機(jī)器視覺(Machine Vision)作為光電技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)特定領(lǐng)域，目前已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)前景光明、活力無限的行業(yè)，年平均增長速度超過2O％ 。機(jī)器視覺廣泛應(yīng)用于微電子、電子產(chǎn)品、汽車、醫(yī)療、印刷、包裝、科研、軍事等眾多行業(yè)。涉及技術(shù)一致，應(yīng)用差異明顯，是各種機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)的共同特點(diǎn)。
機(jī)器視覺系統(tǒng)集成時(shí)，涉及到多門技術(shù)，最基本的系統(tǒng)也需要照明、成像、圖像數(shù)字化、圖像處理算法、計(jì)算機(jī)軟件硬件等，稍微復(fù)雜一點(diǎn)的系統(tǒng)還會(huì)用到機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器、電子線路、PLC、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)庫、SPC等等。要把這么多不同方面的技術(shù)和知識(shí)組合到系統(tǒng)里，使其相互完美配合并穩(wěn)定地工作，對(duì)系統(tǒng)集成人員提出了很高的要求。作者根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)，講解了機(jī)器視覺系統(tǒng)集成時(shí)所涉及的各種技術(shù)、需要綜合考慮的因素以及評(píng)估機(jī)器視覺系統(tǒng)項(xiàng)目成功的可能性的方法。
中國經(jīng)濟(jì)經(jīng)過數(shù)十年的高速發(fā)展，在很多領(lǐng)域完成了從無到有、從不能到可以的躍變，現(xiàn)在已經(jīng)到了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量、殘酷競爭的階段，很多原來使用的人工工序正逐漸被機(jī)器所取代，從而對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)產(chǎn)生了越來越多的需求。而機(jī)器視覺技術(shù)本來就是為了解決生產(chǎn)中的各種問題發(fā)展起來的。在人類的生產(chǎn)活動(dòng)中，人的眼睛擔(dān)負(fù)著很多重要的任務(wù)，例如放置和固定工件、觀察和估計(jì)位置、檢測(cè)外觀尺寸、確定產(chǎn)品的一致性、檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量等。這些工作正在越來越多地被機(jī)器視覺系統(tǒng)取代，一方面是隨著對(duì)生產(chǎn)速度和產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高，對(duì)檢測(cè)速度和精度的要求超過了肉眼的能力；另一方面是因?yàn)槌上窦夹g(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)或圖像處理技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠完成的任務(wù)越來越復(fù)雜，成本也越來越低。然而，機(jī)器視覺技術(shù)作為一門新興技術(shù)，引人中國時(shí)間并不長，真正有經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)集成人員也不多，而機(jī)器視覺系統(tǒng)涉及到照明、成像、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)軟件硬件、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器、光學(xué)等各方面，把這些不同的技術(shù)集成到1個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，并使其相互完美配合工作，本身就是艱巨的任務(wù)。本文試圖根據(jù)作者多年的經(jīng)驗(yàn)，就機(jī)器視覺系統(tǒng)集成技術(shù)給出一些建議，期望能夠幫助使用機(jī)器視覺系統(tǒng)的用戶評(píng)估其系統(tǒng)并在做出合理決策時(shí)提供參考，給研制系統(tǒng)的技術(shù)人員和公司提供一些成功的經(jīng)驗(yàn)。本文將介紹需求分析、資源配置、系統(tǒng)集成等幾個(gè)方面的內(nèi)容。
A、 需求分析
準(zhǔn)確地描述機(jī)器視覺系統(tǒng)需要完成的功能和工作環(huán)境，對(duì)于整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的成功集成是至關(guān)重要的。對(duì)于需求的描述，實(shí)際定義了視覺系統(tǒng)工作的場景，而圍繞這個(gè)場景設(shè)計(jì)1個(gè)系統(tǒng)來獲取合適的圖像，并提取有用的信息或控制生產(chǎn)過程就是我們工作的目標(biāo)。這個(gè)步驟看起來如此簡單，以至于經(jīng)常被忽略。有時(shí)候用戶在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了某種需求，但是由于知識(shí)面和技術(shù)方面的原因，用戶不知道自己需要什么樣的視覺系統(tǒng)，或者不能準(zhǔn)確描述自己的需求，而這時(shí)系統(tǒng)集成商自己經(jīng)驗(yàn)不足或沒有給以足夠的重視，就不能幫助用戶來明確系統(tǒng)的功能細(xì)節(jié)，這個(gè)系統(tǒng)集成開發(fā)過程注定要走彎路，甚至最終失敗。
所以，系統(tǒng)集成的第1步就是明確用戶需求!一般情況下可以使用下面的表格來幫助我們實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。
問題 說明
檢測(cè)什么東西? 檢測(cè)的目標(biāo)物是什么?形狀是什么樣的?
檢測(cè)哪些指標(biāo)? 具體檢測(cè)什么指標(biāo)?有無?狀態(tài)?尺寸?位置?粘連?差異?毛刺?顏色
目標(biāo)多大? 物體具體尺寸是多少?
工作距離? 安裝攝像機(jī)到被測(cè)物體的距離最大允許多遠(yuǎn)?能否自由調(diào)節(jié)?
分辨率多高? 測(cè)量尺寸精度要求是多高?
檢測(cè)速度多快? 全自動(dòng)測(cè)量還是手動(dòng)?每分鐘測(cè)量多少個(gè)?
安裝空間 被測(cè)零件周圍是否有安裝光源的位置?是否有適合安裝攝像頭的位置?怎樣固定比較合適?
顏色? 被測(cè)物體是什么顏色?我們是否需要對(duì)顏色判別?是否可以利用顏色差異幫助我們實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目的?
材質(zhì) 物體是什么材料的，表面光學(xué)性質(zhì)怎樣?
合格判據(jù)? 合格／不合格的定義
工位信號(hào)? 有工位觸發(fā)信號(hào)還是需要自動(dòng)連續(xù)拍攝圖像?
剔除或控制方式 是否需要自動(dòng)剔除次品或控制機(jī)器動(dòng)作?怎樣對(duì)不合格品進(jìn)行剔除?使用什么信號(hào)格式，在什么位置進(jìn)行?
工作環(huán)境 工作環(huán)境的溫度、濕度、粉塵、防水、雜散光線情況
交貨日期 這是不言而喻的
B、資源配置
機(jī)器視覺系統(tǒng)集成時(shí)，涉及到多門技術(shù)，最基本的系統(tǒng)也需要照明、成像、圖像數(shù)字化、圖像處理算法、計(jì)算機(jī)軟件硬件等，稍微復(fù)雜一點(diǎn)的系統(tǒng)還會(huì)用到機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器、電子線路、PLC、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)庫、SPC等等。顯而易見，要把這么多不同方面的技術(shù)和知識(shí)組合到1個(gè)系統(tǒng)里，使其相互完美配合并穩(wěn)定地工作，對(duì)系統(tǒng)集成人員提出了很高的要求，需要根據(jù)具體的需求來確定所需要配置的資源和對(duì)策。
B.1機(jī)械設(shè)計(jì)
由于需求不同，對(duì)機(jī)械部分的要求差別很大，如果是全自動(dòng)的機(jī)器視覺系統(tǒng)，機(jī)械部分一般需要完成的功能有理料、輸送、定位、剔除、下料等功能，而有的機(jī)器視覺系統(tǒng)則只需要適當(dāng)?shù)墓潭ㄖЪ軄砉潭ㄏ鄼C(jī)、鏡頭和計(jì)算機(jī)即可，差別很大。例如，制藥生產(chǎn)線上使用的西林瓶燈檢機(jī)，需要完成理瓶、輸送、旋轉(zhuǎn)、剎車急停、相機(jī)同步、快速歸位、下料、分流剔除等多個(gè)動(dòng)作，而且需要提供多達(dá)15個(gè)檢測(cè)工位，以完成液體內(nèi)部懸浮物、玻璃碎屑、瓶身破損、細(xì)菌群落、瓶口封裝、瓶底等多項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)，各種機(jī)械零件多達(dá)上千個(gè)，系統(tǒng)非常之復(fù)雜；而停車場使用的車牌識(shí)別系統(tǒng)的機(jī)械部分則非常簡單，只需要相機(jī)固定和保護(hù)等安裝配件即可。一般系統(tǒng)集成商不愿意介入特別復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)，一方面是因?yàn)樵谟脩舻挠^念中，機(jī)械設(shè)計(jì)沒有太多的技術(shù)含量；另一方面是機(jī)械加工周期較長，1個(gè)小小的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤也會(huì)導(dǎo)致返工，時(shí)間拖得較長。所以，雖然在很多情形下，機(jī)械設(shè)計(jì)在機(jī)器視覺系統(tǒng)中占了很大的比重，而且是關(guān)鍵部分，但投入相對(duì)較少，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)過程不順利。有時(shí)候，和制造機(jī)械設(shè)備的公司合作是最好的選擇。需要指出的是，對(duì)于需要復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的全自動(dòng)系統(tǒng)，由于大多數(shù)系統(tǒng)只能針對(duì)特定的產(chǎn)品工作，所以，除非生產(chǎn)量達(dá)到一定數(shù)量，或者該產(chǎn)品會(huì)生產(chǎn)很長時(shí)間，一般情況下，半自動(dòng)系統(tǒng)就足夠了。自動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)周期長，成本高，生產(chǎn)過程中換型困難，而半自動(dòng)系統(tǒng)只需要更換1個(gè)夾具，重新設(shè)置檢測(cè)指標(biāo)和合格判據(jù)就可以了。
B.2照明光源
這個(gè)看似簡單的照明系統(tǒng)是機(jī)器視覺系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分，直接關(guān)系到系統(tǒng)的成敗，其重要性無論如何強(qiáng)調(diào)都是不過分的。好的設(shè)計(jì)能夠使我們得到1幅好的圖像，從而改善整個(gè)系統(tǒng)的分辨率，簡化軟件的運(yùn)算，而不合適的照明，則會(huì)引起很多問題。例如花點(diǎn)和過度曝光會(huì)隱藏很多重要的信息；陰影則會(huì)引起邊緣的誤檢；而信噪比的降低以及不均勻的照明會(huì)導(dǎo)致圖像處理閾值選擇的困難。在實(shí)際應(yīng)用中，得到場景的圖像很容易，但是得到1幅適合機(jī)器視覺算法要求的圖像則很難，因?yàn)楸粶y(cè)目標(biāo)多種多樣，形狀大小不同，檢測(cè)指標(biāo)各異，而且各種材料的反光特性及顏色也不一樣，要把所需要檢測(cè)的特征突顯出來，而對(duì)不需要的特征加以抑制，并不是簡單的任務(wù)。這主要通過設(shè)計(jì)或選擇合適的照明光源來解決。針對(duì)特定的物體和場景，設(shè)計(jì)／選取成本低廉、安裝簡單、照明效果好的照明系統(tǒng)，就是我們搭建機(jī)器視覺系統(tǒng)首先需要完成的任務(wù)。那么什么樣的圖像才是好的圖像呢?一般說來，1幅好的圖像需要滿足以下條件：
1、充分利用視場使被檢測(cè)物體特征充滿視場，從而可以最大限度地利用系統(tǒng)的分辨率；
2、對(duì)比度合適灰度級(jí)的最大值接近255，而最小值接近0；
3、焦距準(zhǔn)確 圖像沒有因?yàn)榫吧罨蜻\(yùn)動(dòng)而不清晰；
4、照明均勻，避免反光；
5、圖像畸變小；
6、感興趣的特征容易被檢測(cè)識(shí)別，其他特征不顯示或得到抑制。如果選擇的光源，能使圖像達(dá)到這些基本的要求，就完成了機(jī)器視覺系統(tǒng)集成的第1步。
B.3成像系統(tǒng)
從系統(tǒng)集成的角度，簡單列舉選擇這些硬件的原則。
由于相機(jī)鏡頭和板卡經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)相當(dāng)成熟，而且在國內(nèi)市場上，選擇的余地也不大，一般是本著經(jīng)濟(jì)的原則，夠用就好。
選擇相機(jī)時(shí)，我的建議是，如果可能，就用USB接口或1394接口的相機(jī)，這樣可以省掉1個(gè)板卡的費(fèi)用，以后硬件或軟件升級(jí)時(shí)工作量會(huì)小一些。對(duì)于高端的應(yīng)用，除了CameraLink，似乎別無選擇。最新開發(fā)的GigE接口相機(jī)，由于TCP／IP協(xié)議Packet傳輸?shù)奶匦裕谀承﹫龊鲜遣荒鼙ＷC數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性的，但其最大的優(yōu)點(diǎn)是，數(shù)據(jù)線距離可以很長，主機(jī)可以安裝在辦公室內(nèi)，這樣現(xiàn)場就只需要適當(dāng)?shù)匕惭b和保護(hù)相機(jī)和鏡頭。鏡頭的可選擇性更少，除了Computar，Nikon，Tamron，Navitar及Moritex幾個(gè)制造商外，市場上也沒有多少選擇空間，當(dāng)然大多數(shù)情況下，也就夠用了。如果需要更好的成像效果，可以采用單反相機(jī)鏡頭，這樣做一般需要轉(zhuǎn)接口。Fujinon在廈門有生產(chǎn)，可是國內(nèi)市場上未見銷售。德國CarlZeiss鏡頭很好，可惜價(jià)格太貴，不太適合中國市場。
B.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
機(jī)器視覺系統(tǒng)的最佳配置，是使用工控機(jī)還是使用嵌入式系統(tǒng)?在這個(gè)問題上，見仁見智，各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要還是看使用的場合和系統(tǒng)的需求。2種系統(tǒng)的主要特點(diǎn)見下表：
項(xiàng)目 工控機(jī) 嵌入式
圖像處理能力 高 低
擴(kuò)展性 好 差
體積 大 小
現(xiàn)場安裝 難，需要機(jī)柜 容易
價(jià)格 低 高
壟斷程度 低 高度壟斷
穩(wěn)定性 較好 非常好
設(shè)置操作 容易，鍵盤、鼠標(biāo)或者
觸摸屏 較難，一般用JOYstick
運(yùn)行操作 自動(dòng) 自動(dòng)
維修 簡單 原供貨商才能維修
通過這些對(duì)比可以看出，如果安裝空間允許，選擇基于工控機(jī)的視覺系統(tǒng)還是有更多的優(yōu)點(diǎn)的。但是，如果現(xiàn)場必須使用體積很小的嵌入式系統(tǒng)，那么我們別無選擇。各公司的成熟產(chǎn)品一般都采用了嵌入式主機(jī)，例~HKeyence，0mron，Siemens，Cognex等。這更多的是由于商業(yè)銷售的考慮，因?yàn)檫@樣做可以保證自己產(chǎn)品的獨(dú)特性，給差異化銷售找到借口；另一方面可以使用戶自己不能更換零件，從而保證售后服務(wù)的利潤。
B.5圖像處理
圖像處理作為機(jī)器視覺系統(tǒng)必不可少的部分，顯得如此重要，以至于很多情況下，初學(xué)乍到的人會(huì)以為圖像處理就是機(jī)器視覺。其實(shí)，我們所說的圖像處理實(shí)際包含了圖像增強(qiáng)和圖像分析2個(gè)部分。圖像增強(qiáng)是指經(jīng)過某種處理，使圖像改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)比度提高、清晰度增加、特征突出等目的；而圖像分析是指經(jīng)過某種運(yùn)算，來提取某種有用的信息，如有無、好壞、位置等，以便用來進(jìn)行判斷或控制。例如，如何使模糊的圖像恢復(fù)到清晰，是典型的圖像增強(qiáng)處理，只要得到清晰的圖像就達(dá)到了目的；在繁忙的機(jī)場抓拍過往旅客的面孔，找到可疑恐怖分子，則是典型的圖像分析過程。
經(jīng)過多年的發(fā)展，圖像增強(qiáng)算法已經(jīng)基本成熟，例如提高對(duì)比度的灰度拉伸、假彩色、邊緣提取、濾波、傅立葉變換、小波變換等。在機(jī)器視覺系統(tǒng)集成時(shí)，這些一般都是在圖像分析前作為圖像預(yù)處理進(jìn)行的，而圖像分析算法才是機(jī)器視覺真正需要解決的問題。
通過針對(duì)某個(gè)真實(shí)場景的圖像，設(shè)計(jì)1種算法，來得到有用的信息，完全依賴于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)和能力。在這個(gè)過程中，公司投入了大量時(shí)間和金錢來進(jìn)行研究，而得到的算法往往具有經(jīng)濟(jì)價(jià)值，公司或個(gè)人都會(huì)嚴(yán)格保密。例如，如果機(jī)場候機(jī)廳里只有1個(gè)乘客，那么設(shè)計(jì)個(gè)算法來找到這個(gè)乘客的位置，是相對(duì)容易的，很多公司或個(gè)人都可以實(shí)現(xiàn)，而且使用的方法或者計(jì)算時(shí)間也差不多，而要在成千上萬的游客中，找到具有某個(gè)特定特征的乘客，就不是那么容易了，各人設(shè)計(jì)出的算法肯定千差萬別，誰能夠在最短時(shí)間內(nèi)最可靠地找到目標(biāo)，就是最有價(jià)值的。這種情況下，除了經(jīng)驗(yàn)之外，靈感和創(chuàng)造能力也很重要。也就是說，作為系統(tǒng)集成所需要的圖像處理算法，需要很多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而這些算法大多不是能夠從書本或文章里學(xué)到的。
B.6 自動(dòng)控制
作為1個(gè)子系統(tǒng)完美配合工作中的機(jī)器視覺系統(tǒng)，自然會(huì)用到
光電傳感器、數(shù)字IO接口、PLC、運(yùn)動(dòng)控制等工業(yè)控制元器件，這些方面的知識(shí)也是必不可少的。雖然如此，這些都是成熟的技術(shù)，有基本的知識(shí)直接拿來使用就可以了，不需要我們重新設(shè)計(jì)，而且零件供應(yīng)商也會(huì)提供一定的技術(shù)支持。一般在整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)過程中，這方面花費(fèi)的時(shí)間和精力是最少的。
C、系統(tǒng)集成
明確了我們的需求，估計(jì)了我們需要配置的資源，理解了各子系統(tǒng)需要完成的工作，就到了把這些知識(shí)綜合考慮組成1個(gè)整機(jī)系統(tǒng)的時(shí)候了。把這些不同領(lǐng)域里得到的零部件組合在一起，希冀打開電源時(shí)就能夠完美的工作，是不太現(xiàn)實(shí)的。這個(gè)過程里有很多意想不到的問題需要解決。一般情況下，我們需要遵循一定的原則，才能使出現(xiàn)的問題最少。這里根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)給出一些建議。
1、盡量使用能夠采購的零件(off—the—shelfcomponents)：在可能的情況下，應(yīng)當(dāng)盡可能使用現(xiàn)成的備件，如鏡頭、相機(jī)、板卡等，能夠買到的東西就不要自己做。我已經(jīng)多次看到不同的公司和研究室為了節(jié)省成本，自己設(shè)計(jì)制造很容易買到的零件，結(jié)果浪費(fèi)了很多時(shí)間，走了很多彎路。例如，有1個(gè)公司咨詢?yōu)槭裁闯上裥Ч缓茫胰ガF(xiàn)場一看，他們使用了1個(gè)直徑20毫米的凸透鏡作為鏡頭，為了節(jié)省成本，15元人民幣買來的，可想而知成像效果如何，豈不知連SONY 也不得不向CarlZeiss采購鏡頭！
2、分而治之(divide and conquer)：把系統(tǒng)分割成多個(gè)模塊，把每1部分集成到一起，確保能夠正確地工作，然后再把這些模塊組成1個(gè)大系統(tǒng)。這和軟件開發(fā)常用的方法是一樣的，只有把1個(gè)大的系統(tǒng)分割成小到我們能夠很容易處理的小塊，才能夠有效的完成。這也需要富有經(jīng)驗(yàn)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人來完成這項(xiàng)工作。
3、充分考慮現(xiàn)場條件：在實(shí)驗(yàn)室里開發(fā)的系統(tǒng)，安裝到使用現(xiàn)場后常常碰到問題。這主要是環(huán)境光、電磁干擾和振動(dòng)幾個(gè)方面的原因造成的。機(jī)器視覺系統(tǒng)畢竟使用了光學(xué)系統(tǒng)，安裝現(xiàn)場的照明情況或自然光的影響，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致我們?cè)O(shè)計(jì)的算法根本無法工作，從而致使系統(tǒng)失敗；工廠的供電一般是帶有各種電磁干擾的，很容易從電源線或其他地方進(jìn)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。如果系統(tǒng)時(shí)而工作正常，時(shí)而死機(jī)，一般都是這個(gè)原因造成的。另外，工業(yè)現(xiàn)場各種機(jī)器同時(shí)工作，有時(shí)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致問題。例如，如果算法采用兩幅圖像相減的方法，肯定不能正常工作，因?yàn)檎駝?dòng)導(dǎo)致的圖像移位，使得圖像已經(jīng)對(duì)不準(zhǔn)了。這種情況下，尺寸測(cè)量也會(huì)產(chǎn)生誤差。所以，系統(tǒng)集成的過程中，最好能夠模擬現(xiàn)場情況，否則很難1次成功。
4、把困難乘2：在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，往往會(huì)遇到意想不到的問題。例如，有時(shí)候1根電線接觸不良就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)不工作，而查找這個(gè)問題并不是1件容易的事；有時(shí)軟件有小小的問題，改成正確的代碼只需要幾分鐘，但是也許2個(gè)星期也找不到問題所在。所以，整個(gè)系統(tǒng)集成時(shí)，碰到的問題和解決問題需要的時(shí)間往往比預(yù)計(jì)的要多。越是復(fù)雜龐大的系統(tǒng)，越是如此。一般我們需要把已知需要解決的問題總數(shù)乘以2或3，才能真正地做出切合實(shí)際的工作計(jì)劃。
