺產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)人們對(duì)于工業(yè)化產(chǎn)品高技術(shù)要求，是我們當(dāng)下仍需努力研究的。

2 機(jī)器視覺研究

2.1 機(jī)器視覺基本結(jié)構(gòu)研究

機(jī)器視覺是由多個(gè)領(lǐng)域交叉結(jié)合出來的新型技術(shù)，涉及光學(xué)成像原理、人工智能、圖像處理以及仿生科學(xué)等等科學(xué)。文獻(xiàn)[2]可知我們工業(yè)化生產(chǎn)中所使用的機(jī)器視覺，主要是由相機(jī)、光源、鏡頭、圖像采集卡、圖像處理的軟件、PLC、輸出系統(tǒng)等組成。雖然選擇一個(gè)機(jī)器視覺的子系統(tǒng)是比較簡(jiǎn)單的，但搭建一個(gè)通用性好的整體機(jī)器視覺系統(tǒng)是比較困難的的，這需涉及多方面的子系統(tǒng)的選擇。

2.1.1 相機(jī)

目前應(yīng)用于智能化視覺系統(tǒng)中的相機(jī)一般是：嵌入式系統(tǒng)與機(jī)器視覺系統(tǒng)相結(jié)合的工業(yè)相機(jī)。常見的工業(yè)相機(jī)根據(jù)圖像傳感器模式可分為CCD、CMOS 兩種。CCD 芯片是典型的固體成像，這種圖像模式是集光電的轉(zhuǎn)換形成電荷并儲(chǔ)存，如圖1（a）所示。后在驅(qū)動(dòng)脈沖推動(dòng)下不斷轉(zhuǎn)移并放大輸出信號(hào)，形成輸出圖像；CMOS 芯片是具有動(dòng)態(tài)成像特點(diǎn)的圖像傳感器，CMOS 芯片是將圖像信號(hào)讀取電路、圖像放大信號(hào)器、轉(zhuǎn)換器以及控制器合于一體并集在一塊芯片上的圖像傳感器，不僅具有良好的集成性、高傳輸性，還具有局部區(qū)域訪問并編程算法的優(yōu)點(diǎn)，如圖1（b）所示。

圖1 相機(jī)類型Fig.1 Camera Type

CCD 相機(jī)需將存儲(chǔ)信息進(jìn)行同步信號(hào)控制后進(jìn)行轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移信息及輸出讀取信息需要有三組不同的電源及時(shí)鐘控制電路同時(shí)輔助輸出，整個(gè)過程比較麻煩。而CMOS 相機(jī)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后，可直接輸出信號(hào)，過程比較簡(jiǎn)單，價(jià)錢相對(duì)來說比較低廉，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用比較廣泛。

2.1.2 鏡頭

機(jī)器視覺中鏡頭的主要作用就是調(diào)制光束，將所得的圖像定像在圖像傳感器上，鏡頭的選擇將直接影響整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)，所以合理的選擇鏡頭型號(hào)，設(shè)計(jì)出安裝位置是機(jī)器視覺系統(tǒng)硬件部分的重要環(huán)節(jié)[3]。但由不同的工業(yè)環(huán)境制造出來的鏡頭也有很大的差別，因此價(jià)格也具有很大差距。

工業(yè)視覺中對(duì)于鏡頭的選擇，主要取決于鏡頭的焦距、光圈值、景深及分辨率。選取鏡頭時(shí)，首先我們要確定相機(jī)類型及傳感器尺寸，還需確定拍攝距離后利用式（1）及式（2）輔助來計(jì)算焦距確定鏡頭的選擇。

式中：f—焦距；WD—工作距離；PMAG—鏡頭放大倍數(shù)；Hi—相機(jī)傳感器靶面尺寸；Ho—視野高度。

常用的CCD 相機(jī)芯片尺寸，如表1 所示。

表1 相機(jī)芯片尺寸Tab.1 Camera Chip Size

2.1.3 照明

對(duì)機(jī)器視覺來說，照明目的是使觀測(cè)者可忽略那些不需要的信息，使某一被測(cè)特征點(diǎn)變得明顯。為更好達(dá)到目的，需考慮現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況、周圍是否存在反光體，光源與被測(cè)物體之間的關(guān)系等，最終在確認(rèn)光源是否選取時(shí)還需考慮的一個(gè)因素就是光譜。把光譜的特性有效的利用在視覺系統(tǒng)中，盡可能的做到突出特征點(diǎn)以確保整個(gè)系統(tǒng)亮度。

光源類型有很多種，如自然光、白熾燈、熒光燈、LED 等等，在視覺系統(tǒng)中常選用穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)的LED 光源，通常將LED按照光源外形進(jìn)行分類，如表2 所示。不同的視覺系統(tǒng)，需要的光源也是有差異性的，由于光源的種類多樣性，在機(jī)器視覺系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)中，還需考慮光源與被測(cè)物之間的關(guān)系后方可對(duì)光源進(jìn)行選擇。

表2 LED 光源對(duì)比Tab.2 Comparison of LED Light Sources

文獻(xiàn)[4]提出選擇合適的光源后，不僅需要合理利用照明光譜以及照明的方向性，來設(shè)計(jì)視覺系統(tǒng)，同時(shí)需對(duì)整個(gè)視覺系統(tǒng)的使用壽命考慮，這樣設(shè)計(jì)出來的機(jī)器視覺系統(tǒng)能清晰的反應(yīng)出被測(cè)物的特征，還能有效控制整個(gè)視覺系統(tǒng)的耐久性。

2.1.4 圖像采集

圖像采集主要是對(duì)被測(cè)物進(jìn)行圖像信號(hào)采集，并將這種信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件保存在電腦上的一個(gè)過程。而在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，采集的圖像是否合格，影響元素會(huì)有多種，如鏡頭的選擇、照明情況、相機(jī)的選擇、檢測(cè)位置等。如文獻(xiàn)[5-6]中指出為了有效的進(jìn)行邊緣的采集，需對(duì)已采集到的灰度圖像進(jìn)行二值化處理，即將收集到的灰度圖像分解成灰度值極大的兩張圖像后需進(jìn)行填充處理，最后進(jìn)行邊緣提取，利用對(duì)被測(cè)物體的邊緣提取與被測(cè)物體背景進(jìn)行分離，凸顯被測(cè)邊緣，有效進(jìn)行圖像采取。

2.2 機(jī)器視覺工作原理

機(jī)器視覺系統(tǒng)一般會(huì)根據(jù)檢測(cè)的內(nèi)容、形式、檢測(cè)項(xiàng)大小而改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但總體上基本是大同小異。機(jī)器視覺一般是以圖像信號(hào)中的高度、面積、位置等為特征點(diǎn)，根據(jù)事先在軟件算法中所設(shè)定的合格范圍進(jìn)行對(duì)比，判別是否合格后再以目視化圖像的形式顯示出的一個(gè)過程[7]，如圖3 所示。

圖2 機(jī)器視覺工作原理圖Fig.2 The Principle Diagram of the Machine Vision

隨著被測(cè)物在輸送帶傳送，到達(dá)攝像機(jī)的位置，視覺系統(tǒng)利用固定位置開始進(jìn)行檢測(cè)，通過照明系統(tǒng)即光源（該光源為可調(diào)節(jié)式光源，可調(diào)節(jié)光源亮度、角度及光源位置的高度），照射被測(cè)物體使其達(dá)到亮度，再利用觸發(fā)圖像采集的光電傳感器自動(dòng)進(jìn)行觸發(fā)，計(jì)算機(jī)通過主控程序連接的信息數(shù)據(jù)庫(kù)得到圖像，計(jì)算機(jī)將所得圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，獲得檢測(cè)結(jié)果，并進(jìn)行分析。將所得結(jié)果利用數(shù)字I/O 傳送到PLC 中，控制器將所得結(jié)果通過現(xiàn)場(chǎng)總線接口傳送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)將以目視化結(jié)果呈現(xiàn)在屏幕上，最終完成檢測(cè)的這一效果。

3 機(jī)器視覺現(xiàn)狀

3.1 機(jī)器視覺在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

在汽車生產(chǎn)線中，利用延時(shí)拍攝方法對(duì)車身特定位置進(jìn)行拍攝測(cè)量，通過以太網(wǎng)的方式傳輸給數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并及時(shí)將所得問題數(shù)據(jù)與報(bào)警同步進(jìn)行展示[8]?；跈C(jī)器視覺檢測(cè)車身特定位置缺陷的實(shí)現(xiàn)，能夠有效的記錄、分析實(shí)時(shí)生產(chǎn)問題，快速對(duì)問題進(jìn)行判斷，具有可擴(kuò)展性，對(duì)多個(gè)車型均可適用。但此設(shè)備在初期具有一次性投資較大，測(cè)量數(shù)據(jù)大等缺點(diǎn)，而且對(duì)于工作精度要求很高。

系統(tǒng)在線檢測(cè)，如圖3 所示。此系統(tǒng)是基于機(jī)器視覺對(duì)車身下底盤膠堵檢測(cè)，使用白熾燈光源照射底面，工業(yè)相機(jī)拍攝下底盤全面位置，根據(jù)拍攝圖片進(jìn)行二值化分類后，相應(yīng)算法對(duì)被測(cè)物的判定位置進(jìn)行檢測(cè)，最終輸出判定結(jié)果。

圖3 機(jī)器視覺在車身下底盤的檢測(cè)應(yīng)用Fig.3 Application of Machine Vision in Detection of Underbody Ch.

此系統(tǒng)的應(yīng)用前期需采集大量的圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證算法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。但若視覺系統(tǒng)穩(wěn)定進(jìn)行運(yùn)行，將可以在同一時(shí)間段對(duì)同一車輛的不同位置的縫隙、平整度進(jìn)行分析，確保生產(chǎn)車輛的一致性，消除人工檢測(cè)誤差，適用于大批量生產(chǎn)的質(zhì)量控制。

3.2 機(jī)器視覺對(duì)薄膜厚度的檢測(cè)

生活中，隨處可見物品上有一層光亮的物品，那是生產(chǎn)過程中為了某一項(xiàng)性能而進(jìn)行的鍍膜，但均勻的薄膜厚度主要由三方面決定：自身的工藝設(shè)備，薄膜厚度傳感器以及螺栓位置的控制。隨著生產(chǎn)量的加大，收到調(diào)節(jié)螺栓控制的方法已無法滿足生產(chǎn)需求。為此基于機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行螺栓定位控制系統(tǒng)應(yīng)用，在不同螺栓位置處進(jìn)行標(biāo)記，在實(shí)際測(cè)量過程中不斷跟新位置追蹤，確定螺栓可適應(yīng)位置，以達(dá)到準(zhǔn)確螺栓位置檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)控制剖面均勻薄膜生產(chǎn)，如圖4 所示。

圖4 機(jī)器視覺薄膜生產(chǎn)中應(yīng)用Fig.4 Application of Machine Vision in Film Production

4 機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

研究過程中發(fā)現(xiàn)在輸入端采集到很清晰的圖像，就人眼可以很清晰辨別，但利用機(jī)器視覺技術(shù)識(shí)別過程中還需考慮以下的幾個(gè)問題：

（1）外界因素。外界光源的穩(wěn)定性、物體本體的顏色和形狀、相機(jī)與物體之間的角度及位置等，任何一方的變動(dòng)都會(huì)對(duì)圖像的采集產(chǎn)生很大的影響。

（2）數(shù)據(jù)量。無論是彩色圖像還是灰度圖像，均會(huì)輸出大量的信息，軟件中只需在儲(chǔ)存卡內(nèi)運(yùn)行我們需要的信息；而硬件上需選擇較大轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)空間，采集到的信息能快速與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)類似于人眼的一個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)。

（3）圖像的多重含義。一張二維圖，可能是由不同的兩張三維圖像投影出來，機(jī)器視覺很難分辨還原出原型，如何快速、準(zhǔn)確的判定目標(biāo)，提高圖像的分辨處理的速度是我們目前亟須解決的問題[9]。

近幾年，機(jī)器視覺技術(shù)雖然有了一些發(fā)展，但是目前的發(fā)展過程中還是存在了一些問題，未來的主要研究重點(diǎn)應(yīng)在下面幾部分開展：（1）硬件的合理選擇。使用精密度高的硬件可以有效的提高整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的精密性，但存在某些特殊性能的產(chǎn)品，需要精度限定在某一范圍內(nèi)，只有合理的選擇硬件才能有效的發(fā)揮出該機(jī)器視覺系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)。（2）軟件的研究。軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)核心技術(shù)，軟件的精確研究能高效的調(diào)動(dòng)機(jī)械部分的配合并能夠減小硬件的磨損。（3）模塊化建設(shè)。將整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行單元模塊化分類，這樣能大大的提高整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)程，同時(shí)各單元出現(xiàn)的問題也可快速得到解決。

5 結(jié)語(yǔ)

伴隨著電子計(jì)算機(jī)以及半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器視覺也需不斷更新系統(tǒng)的程序。機(jī)器視覺雖然發(fā)展才短短幾十年，但發(fā)展的速度卻很驚人，由最開始一些簡(jiǎn)單的視覺應(yīng)用已經(jīng)向復(fù)雜的識(shí)別、自動(dòng)檢測(cè)等方面發(fā)展。這里對(duì)機(jī)器視覺的基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、生產(chǎn)生活中應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)做了介紹，并預(yù)測(cè)機(jī)器視覺技術(shù)將成為科學(xué)技術(shù)上最具發(fā)展力的檢測(cè)技術(shù)之一。