1.引言

現代工業自動化生產中涉及到各種各樣的檢驗、生產監視和零件識別應用，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穩定地進行，其它物理量傳感器也難以勝任。人們開始考慮用CCD照相機抓取圖像后送入計算機或專用的圖像處理模塊，通過數字化處理，根據像素分布和亮度、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合，由此產生了機器視覺檢測技術的概念。

視覺檢測技術是建立在計算機視覺研究基礎上的一門新興測試技術。與計算機視覺研究的視覺模式識別、視覺理解等內容不同，視覺檢測技術重點研究的是物體的幾何尺寸及物體的位置測量，如轎車白車身三維尺寸的測量、模具等三維面形的快速測量、大型工件同軸度測量以及共面性測量等，它可以廣泛應用于在線測量、逆向工程等主動、實時測量過程。視覺檢測技術在國外發展很快，早在20世紀80年代，美國國家標準局就曾預計未來90％的檢測任務將由視覺檢測系統來完成。因此僅在80年代，美國就有100多家公司躋身于視覺檢測系統的經營市場，可見視覺檢測系統確實很有發展前途。在近幾屆北京國際機床展覽會上已經見到國外企業展出的應用視覺檢測技術研制的先進儀器，如流動式光學三坐標測量機、高速高精度數字化掃描系統、非接觸式光學三坐標測量機等。

2.機器視覺檢測系統構成、分類及工作原理

2.1 系統構成與工作原理

(1)系統構成

典型的視覺系統一般包括光源、鏡頭、CCD照相機、圖像處理單元(或圖像采集卡)、圖像處理軟件、監視器、通訊／輸入輸出單元等。

(2)工作原理

視覺系統的輸出并非圖像視頻信號，而是經過運算處理之后的檢測結果(如尺寸數據)。通常，機器視覺檢測就是用機器代替肉眼來做測量和判斷。

首先采用CCD照相機將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號。圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如：面積、長度、數量、位置等。最后，根據預設的容許度和其他條件輸出結果，如：尺寸、角度、偏移量、個數、合格/不合格、有/無等。上位機(如PC和PLC)實時獲得檢測結果后，指揮運動系統或I/O系統執行相應的控制動作(如定位和分類)。

2.2 系統分類

從視覺系統的運行環境分類，可分為PC—BASED系統和PLC—BASED系統。基于PC的系統利用了其開放性、高度的編程靈活性和良好的Windows界面，同時系統總體成本較低。PC—Based系統內含高性能圖像采集卡，一般可接多個鏡頭，并提供庫函數支持。目前世界一流的PC—Based視覺系統生產廠商美國Data Translation公司，其MACH 系列(如DT3155)和MV系列PC I工業視覺卡已經成為業界標準；配套軟件方面，32位SDK for Windows95/98/NT提供C/C++編程用DLL，DT Active Open Layer可視化控件提供VB和VC++下的圖形化編程環境，而DT Vision Foundry則是Windows下面向對象的機器視覺組態軟件，用戶可用它快速開發復雜高級的應用。類似的還有美國NI公司，該公司將機器視覺和運動控制功能與其被廣泛應用的Labview虛擬儀器軟件相結合，效果顯著。

與美國公司大力發展PC結構相比，日本和德國公司在PLC—Based系統方面走在前列。在PLC系統中，視覺的作用更像一個智能化的傳感器，圖像處理單元獨立于系統，通過串行總線和I/O與PLC交換數據。日本松下公司的Image Checker M100/M200系統可說是這方面的代表。該系統利用高速專用ASIC進行256級灰度檢測，帶邏輯條件和數學運算功能。系統軟件固化在圖像處理器中，通過類似于游戲鍵盤的簡單裝置對顯示在監視器中的菜單進行配置，開發周期短，系統可*性高，其新一代產品A110/A210體現了集成化、小型化、高速化和低成本的特點。歐姆龍、Keyence等公司也有類似的系統，但在技術性能上相對簡單，更適用于進行有無判別或形狀匹配等。而德國Siemens公司的智能化PROFIBUS工業視覺系統SIMATICVS 710提供了一體化的、分布式的高檔圖像處理方案，它將處理器、CCD、I/O集成在一個機箱內，提供PROFIBUS的聯網方式或集成的I/O和RS232接口，更重要的是通過PCWINDOWS下的Pro Vision軟件進行組態。VS 710第一次將PC的靈活性、PLC的可靠性、分布式網絡技術和一體化設計結合在一起，使得西門子在PC和PLC體系之間找到了完美的平衡。

3.機器視覺檢測系統的典型應用領域及市場現狀

現代視覺理論和技術的發展，不僅在于模擬人眼能完成的功能，更重要的是它能完成人眼所不能勝任的工作。在當今電子、光學和計算機等技術不斷成熟和完善的基礎上，視覺技術這個新興技術門類也得到迅速發展。

機器視覺的特點是自動化、客觀性、非接觸和高精度。與一般意義上的圖像處理系統相比，機器視覺系統強調的是精度、速度以及工業現場環境下的可靠性。機器視覺特別適用于大批量生產過程中的質量檢查，如：零件裝配完整性、裝配尺寸精度、零件加工精度、位置/角度測量、零件識別、特性/字符識別等，主要應用于包括汽車、制藥、電子與電氣、制造、包裝、食品、飲料、醫學等領域，用于對汽車儀表盤加工精度的檢查、高速貼片機上對電子元件的快速定位、對管腳數目的檢查、IC表面印字符的辨識、膠囊生產中對膠囊壁厚和外觀缺陷的檢查、軸承生產中對滾珠數量和破損情況的檢查、食品包裝上對生產日期的辨識、對標簽貼放位置的檢查以及醫療方面對細胞數量和性質的判斷等。由于機器視覺系統可以快速獲取大量信息，易于自動處理，也易于與設計信息以及加工控制信息集成，因此，在現代自動化生產過程中，機器視覺系統廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質量控制等領域。機器視覺系統的特點是提高生產的柔性和自動化程度，在一些不適合人工作業的危險工作環境或人工視覺難以滿足要求的場合，采用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業生產過程中，用人工視覺檢查產品質量不僅效率低而且精度不高，而用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度；此外，機器視覺易于實現信息集成，是實現計算機集成制造的基礎技術。國際上視覺系統的應用方興未艾，僅1998年的市場規模已達46億美元，而在國內，工業視覺系統尚處于概念導人期，各行業的領先企業在解決了生產自動化的問題以后，才開始將目光轉向視覺測量自動化。