淺談視覺測量在計量檢測中的發(fā)展和應用

天津市計量監(jiān)督檢測科學研究院電子儀表實驗所□姬 偉

天 津 理 工 大 學 中 環(huán) 信 息 學 院□王亞麗

1 引言

在當今自動化生產(chǎn)中，一些不斷發(fā)展進步中的大、中、小型企業(yè)越來越注重對產(chǎn)品及工件的快速高效的測量，涉及到各種檢查、測量和零件識別等。視覺測量除了能夠幫助企業(yè)提高產(chǎn)品檢測的效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)更科學的自動化檢測鏈。這里我們再談視覺檢測技術(shù)，它是一種基于計算機視覺研究的檢測技術(shù)，與計算機視覺測量研究不同，視覺檢測更著重于物體幾何形狀的測量和位置測量。例如三維尺寸的檢測等，其更多的可以應用于計量檢測領域。因此將視覺測量應用于計量檢測，可以解決機械動態(tài)參數(shù)的檢測與溯源的問題，以新興的檢測方式來保證機械設備中動態(tài)參數(shù)的準確性。

2 關于視覺測量的認識

從計算機視覺概念和方法出發(fā)，將計算機視覺應用于空間幾何尺寸的精確測量和定位，從而產(chǎn)生一種新的計算機視覺應用概念，即視覺測量。

現(xiàn)代工業(yè)自動化生產(chǎn)中涉及到各種各樣的檢驗、生產(chǎn)監(jiān)視和零件識別應用，如汽車零配件批量加工的尺寸檢查和自動裝配的完整性檢查、電子裝配線的元件自動定位、IC上的字符識別等。通常這種帶有高度重復性和智能性的工作是由肉眼來完成的，但在某些特殊情況下，如對微小尺寸的精確快速測量、形狀匹配以及顏色辨識等，依靠肉眼根本無法連續(xù)穩(wěn)定地進行，其他物理量傳感器也難以勝任。我們開始考慮用CCD照相機抓取圖像后送入計算機或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊，通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。這種方法是把計算機處理的快速性、可重復性與肉眼視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機器視覺測試技術(shù)的概念。

3 視覺測量與視覺檢測的區(qū)別

視覺測量與視覺檢測都屬于非接觸式測量，其共同點是在不接觸被測物體的前提下進行精準測量；不同點在于視覺測量多用于制造廠對大批量及特殊產(chǎn)品的非接觸式快速測量和檢查，而預開發(fā)的視覺檢測系統(tǒng)則是為了解決計量器具的動態(tài)幾何量的角度、位移、速度及加速度的檢測問題，其檢測精度高于前者，其檢測原理更符合計量器具的檢測特性。

4 視覺檢測的市場前景分析及經(jīng)濟效益

近幾年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，中國計算機視覺行業(yè)發(fā)展迅速，尤其是2016年下半年，1:N人臉識別、視頻結(jié)構(gòu)化等計算機視覺相關技術(shù)在安防領域的實戰(zhàn)場景中突破工業(yè)化紅線，敲響了計算機視覺行業(yè)市場大規(guī)模爆發(fā)的前奏。2017年下半年，數(shù)家計算機視覺公司單筆融資上億美元，再次將計算機視覺推向人工智能領域最受關注的方向。

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2017~2022年中國機器視覺產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與投資預測分析報告》對多個權(quán)威機構(gòu)的數(shù)據(jù)匯總，目前全球機器視覺市場規(guī)模在45-70億美元之間：2016年全球機器視覺市場規(guī)模約為62億美元，2002年~2016年市場年均復合增長率為12%左右；而根據(jù)Automated Imaging Association發(fā)布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年全球機器視覺系統(tǒng)及部件市場規(guī)模是42億美元，2016年這一數(shù)字約為46億美元，預計2017年，全球機器視覺系統(tǒng)及部件市場規(guī)模將達到50億美元。

近日，艾瑞咨詢發(fā)布了《2017年計算機視覺行業(yè)研究報告》 （以下簡稱“研究報告”）。研究報告認為，計算機視覺行業(yè)在醫(yī)療影像、工業(yè)制造、批發(fā)零售等現(xiàn)階段的創(chuàng)新領域?qū)⒅鸩浇怄i，將成為行業(yè)整體快速發(fā)展的重要支撐。

從2017年全球機器視覺應用分布來看，目前國外機器視覺的應用普及主要體現(xiàn)在半導體及電子行業(yè)，其中大概40%~50%都集中在半導體行業(yè)。另外，機器視覺系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測的各個方面得到了廣泛應用，并且其產(chǎn)品在應用中占據(jù)著舉足輕重的地位。

從地區(qū)分布來看，機器視覺發(fā)展早期，主要集中在歐美和日本，隨著全球制造中心向中國轉(zhuǎn)移，中國機器視覺市場正在繼北美、歐洲和日本之后，成為國際機器視覺廠商的重要目標市場。目前機器視覺在發(fā)達國家早已發(fā)展成熟，行業(yè)進入穩(wěn)定增長期。

以上數(shù)據(jù)證明視覺測量在生產(chǎn)鏈中的應用和發(fā)展前景非?？捎^。同樣，如果將視覺檢測系統(tǒng)用于檢測/校準領域，不管是創(chuàng)新技術(shù)領域，還是經(jīng)濟收益都是值得期待的。視覺檢測技術(shù)可以作為標準器對計量器具進行檢測校準開展檢測活動，另外該系統(tǒng)還可以作為產(chǎn)品銷售給有需求的檢測機構(gòu)或企業(yè)。據(jù)統(tǒng)計，天津目前注冊的檢測機構(gòu)約326所，如每所機構(gòu)有兩項檢測任務，每年的檢測量就將近700余項。這僅是保守估計的檢測任務，如果能夠銷售該系統(tǒng)到各檢測機構(gòu)和企業(yè)，那么收益將極為可觀。

綜上所述，計量級視覺檢測系統(tǒng)能夠抓住機遇、開拓市場，不管在技術(shù)創(chuàng)新領域、經(jīng)濟效益方面還是在社會影響力方面都會有巨大的收獲。

5 開展視覺檢測的重要意義

開展視覺檢測可解決企業(yè)大、中、小型機械設備動態(tài)參數(shù)測量的困難。隨著我國計量能力的不斷提高，精密測試項目也在不斷發(fā)展。近幾年測試領域中客戶對儀器的動態(tài)檢測要求越來越多，而利用我國現(xiàn)有的計量設備無法滿足檢測要求。比如設備運動中的角度、位移、速度和加速度的檢測都無法實現(xiàn)。因此，我們開始關注動態(tài)測量的相關信息。據(jù)了解，目前在全國沒有能進行動態(tài)測量的檢測機構(gòu)，即使有對動態(tài)測量的產(chǎn)品（視覺測量設備），也都用于企業(yè)產(chǎn)品的大批量快速檢查。這類視覺測量系統(tǒng)僅適用于生產(chǎn)線對產(chǎn)品的優(yōu)劣性的辨別，并不適用于計量檢測機構(gòu)的長度、角度和距離的精密測試。

綜上所述，我們將視覺測量與計量檢測相結(jié)合，就是計量視覺檢測系統(tǒng)。目的是將視覺測量技術(shù)中融入計量檢測概念，以滿足計量設備在運動中的角度、位移、速度和加速度的檢測要求，使其可以在動態(tài)測量中發(fā)揮作用，滿足計量器具的檢測和校準要求，使其可在計量檢測領域有所貢獻，填補計量領域的非接觸式視覺檢測的空白。

6 視覺檢測系統(tǒng)的設計原理

視覺檢測系統(tǒng)的基礎源于視覺測量技術(shù)。視覺成像系統(tǒng)主要由相機（CCD/CMOS）、鏡頭和光源組成，是視覺檢測的基礎。成像系統(tǒng)的設計目的就是獲取合格的原始圖像，并且一個好的成像系統(tǒng)要保證系統(tǒng)運行期間圖像質(zhì)量的穩(wěn)定，穩(wěn)定的圖像抓取是視覺檢測穩(wěn)定性的基本保證。利用CCD采集變焦鏡下計量器具的影像，再配合比例尺、標志點及自動變焦鏡，運用影像分析原理，通過計算機處理影像信號，對計量器具進行精密的幾何數(shù)據(jù)檢測，并可進行數(shù)值的分析，出具檢測結(jié)果。

7 視覺檢測系統(tǒng)的市場優(yōu)勢

使用高分辨率單反相機通過不同角度拍攝多幅二維照片，基于工業(yè)近景攝影測量原理，重建測量對象的關鍵點（檢測點）三維坐標，可用于對微、中、大型物體的關鍵點三維快速測量。與傳統(tǒng)三坐標測量機相比，沒有機械行程約束，不受被測物體大小、體積和外形的限制，能夠有效減少累計誤差，提高整體三維物體測量精度，解決微、中型設備檢測問題。

8 結(jié)語

視覺檢測系統(tǒng)較大的特色就是非接觸式測量，具備高精度和高速率的特點，非接觸式檢測無磨損，消除接觸檢測中形成的二次損傷隱患。常見的測量應用包含齒輪、接插件、汽車零部件以及機械電氣設備中動態(tài)參數(shù)檢測等。當然這種新興的檢測方式還不成熟也不夠完善，存在很大的改進空間。只有我們計量檢測人員不斷的創(chuàng)新和探索，才能解決廣大企業(yè)檢測的需求和技術(shù)難題。因此，正確認識和利用視覺檢測系統(tǒng)能夠使其在計量檢測領域發(fā)揮重大作用。