視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的流程及管理探討

吳賀　賈濱　沈偉

摘要 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)今科技發(fā)展、技術(shù)應(yīng)用一個(gè)重要的領(lǐng)域，雖然視覺(jué)技術(shù)經(jīng)過(guò)了30余年的研究，但是這一技術(shù)還有極大的發(fā)展空間，并且隨著智能時(shí)代的到來(lái)，必將迎來(lái)更廣闊的發(fā)展空間。本文分析了視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用和管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于探索和發(fā)展面向?qū)ο蠛陀脩舻囊曈X(jué)檢測(cè)實(shí)用技術(shù)很可能是未來(lái)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展方向之一。

關(guān)鍵詞 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)；光源；鏡頭；攝像機(jī)；管理

中圖分類號(hào) G2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2016）14-0063-03

隨著工業(yè)4.0、大數(shù)據(jù)、機(jī)器智能時(shí)代的到來(lái)，各種高新技術(shù)在很多行業(yè)得到了快速的發(fā)展，其中視覺(jué)識(shí)別、視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)也得到了更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，在機(jī)械制造行業(yè)、食品行業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)、汽車行業(yè)、軍工行業(yè)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，其中視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)在生產(chǎn)、包裝過(guò)程中的運(yùn)用得到了高速發(fā)展，是視覺(jué)技術(shù)重要發(fā)展方向之一。

1視覺(jué)檢測(cè)原理

視覺(jué)檢測(cè)就是通過(guò)圖像信號(hào)傳感、處理、分析與計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)物體參數(shù)的檢測(cè)。按照這樣的原理形成的面向工程的儀器設(shè)備我們稱之為視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)裝置。這樣的裝置安裝在生產(chǎn)制造系統(tǒng)中，與生產(chǎn)制造系統(tǒng)的機(jī)械傳輸部分統(tǒng)一受到主控計(jì)算機(jī)整體控制，實(shí)現(xiàn)物料輸入、視覺(jué)檢測(cè)、圖像分析、數(shù)據(jù)傳輸、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)判斷、系統(tǒng)輸出控制分類處理，這樣一套流程。視覺(jué)檢測(cè)裝置與生產(chǎn)線有機(jī)結(jié)合充分體現(xiàn)了高效率、高精度和高考靠性的特點(diǎn)。

1.1視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)主要有節(jié)約時(shí)間、降低生產(chǎn)成本、優(yōu)化物流過(guò)程、縮短機(jī)器停工期、提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、減輕測(cè)試及檢測(cè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度、減少不合格產(chǎn)品數(shù)量、提高機(jī)器利用率。

1.2視覺(jué)檢測(cè)裝置組成

視覺(jué)檢測(cè)裝置組成主要由光源、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡、軟件組成。1）光源：根據(jù)相機(jī)的光譜響應(yīng)特性、物品形狀、打光方式、輔助手段（采用偏光片、濾光片、漫射片）等因素選擇合適的光源，種類有LED、熒光燈、鹵素?zé)簦ü饫w光源）、特殊光源，為滿足應(yīng)用，要通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試綜合考慮光源的使用。2）鏡頭：根據(jù)相機(jī)接口類型、物距、拍攝范圍、CCD尺寸、畸變范圍、放大率、聚焦、變焦范圍、光圈等因素選擇鏡頭，鏡頭類型有標(biāo)準(zhǔn)、遠(yuǎn)心、廣角、變焦放大、遠(yuǎn)攝/近攝等。3）攝像機(jī)（圖像傳感器）：指標(biāo)，像元尺寸、分辨率、靶面大小、感應(yīng)曲線、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、速度、噪聲、填充因子、體積、質(zhì)量、工作環(huán)境等。分類，線/面、隔/逐、黑/彩、數(shù)/模、低/高、CCD/cMOS。4）圖像采集卡，根據(jù)精度、速度和可靠性選擇。主要指標(biāo)：采集頻率（速度）、接口、預(yù)處理功能、支持相機(jī)種類、控制功能、輸入輸出點(diǎn)數(shù)；分類：模擬/數(shù)字、單通道/多通道。5）軟件。

2單攝像系統(tǒng)和多攝像系統(tǒng)

對(duì)于目標(biāo)識(shí)別和跟蹤、物體位移的偏差檢測(cè)等情況要采用單一攝像機(jī)的圖像采集和處理系統(tǒng)；而應(yīng)用于機(jī)器人導(dǎo)航、三維測(cè)量、虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境構(gòu)建等情況采用雙攝像頭或多攝像頭組成的圖像采集和處理系統(tǒng)。采用不同的圖像采集方式相應(yīng)要采用不同的圖形處理算法和處理技術(shù)。也就是說(shuō)我們要采集同一事物或物體的圖像，可以選用單一攝像機(jī)同步跟蹤、多角度拍攝，也可以選擇在不同位置、角度安裝多臺(tái)攝像機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)拍攝。單一攝像機(jī)同步跟蹤可適用于靜止物體和運(yùn)動(dòng)物體采集圖像，多攝像機(jī)方式卻只是用于靜止物體或是低速運(yùn)動(dòng)的物體的拍攝。

3圖像處理算法

可以根據(jù)被測(cè)物體不同特點(diǎn)選擇不同的算法，通常包括攝像機(jī)標(biāo)定算法、圖像輸入處理、圖像濾波、邊緣提取、特征選取、圖像匹配、深度識(shí)別、深度圖生成、與其他類型傳感信號(hào)的融合和先驗(yàn)知識(shí)的融會(huì)貫通等。

下面介紹我們?yōu)椴煌r配置的不同的視覺(jué)檢測(cè)方案，其中實(shí)例1“標(biāo)簽批號(hào)（數(shù)字、條碼）在線視覺(jué)檢測(cè)”是比較簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)物體的圖像識(shí)別；而實(shí)例2是對(duì)玻璃容器中的液體的容積、細(xì)小異物進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)橐后w藥品中細(xì)小異物的分辨、玻璃瓶造成的虛假干擾信息等因素，造成了對(duì)于這類物品的視覺(jué)檢測(cè)很困難，如配置方案不合理，就很難做出精準(zhǔn)的判斷，造成良品的錯(cuò)誤剔除，或是有問(wèn)題的藥品被當(dāng)作是良品放行，其中后者會(huì)造成更加嚴(yán)重的危害，使注射藥品的患者處于風(fēng)險(xiǎn)中，這是制藥企業(yè)完全不能接受的。

3.1實(shí)例1：標(biāo)簽批號(hào)（數(shù)字、條碼）在線視覺(jué)檢測(cè)

如圖2所示產(chǎn)品物料在傳輸帶上水平運(yùn)動(dòng)，傳輸速度為60～70m/min，標(biāo)簽粘貼在物料上表面，標(biāo)簽面積為3mm×8mm，需要檢測(cè)標(biāo)簽上的批號(hào)信息的有無(wú)和字跡是否清晰，采用的固定單攝像機(jī)的圖像采集和處理系統(tǒng)，由傳感器觸發(fā)，設(shè)置延時(shí)（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)定），保證攝像機(jī)拍攝準(zhǔn)確落在標(biāo)簽位置，采用了LED同步光源，圖像處理采用了圖像增強(qiáng)與濾波、圖像邊界檢測(cè)方法。將采集到的每個(gè)物料標(biāo)簽圖像與初始設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)圖像進(jìn)行相似度比較，對(duì)于相似度應(yīng)大于80%給予放行，否則作為異常品處理。經(jīng)過(guò)充分的驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)中對(duì)于良品和異常品（人為挑選）判定準(zhǔn)確率達(dá)到了100%。

3.2實(shí)例2：瓶裝藥品（液體）在線視覺(jué)檢測(cè)

被檢測(cè)物體是封裝在2mL西林瓶中的透明液體，需要檢測(cè)各種細(xì)小異物，并且要區(qū)分開細(xì)小異物是在瓶子內(nèi)部還是在外部，瓶子內(nèi)部有可見異物按照異常品處理，而瓶子外部的細(xì)小異物對(duì)于藥品質(zhì)量沒(méi)有任何影響，屬于良品。

此方案中采用了多檢測(cè)站位，多組攝像機(jī)的圖像采集和處理系統(tǒng)。需要的檢測(cè)成像區(qū)域的面積為130mm×90mm，因此采用了640mm×480mm的30萬(wàn)像素相機(jī)。在同一站位拍攝24張以上的照片，將這些照片在軟件系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行疊加比對(duì)分析（實(shí)驗(yàn)證明，提高對(duì)細(xì)小異物的檢出率，通過(guò)提高照片數(shù)量的方式優(yōu)于單純提高攝像機(jī)像素的方式）。但是如果相機(jī)和光源都是固定不動(dòng)的，但是瓶子卻在連續(xù)運(yùn)動(dòng)，反而造成了致命的缺陷，因?yàn)樵谂恼諘r(shí)瓶子的背景在不斷的變化，使得獲取的照片背景無(wú)法保持一致，同時(shí)瓶子對(duì)于相機(jī)來(lái)說(shuō)位置也在不斷變化，造成相機(jī)的對(duì)焦不穩(wěn)定，而要檢測(cè)較小的異物時(shí)，攝像機(jī)的靈敏度一定會(huì)高，此時(shí)在進(jìn)行照片比對(duì)時(shí)，背景的變化就會(huì)被攝像機(jī)檢測(cè)到，誤判為異物，造成誤剔除?；谏鲜隹量糖闆r，必須保證相機(jī)一產(chǎn)品一光源的同步性，在執(zhí)行檢測(cè)時(shí)，三者始終保持沒(méi)有相對(duì)位移，只有這樣才能保證照片背景的一致性，也能保證相機(jī)對(duì)焦的穩(wěn)定性，最大程度的減少誤判，保證機(jī)器檢測(cè)的高精度（如圖3所示）。endprint

根據(jù)可見異物不同特征對(duì)檢測(cè)形式分類：“可反射類微?！睓z測(cè)、“不可反射微?！睓z測(cè)和“液位”檢測(cè)。

站位一：不可反射類微粒檢測(cè)——針對(duì)如黑色異物、金屬、纖毛類能夠吸收光線的異物，檢測(cè)前，瓶子高速旋轉(zhuǎn)后突然停止，LED照明矩陣從背部給瓶子打光，配以白色背景，即可有效辨識(shí)異物，見圖4。

站位二：可反射類微粒檢測(cè)——針對(duì)玻璃、化學(xué)纖維、白色異物等不可吸收光線的異物，瓶子高速旋轉(zhuǎn)后突然停止，LED照明系統(tǒng)從底部和背部給瓶子打光，同時(shí)配以黑色背景，即可有效辨識(shí)異物。

站位三：偏振光異物檢測(cè)（圖5），對(duì)于帶氣泡的液體，可以使用偏振光技術(shù)來(lái)避免氣泡對(duì)檢測(cè)過(guò)程及結(jié)果的影響，從而完成對(duì)顆粒物和纖毛等的檢測(cè)。

以上3個(gè)站位組成了對(duì)玻璃容器內(nèi)液體異物及容積的視覺(jué)檢測(cè)裝置，進(jìn)過(guò)充分的驗(yàn)證測(cè)試，此方案可保證在正常生產(chǎn)條件下，良品檢出率為≥98%，異常品剔除率為100%。

實(shí)例2綜合運(yùn)用了多種視覺(jué)檢測(cè)方法，軟件中也采用了多種算法（本文中未作詳細(xì)表述），體現(xiàn)了視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的高水平的應(yīng)用。對(duì)于探索和發(fā)展面向?qū)ο蠛陀脩舻囊曈X(jué)檢測(cè)實(shí)用技術(shù)很可能是未來(lái)視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展方向之一。

4視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的管理

高效率、高精度的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)離不開管理，有效的管理是系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障。首先，是技術(shù)人才的培養(yǎng)。只有具備較高技術(shù)能力的操作員、技術(shù)員，掌握了該系統(tǒng)的原理、維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)，才能保證系統(tǒng)的正確使用和維修維護(hù)。其次，是良好的運(yùn)行環(huán)境。視覺(jué)檢測(cè)設(shè)備對(duì)于環(huán)境濕度、灰塵比較敏感，濕度條件較差或是灰塵大的環(huán)境均會(huì)影響設(shè)備的運(yùn)行，甚至?xí)斐社R頭和其他部位的損壞。再次，是制定維護(hù)保養(yǎng)規(guī)程和計(jì)劃。嚴(yán)格按照規(guī)程和計(jì)劃執(zhí)行，視覺(jué)設(shè)備比較嬌貴，很多外界因素，包括人為因素都會(huì)造成設(shè)備故障，這就需要經(jīng)常的保養(yǎng)和維護(hù)。最后，建議對(duì)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)制定精準(zhǔn)度驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)和周期。該系統(tǒng)的硬件是由光學(xué)原件和電子元器件構(gòu)成的，可能會(huì)突然發(fā)生（或是緩慢的發(fā)生）異常，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的改變，這一改變有時(shí)難以立即被我們發(fā)現(xiàn)，造成持續(xù)的誤判危害，所以要驗(yàn)證。我們可以根據(jù)所檢測(cè)物品的質(zhì)量特征制定精度標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)對(duì)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果制定驗(yàn)證周期。這對(duì)于保證視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的精確性可靠性是重要的。我們通過(guò)上面的管理手段，可以保證視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)更加可靠持久地為我們服務(wù)。

5結(jié)論

視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)三四十年的研究，取得了非常大的發(fā)展，但是和人類的視覺(jué)功能比起來(lái)，當(dāng)前的視覺(jué)識(shí)別技術(shù)發(fā)展水平還差很多，科學(xué)研究工作還要解決一個(gè)又一個(gè)難點(diǎn)來(lái)提升視覺(jué)技術(shù)水平。我們也要不斷優(yōu)化視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)方法，不斷提升視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的管理，讓這一技術(shù)更好地發(fā)展，更好地為人類服務(wù)。endprint