淺談機器視覺系統(tǒng)裝備及其應(yīng)用

花 磊

（凱邇必機械工業(yè)（鎮(zhèn)江）有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

1 視覺系統(tǒng)裝備及運行

視覺系統(tǒng)按照其運行環(huán)境的不同，可分為PC-BASED系統(tǒng)和PLC-BASED系統(tǒng)。PC-BASED系統(tǒng)是一種基于個人計算機的視覺系統(tǒng)，由光源、相機、圖像采集卡、圖像處理軟件以及一臺電腦構(gòu)成。軟件一般完全或部分由用戶直接開發(fā)，用戶可針對特定應(yīng)用開發(fā)適合自己的專用算法，PLC-BASED系統(tǒng)，也稱視覺傳感器，它是一種基于PLC的視覺系統(tǒng)。由光源、相機、圖像處理單元、監(jiān)視器構(gòu)成，圖像處理單元獨立出來，一般通過串/并行接口與PLC交換數(shù)據(jù)，用戶通過類似游戲手柄的裝置，對顯示在監(jiān)視器中的菜單進行配置，此時，視覺系統(tǒng)的作用更像一個智能化的傳感器。本文主要介紹的是PLC-BASED系統(tǒng)。即視覺傳感器，歐姆龍視覺傳感器系統(tǒng)一般由控制器，即圖像處理單元、監(jiān)視器、手持控制器、相機、鏡頭及光源組成。相機對檢測物體進行拍攝后，將其轉(zhuǎn)換成圖像信號，并傳送到專用的圖像處理單元，圖像處理單元負(fù)責(zé)將圖像的像素分布亮度和顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號，并對這些信號進行各種運算來抽取目標(biāo)對象的特征，如：面積、長度、數(shù)量、位置等信息。根據(jù)用戶預(yù)設(shè)的判斷條件輸出結(jié)果，如：產(chǎn)品的尺寸、角度、顏色等是否合格；產(chǎn)品的數(shù)量等。上位機，如電腦或PLC實時獲得檢測結(jié)果后，指揮系統(tǒng)執(zhí)行相應(yīng)的控制動作，如定位、分選等。手持式控制器用于對參數(shù)等進行設(shè)置，監(jiān)視器用于顯示拍攝的圖片、檢測結(jié)果以及手持控制器所進行的設(shè)置等。

2 視覺系統(tǒng)裝備的組成及發(fā)展

視覺傳感器功能性的發(fā)展過程。首先就是選擇控制器，較早出現(xiàn)的簡易視覺傳感器，主要提供灰度搜索及缺陷的檢測方法；后來出現(xiàn)了智能型的視覺傳感器，具有自動色彩過濾功能，提供位置、寬度、亮度、計數(shù)等7種檢測項目，由傳感器和放大器兩部分組成。傳感器部分由相機、鏡頭、光源組成；放大器上帶有監(jiān)視屏合按鈕，可直接進行檢測設(shè)定。大尺寸的LCD監(jiān)視屏可實現(xiàn)雙界面對照顯示，除可外接控制器外，還可利用手寫筆直接在液晶面板上描畫、選擇對象的檢測部位，通過配備可高速處理大量數(shù)據(jù)運算的引擎，提高了處理速度；之后出現(xiàn)的視覺傳感器，檢測模式多達(dá)16種，如灰度搜索、缺陷、重心和面積及邊緣檢出等，另外還包含支持DeviceNet和Profibus的型號，處理速度更快，增加了OCR字符檢測和靈活搜索的檢測功能，可同時連接兩個相機，此外，可以使用類似于BASIC語言的宏功能對特殊功能進行定制。除此之外新出現(xiàn)的真彩視覺傳感器，具有仿真測試功能，有BOX型——LCD顯示屏和控制器分離式和一體式兩種型號可供選擇。此外它還自帶USB接口、以太網(wǎng)口，新增了用于高精度定位檢查的邊緣碼（EC）技術(shù)，新增的Fine Matching算法用于探測微小缺陷。Quest OCR/V算法來實現(xiàn)高級字符探測，可以連接四個相機，具有以太網(wǎng)接口，還可以選擇高速模式和隨機觸發(fā)模式。百萬像素視覺系統(tǒng)，數(shù)字界面的相機帶來更高的分辨率，并具備部分掃描功能，能實現(xiàn)高精度定位，最高可支持500萬像素的相機，具備梯形補正。HDR等多種領(lǐng)先技術(shù)。另外支持中文、英文、日文等多種語言的系統(tǒng)菜單，適用性更廣泛，近期新推出的新系列產(chǎn)品中，具有雙核控制器，在檢測的同時即可保存數(shù)據(jù)，檢測速度得到了進一步的提升。

在根據(jù)實際檢測需要選擇了適合的控制器后，還要選擇與控制器匹配的相機，相機根據(jù)是否自帶光源，分為普通相機和智能相機，選擇時除了像素、色彩的區(qū)別外，在圖像采集的速度上也有所不同，從低到高可分為：標(biāo)準(zhǔn)相機、倍速相機、多倍速相機。

鏡頭的選擇，鏡頭分為定焦鏡頭和變焦鏡頭。只要滿足C型卡口規(guī)格的皆可使用，當(dāng)使用定焦鏡頭時，視野范圍固定，以F160視覺傳感器為例，如果客戶選擇F160-SLC50的智能相機，那么，視野為50 mm，安裝距離為16.5～26.5 mm；當(dāng)用變焦鏡頭時，視野可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，根據(jù)光學(xué)成像原理，有如下兩個公式：

上圖為相機拍攝的成像原理圖，其中：L為視野，A、B分別為物距和像距，F(xiàn)是鏡頭焦距，S為CCD芯片尺寸，由以上兩個公式推導(dǎo)可得出如下公式：

由于CCD芯片尺寸由鏡頭硬件所決定，因此根據(jù)公式可知，視野范圍確定，焦距越大，物距越大；相同的物距，鏡頭焦距越大，視野越小。用視覺系統(tǒng)對被測對象進行檢測時，相機拍攝的圖像的明暗、灰度，會受到光線的影響，因此如果選擇了無自帶光源的相機，為了得到穩(wěn)定的圖像以確保檢測的準(zhǔn)確性，需要根據(jù)不同的應(yīng)用及被測物選擇合適的照明，以下是幾種照明方式及其適用的場合，背光照明：使用背光照明方式，可以獲得穩(wěn)定的高對比度圖像，這種照明方式特別適用于物體外形輪廓或者液位高度等的檢測；低角度照明和斜光照明：適用于表面有光澤的被測對象，可凸顯對象的凹面或者凸面；環(huán)狀照明：適用于無光澤表面的被測對象，可以獲得較均勻的照明效果；同軸落射照明：使用這種方法可以從被測物體的不光滑表面上獲得帶有少量陰影的穩(wěn)定圖像，特別適用于被測物的平面檢查、定位和空內(nèi)部的照明，除了以上設(shè)備外，還有一些相關(guān)的附件，如監(jiān)視器，通訊電纜等也是不可少的。

3 主流視覺系統(tǒng)裝備的功能特點

目前廣泛使用的主流視覺傳感器的特點。①更高的分辨率，新型的千萬級像素照相機實現(xiàn)了用傳統(tǒng)的百萬級像素照相機無法處理的高精度外觀檢查和測量，使不可見的缺陷變?yōu)榭梢?；②高動態(tài)范圍功能——HDR技術(shù)，動態(tài)范圍指成像發(fā)光度最大值與最小值的比率，硬件所具有的動態(tài)范圍越高，用較強的發(fā)光對比度進行物體成像時產(chǎn)生的圖像越清晰，由于采用了HDR圖像生成技術(shù)，可以通過自動改變快門速度，在不同的發(fā)光度下拍攝兩幅或多幅工件圖像，并將這些圖像快速合成為一幅圖像，由于采用了這種技術(shù)，視覺傳感器達(dá)到的動態(tài)范圍比其他普通照相機的動態(tài)范圍都高。高動態(tài)范圍最大限度地減小了光暈等照明影響，從而實現(xiàn)高精度檢查，無需通過照明，就可以檢測出以往因曝光過度或曝光不足而無法發(fā)現(xiàn)的缺陷，甚至是反光表面或陰暗表面上的缺陷也能被檢測出來。③梯形失真修正，可以修正傾斜拍攝的失真圖像，即使圖像是傾斜拍攝的或輸出過程不穩(wěn)定，也能確保高精度檢查。④讀取條形碼、二維碼，可以實現(xiàn)讀碼器的功能，在檢測前檢測產(chǎn)品的類型，同時收集和匯集檢測信息，根據(jù)產(chǎn)品類型在不同的檢測項目之間切換，可以對用代碼讀取方法檢測的不同類型的產(chǎn)品，自動設(shè)置不同的檢測項目組?？梢宰x取的條形碼有：近年來不斷引進的 CS1 Databar、Code128、Code39、JAN 碼等，可以讀取的二維碼包括：Data Matrix，QR碼等。除此之外，還具有多畫面合成；條紋、光暈過濾器，圓形圖像的矩形展開功能等，使其適用于各種應(yīng)用場合。系統(tǒng)包括：控制器、顯示器、相機三部分?？刂破饔袃煞N，一種是將控制器和顯示器集成在一起的液晶顯示一體型，屏幕為觸摸式，配有觸控筆，可以直接在屏幕上進行參數(shù)設(shè)置，也可以外接USB接口的鼠標(biāo)；另一種是BOX型，需要另外配置顯示器，BOX型只能通過外接鼠標(biāo)進行參數(shù)設(shè)置。以上兩種類型的控制器還有雙通道和四通道型，可同時連接2個或4個相機。相機主要是帶照明的智能相機和不帶照明的單體相機。

4 視覺系統(tǒng)裝備的應(yīng)用及前景

目前，視覺系統(tǒng)在各行業(yè)的檢測工序上的應(yīng)用是非常廣泛的，在電子行業(yè)中，檢測芯片上是否缺少印刷的字樣；檢測連接器引腳是否彎折或者缺失。在食品包裝行業(yè)中，各種出廠包裝上是否加貼了日期或者食用方法、質(zhì)量合格檢測等的標(biāo)簽。在煙草行業(yè)領(lǐng)域中，視覺傳感器可以對煙葉樣本進行顏色分析，可得到各類樣本顏色特征值的分布情況。在農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)中，自動監(jiān)測動植物的生長情況，可以有效調(diào)節(jié)控制動植物的生長環(huán)境，以滿足動植物的生長需求。瓜果品質(zhì)的無損檢測中，通過圖像采集卡，采集瓜果的形態(tài)，顏色等特征將采集結(jié)果傳送給分析處理系統(tǒng)，根據(jù)處理結(jié)果判斷瓜果是否為有損產(chǎn)品。谷物識別與分級應(yīng)用中，對大米、小麥、玉米以及其他谷物的識別和分級，例如根據(jù)應(yīng)力裂紋、形態(tài)、染色后顏色特征等，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高速濾波等技術(shù)來進行識別和分類。

相信在未來的各個行業(yè)的生產(chǎn)領(lǐng)域，視覺傳感系統(tǒng)必將發(fā)揮更全面、更便捷的作用，從而提高生產(chǎn)效率，提升產(chǎn)品品質(zhì)，降低生產(chǎn)成本，創(chuàng)造出更大的財富。