如何設計機器視覺係統框架 --- 創科黎友

    在決定一個機器視覺係統的需求及應用時，很多因素需要考慮。機器視覺（或稱為自動可視檢測係統）一yi般ban包bao含han了le大da量liang部bu件jian
，這zhe些xie部bu件jian直zhi接jie影ying響xiang係xi統tong的de性xing能neng。為wei了le獲huo得de這zhe些xie子zi係xi統tong的de優you越yue性xing能neng，並bing無wu縫feng將jiang他ta們men接jie合he在zai你ni的de生sheng產chan線xian上shang
，最zui好hao花hua一yi些xie時shi間jian來lai學xue習xi視shi覺jiao係xi統tong的de組zu成cheng、應用
、以及正確的規劃的重要性。

    機器視覺的應用在對精度和可靠性都很高的重複性檢測任務中
，機器視覺廣泛應用在這些生產流程中。一些常見的任務：

    在食物包裝中檢測數據代碼；

    自動檢測部件用於正確的安裝
；

    為機器人的撿起（pick）和放置（place）動作提供向導；

    在製藥中效驗藥品的顏色；

    讀取部件的條形碼、以及在產品上的標識；還有更多更多。

    基於PC的機器視覺係統的基本組成 由於機器視覺應用非常廣泛，在不同的係統裏使用不同的部件
，但是，我們可以將這些部件分成如下幾類（見圖1）。圖1 通常的機器視覺係統的主要組成（附件1）

    1. 攝像頭和光學部件 – 這一類通常含有一個或多個攝像頭和鏡頭（光學部件）


，用於拍攝被檢測的物體。根據應用，攝像頭可以基於如下標準
，黑白RS-170/CCIR
、複合彩色（Y/C），RGB彩色，非標準黑白（可變掃描），步進掃描（progressive-scan）或線掃描。

    2. 燈光 – 燈光用於照亮部件，以便從攝像頭中拍攝到更好的圖像

，燈光係統可以在不同形狀、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(tong)常(chang)以(yi)光(guang)柵(zha)或(huo)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)形(xing)式(shi)出(chu)現(xian)。當(dang)這(zhe)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)感(gan)知(zhi)到(dao)部(bu)件(jian)靠(kao)近(jin)
，它(ta)會(hui)給(gei)出(chu)一(yi)個(ge)觸(chu)發(fa)信(xin)號(hao)。當(dang)部(bu)件(jian)處(chu)於(yu)正(zheng)確(que)位(wei)置(zhi)時(shi)，這(zhe)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)告(gao)訴(su)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)去(qu)采(cai)集(ji)圖(tu)像(xiang)。

    4. 圖像采集卡 – 也稱為視頻抓取卡，這個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據（模擬信號或數字信號），然後轉換成PC能處理的信息。它同時可以提供控製攝像頭參數（例如觸發、曝光時間
、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
，不同的計算機總線。

    5. PC平台 – 計算機是機器視覺的關鍵組成部分。應用在檢測方麵
，通常使用Pentium III或更高的CPU。一般來講
，計算機的速度越快，視覺係統處理每一張圖片的時間就越短。由於在製造現場中，經常有振動、灰塵、熱輻射等等，所以一般需要工業級的計算機。

    6. 檢測軟件 – 機器視覺軟件用於創建和執行程序
、處理采集回來的圖像數據、以及作出“通過/失敗（PASS/FAIL）”決定。機器視覺有多種形式（C語言庫、 ActiveX控件、點擊編程環境等等），可以是單一功能（例如設計隻用來檢測LCD或BGA
、對齊任務等等），也可以是多功能（例如設計一個套件，包含計量
、條形碼閱讀、機器人導航、現場驗證等等）。

    7. 數字I/O和網絡連接 – 一旦係統完成這個檢測部分，這部分必須能與外界通信，例如需要控製生產流程、將“通過/失敗（PASS/FAIL）”的信息送給數據庫。通常
，使用一張數字I/O板卡和（或）一張網卡來實現機器視覺係統與外界係統和數據庫的通信。

    配置一個基於PC的機器視覺係統認真的計劃和注意細節能幫助你確保你的檢測係統符合你的應用需求。如下是你必需考慮的幾點： 確定你的目標 – 這可能是最重要的一步 棗決定在這個檢測任務中你需要實現什麼，檢測任務通常分為如下幾類：

    1. 測量或計量

    2. 讀取字符或編碼（條形碼）信息。

    3. 檢測物體的狀態

    4. 認知和識別特殊的特性棗模式識別

    5. 將物體與模板進行對比或匹配

    6. 為機器或機器人導航檢測流程可以包含隻有一個操作或包含多個與檢測任務相關的任務。

    weilequerenniderenwu
，shouxianniyinggaimingqueweilezuidaxiandujiancebujiannixuyaozuodeceshi
，yejiushininengkaolvdaohuichuxiandequexian。weilemingqueshenmenagecaishizuizhongyaode
，zuihaozuoyizhangpinggubiao，liechu“必須做”和“可以做”deceshi。yidanzhuyaodeduiceshibiaozhunmanyi，suihoukeyijianggengduodeceshijiajinqulaigaishanjianceguocheng，yidingyaojizhu，tianjiaceshidetongshiyehuizengjiajiancedeshijian。 確定你需要的速度 – 係統檢測每一個部件需要多少時間？這個不隻是由PC的速度決定，還受生產流水線速度的影響。很多機器視覺包含了時鍾/jishiqi
，suoyijiancecaozuodemeiyibusuoxuyaodeshijiandoukeyizhunqueceliang，congzhexieshuju
，womenjiukeyixiugaiwomendechengxuyimanzushijianshangdeyaoqiu。tongchang
，yigejiyuPC的機器視覺係統每一秒可以檢測20-25個部件，與檢測部件的多少和處理程序以及計算機的速度有密切關係。

    聰明地選擇你的硬件 – 一(yi)套(tao)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)與(yu)它(ta)的(de)部(bu)件(jian)密(mi)切(qie)相(xiang)關(guan)。在(zai)選(xuan)擇(ze)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，有(you)很(hen)多(duo)捷(jie)徑(jing)棗(棗)特(te)別(bie)在(zai)光(guang)學(xue)成(cheng)像(xiang)上(shang)棗(棗)可(ke)能(neng)很(hen)大(da)程(cheng)度(du)降(jiang)低(di)係(xi)統(tong)的(de)效(xiao)率(lv)。如(ru)下(xia)是(shi)在(zai)選(xuan)擇(ze)部(bu)件(jian)時(shi)你(ni)必(bi)須(xu)緊(jin)記(ji)的(de)幾(ji)個(ge)基(ji)本(ben)原(yuan)則(ze)。

    1. 攝像頭 攝像頭的選擇與應用的需求直接相關，通常考慮三點：

    a）黑白還是彩色；

    b）部件/目標的運動
；

    c）圖像分辨率。

    在檢測應用中大部分使用黑白攝像頭，因為黑白圖像能提供90%keshishuju，bingqiebicaisebianyi。caiseshexiangtouzhuyaoyongyuyixiexuyaofenxicaisetuxiangdechangheli。genjubujianzaijianceshishifouyidong，juedingwomenxuanzebiaozhungexingsaomiaoshexiangtouhaishizhuxingsaomiaoshexiangtou。lingwai，tuxiangdefenbianlvbixuzugougao，yitigongjiancerenwuxuyaodezugoudeshuju。zuihou
，shexiangtoubixuzhilianghaohekeyibimiangongyexianchangzhongdezhendong、灰塵和熱的影響。

    2. guangxuebujianhezhaomingzhegezhiguanzhongyaodeyinsuwangwangbeirensuohulve。dangnishiyongyigehenchadeguangxuebujianhuozhaoming，jiusuannishiyongzuihaodejiqishijiaoxitong，tabiaoxianchudexingnengshenzhibibushangyigepeishanglianghaoguangxuebujianheshidangzhaomingdedinenglixitong。guangxuebujiandemubiaoshichanshengzuihaohezuidakeyongmianjidetuxiang，bingqietigongzuihaodetuxiangfenbianlv。zhaomingdemubiaoshizhaoliangxuyaocelianghuojiancedebufendeguanjiantezheng。tongchang，zhaomingxitongdeshejiyouruxiayinsujueding：顏色
、紋理

、尺寸、外形、反射率等等。

    3. 圖(tu)像(xiang)采(cai)集(ji)卡(ka)雖(sui)然(ran)圖(tu)像(xiang)采(cai)集(ji)卡(ka)隻(zhi)是(shi)完(wan)整(zheng)的(de)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)的(de)一(yi)個(ge)部(bu)件(jian)
，但(dan)是(shi)它(ta)扮(ban)演(yan)一(yi)個(ge)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)角(jiao)色(se)。圖(tu)像(xiang)采(cai)集(ji)卡(ka)直(zhi)接(jie)決(jue)定(ding)了(le)攝(she)像(xiang)頭(tou)的(de)接(jie)口(kou)：黑白
、彩色

、模擬、數(shu)字(zi)等(deng)等(deng)。使(shi)用(yong)模(mo)擬(ni)輸(shu)入(ru)的(de)圖(tu)像(xiang)采(cai)集(ji)卡(ka)
，目(mu)標(biao)是(shi)盡(jin)量(liang)不(bu)變(bian)地(di)將(jiang)攝(she)像(xiang)頭(tou)采(cai)集(ji)的(de)圖(tu)像(xiang)轉(zhuan)換(huan)為(wei)數(shu)字(zi)數(shu)據(ju)。使(shi)用(yong)不(bu)正(zheng)確(que)的(de)圖(tu)像(xiang)采(cai)集(ji)卡(ka)可(ke)能(neng)得(de)到(dao)錯(cuo)誤(wu)的(de)數(shu)據(ju)。工(gong)業(ye)用(yong)的(de)圖(tu)像(xiang)采(cai)集(ji)卡(ka)通(tong)常(chang)用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)任(ren)務(wu)
，多(duo)媒(mei)體(ti)采(cai)集(ji)卡(ka)由(you)於(yu)它(ta)通(tong)過(guo)自(zi)動(dong)增(zeng)益(yi)控(kong)製(zhi)
、邊(bian)沿(yan)增(zeng)強(qiang)和(he)顏(yan)色(se)增(zeng)強(qiang)電(dian)路(lu)來(lai)更(geng)改(gai)圖(tu)像(xiang)數(shu)據(ju)
，所(suo)以(yi)不(bu)用(yong)在(zai)這(zhe)個(ge)領(ling)域(yu)裏(li)。使(shi)用(yong)數(shu)字(zi)輸(shu)入(ru)的(de)圖(tu)像(xiang)采(cai)集(ji)卡(ka)的(de)目(mu)標(biao)是(shi)將(jiang)攝(she)像(xiang)頭(tou)輸(shu)出(chu)的(de)數(shu)字(zi)圖(tu)像(xiang)數(shu)據(ju)轉(zhuan)換(huan)並(bing)輸(shu)送(song)到(dao)PC中作處理。考慮各種變化：人(ren)類(lei)的(de)眼(yan)睛(jing)和(he)大(da)腦(nao)可(ke)以(yi)在(zai)不(bu)同(tong)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia)識(shi)別(bie)目(mu)標(biao)
，但(dan)是(shi)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)就(jiu)不(bu)是(shi)這(zhe)樣(yang)多(duo)才(cai)多(duo)藝(yi)了(le)

，它(ta)隻(zhi)能(neng)按(an)程(cheng)序(xu)編(bian)寫(xie)的(de)任(ren)務(wu)來(lai)工(gong)作(zuo)。了(le)解(jie)你(ni)的(de)係(xi)統(tong)能(neng)看(kan)到(dao)什(shen)麼(me)和(he)不(bu)能(neng)看(kan)到(dao)什(shen)麼(me)能(neng)幫(bang)助(zhu)你(ni)避(bi)免(mian)失(shi)敗(bai)（例如將好的部件認為是壞的）或其它檢測錯誤。一般要考慮的包括部件顏色

、周圍光線、焦點、部件的位置和方向和背景顏色的大變化。

    正確選擇軟件：機器視覺軟件是檢測係統中的智能部分，也是最核心的部分。軟件的選擇決定了你編寫調試檢測程序的時間、檢測操作的性能等等。 圖2 DTVF是一個多功能、圖形化編程的機器視覺軟件（附件2） 機器視覺提供了圖形化編程界麵 (通常稱為“Point & Click”) 通常比其他編程語言(例如Visual C++)容rong易yi，但dan是shi在zai你ni需xu要yao一yi些xie特te殊shu的de特te征zheng或huo功gong能neng時shi有you一yi定ding的de局ju限xian性xing。基ji於yu代dai碼ma的de軟ruan件jian包bao，盡jin管guan非fei常chang困kun難nan和he需xu要yao編bian碼ma經jing驗yan
，但dan在zai編bian寫xie複fu雜za的de特te殊shu應ying用yong檢jian測ce算suan法fa具ju備bei更geng大da的de靈ling活huo性xing。一yi些xie機ji器qi視shi覺jiao軟ruan件jian同tong時shi提ti供gong了le圖tu形xing化hua和he基ji於yu代dai碼ma的de編bian程cheng環huan境jing
，提ti供gong兩liang方fang麵mian最zui好hao的de特te征zheng，提ti供gong了le很hen多duo靈ling活huo性xing
，滿man足zu不bu同tong的de應ying用yong需xu求qiu。

    通信和記錄數據：機ji器qi視shi覺jiao係xi統tong的de總zong的de目mu標biao是shi通tong過guo區qu分fen好hao和he壞huai的de部bu件jian來lai實shi現xian質zhi量liang檢jian測ce。為wei了le實shi現xian這zhe一yi功gong能neng，這zhe個ge係xi統tong需xu要yao與yu生sheng產chan流liu水shui線xian通tong信xin，這zhe樣yang才cai可ke以yi在zai發fa現xian壞huai的de部bu件jian是shi做zuo某mou種zhong動dong作zuo。通tong常chang這zhe些xie動dong作zuo是shi通tong過guo數shu字ziI/O板，這些板與製造流水線中的PLCxianglian，zheyanghuaidebujianjiukeyigenhaodebujianfenli。liwai，jiqishijiaoxitongkeyiyuwangluolianjie，zheyangjiukeyijiangshujuchuansonggeishujuku
，yongyujilushujuyijirangzhiliangkongzhiyuanfenxiweishenmehuichuxianfeipin。zaizheyiburenzhenkaolvjiangyouzhuyujiangjiqishijiaoxitongwufengyushengchanliushuixianjieheqilai。xuyaokaolvdewentishi：

    1. 使用了什麼類型的PLC，它的接口如何
？

    2. 需要什麼類型的信號？

    3. 現在使用或必須使用什麼類型的網絡？

    4. 在網絡上傳送的文件格式是什麼
？通常使用RS-232端口與數據庫通信，來實現對數據的紀錄。

    為以後做準備：當(dang)你(ni)為(wei)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)選(xuan)擇(ze)部(bu)件(jian)時(shi)
，時(shi)刻(ke)記(ji)住(zhu)未(wei)來(lai)的(de)生(sheng)產(chan)所(suo)需(xu)和(he)有(you)可(ke)能(neng)發(fa)生(sheng)的(de)變(bian)動(dong)。這(zhe)些(xie)將(jiang)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)你(ni)的(de)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)軟(ruan)硬(ying)件(jian)是(shi)否(fou)容(rong)易(yi)更(geng)改(gai)來(lai)滿(man)足(zu)以(yi)後(hou)新(xin)的(de)任(ren)務(wu)。提(ti)前(qian)的(de)準(zhun)備(bei)將(jiang)不(bu)僅(jin)僅(jin)節(jie)約(yue)你(ni)的(de)時(shi)間(jian)，而(er)且(qie)通(tong)過(guo)在(zai)將(jiang)來(lai)重(zhong)用(yong)現(xian)有(you)的(de)檢(jian)測(ce)任(ren)務(wu)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)價(jia)格(ge)。機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)的(de)性(xing)能(neng)由(you)最(zui)差(cha)的(de)部(bu)分(fen)決(jue)定(ding)（就像一個木桶的容量由最短的一個木塊決定），精度則由它能獲取的信息決定。花時間和精力合理配置係統就可以建造一個零故障和有彈性的視覺檢測係統。