深圳創科自動化控制技術有限公司
摘要（Abstract) 本文概述了機器視覺的市場前景，比較了PC式視覺系統與嵌入式視覺系統在檢測速度、測量精度等指標上的優劣，并重點介紹了基于PC的機器視覺系統的設計方法，包括光源、鏡頭、攝像機、圖像采集卡等的選用以及視覺軟件的設計方法。文章還列舉了幾個基于PC的機器視覺的成功應用案例。
Abstract: As world’s manufacturingisshifting to China, “World Factory”, quality production tomeetglobal standards is expected. To assure high quality,automatedinspection with machine vision plays a very importantrole. Thispaper depicts the design methodology of the dominantPC-Basedmachine vision systems in the market. A comparison betweenthe twomajor machine vision systems, namely PC-based and Embeddedmachinevision systems, is made based on criteria, such asprocessingspeed, measurement precision and robustness, etc. Acouple ofsuccessful application case study of PC-based machinevision isalso presented in the paper.
關鍵詞(Keywords) 機器視覺視覺軟件開發包中國機器視覺
machine vision, vision SDK(softwaredevelopment kit)
1 引言
機器視覺是利用光電成像系統采集被控目標的圖像，經計算機或專用的圖像處理模塊進行數字處理，根據圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，進行尺寸、形狀、顏色等的識別。這樣，就把計算機的快速性、可重復性，與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結合，大大提高了生產的柔性和自動化程度。
對于機器視覺的研究應用，日本、德國和美國等發達國家早在上世紀六十年代就開始了。到上世紀九十年代，隨著光電子技術和計算機技術的發展，機器視覺已取得了廣泛的應用，其市場潛力十分巨大。在1984年，西歐的工業視覺系統的銷售總額達到589萬美元，到1989達到近4320萬美元。而在美國，1984年的視覺系統銷售總額達到6000萬美元，到1994元近12億美元。在日本，2000年機器視覺市場為300～400億日元。另據“視覺系統國際公司”的一份市場調研報告顯示：1999－2004 年北美的機器視覺市場規模從16.8億美元增長到19億美元（年增長率為12.4%）。從上述數據可以看出機器視覺技術發展之快，市場之大。國內的機器視覺發展較發達國家晚，目前尚屬概念導入期，但其市場潛力不可忽視。由于中國正成為“世界工廠”，與制造活動密切相關的機器視覺技術正逐步被商家認可和接受。而且在中國，機器視覺行業還是剛剛起步，相對其它行業來說競爭還不是很激烈。所以，誰占了市場先機誰就贏得了主動權。相信再過幾年，中國將會成為全球繼北美、歐洲與日本后的第4大機器視覺市場。
2 兩類視覺系統的比較
從組成結構來分類，典型的機器視覺系統可分為兩大類：PC式或稱板卡式機器視覺系統（PC－BasedVisionSystem），以及嵌入式機器視覺系統，亦稱“智能相機”（Smart Camera）或“視覺傳感器”（Vision Sensor）。PC式視覺系統是一種基于個人計算機（PC）的視覺系統，一般由光源、光學鏡頭、CCD或CMOS相機、圖像采集卡、圖像處理軟件以及一臺PC機構成。基于PC的機器視覺應用系統尺寸較大、結構復雜，開發周期較長，但可達到理想的精度及速度，能實現較為復雜的系統功能。另一類是嵌入式視覺系統，嵌入式視覺系統具有易學、易用、易維護、易安裝等特點，可在短期內構建起可靠而有效的機器視覺系統，從而極大的提高了應用系統的開發速度。表一列出了兩類視覺系統在檢測速度、測量精度等指標上的優劣對比【1】。
表1：嵌入式視覺系統與PC式視覺系統的優劣對比
PC式視覺系統嵌入式視覺系統業界人士指出，目前在中國使用簡便的智能視覺傳感器占了機器視覺系統市場60%左右的市場份額。由PC式視覺系統在整體成本、靈活性、用戶化界面、速度以及精度等方面的優勢，筆者認為接下來的2～5年，在中國市場上PC式視覺系統將與嵌入式視覺系統平分秋色。
3 PC式視覺系統的設計
3.1光源、鏡頭、CCD和圖像采集卡的選用
光源、鏡頭、CCD和圖像采集卡作為視覺系統成像部分[2]，正確的選用是后續處理的必要條件，成像的質量直接影響到視覺軟件處理和分析部分，終影響機器視覺系統工作的準確性。業內有句名言“Garbage in，Garbage out”，即如果輸入的圖像是一幅不理想的圖，則輸出的分析結果也好不到哪里去，因為軟件的處理并不能將一幅低質量的圖像變得更好，所以，成像的質量是視覺系統的首要前提。為了獲取理想的圖像，必須有效地選取成像系統部件，如光源、鏡頭、攝像頭以及圖像采集卡。根據筆者的大量實踐，成像的好壞往往決定了一套視覺應用系統的成敗。有時候就是因為選用了價格過于低廉的產品，忽視了一些關鍵技術指標，使得系統集成走了太多的彎路。視覺系統是一個復雜而又敏感的系統，應用機器視覺技術解決實際問題時，應盡量使系統的輸入部分受外界的影響以及硬件調節的限制減至小，這就得選擇專業適用的成像設備，以獲得質量較佳的圖像。
3.2應用軟件的設計
作為PC式機器視覺系統的重要組成部分，視覺軟件主要通過對圖像的分析、處理和識別，實現對特定目標特征的處理。專業的視覺軟件能實現圖像中目標的高精度定位，從而提高了系統的精度。由于開發一款功能強大的視覺底層軟件，需要有專業的開發人員，而且還需要有足夠長的開發周期。所以，作為一個系統集成商來說，開發視覺項目，從商業的角度來看，筆者認為其工作重心應放在應用層面的開發上，不應混淆底層開發和應用層開發的區別。也就是說，根據項目的要求，合理選擇一款合適的商用視覺軟件包，在短的時間內，完成所承接的項目，創造快的效益。雖然從表面上看，自行開發底層視覺軟件能節約成本，但由于開發視覺底層軟件需要周期長，而且自行開發的軟件在性能上，難于達到由專業人員所開發的效果，以至于開發出來的視覺系統不能滿足預期的技術指標，終難以使視覺產品走上商品化。所以，從綜合成本考慮，建議系統集成商在從事視覺項目時，選擇一款專業的視覺軟件。
市面上合用的商業視覺軟件包也有許多，性能、價格等相差較大。選擇一款適合項目需要的機器視覺二次開發包時，應從視覺軟件能達到的精度、速度、魯棒性、硬件的要求（是否與圖像采集卡相配）、編程的難易程度和價格等方面來綜合考慮。
通常開發一套PC-Based視覺應用軟件系統可分為以下幾個步驟：
* 首先在PC機上安裝Windows XP（推薦），VB或VC++,一個圖像采集卡和一套視覺軟件（SDK或稱二次開發包）；
* 然后運行視覺軟件包中的自動標定工具對像機進行標定；
* 標定完成以后，調用軟件包中的自動試教模板編輯器生成對象模板，再對目標進行定位，實現視覺定位功能；
* 如果項目需要測量或檢測時，可以加上基于模板的測量或檢測工具；
* 在軟件與外部設備的通訊方面，視覺軟件包一般都提供了豐富的接口資源，只要寫幾行VB/VC++代碼，就能將控制與視覺軟件包連接上，這樣就打通了與外部設備（如I/O卡等）的通訊功能。
4 采用PC式視覺系統的成熟案例分析
近幾十年來，由于視覺系統的非接觸、速度快、精度合適等突出的優點，機器視覺技術得到了廣泛的應用，取得了巨大的經濟與社會效益。現結合筆者的實踐，介紹三個典型的PC式視覺系統的案例。
4.1 客戶定制的非接觸式、高精度視覺測量系統
該項目是利用機器視覺技術，對某OEM客戶生產的硬盤驅動架上前端的小孔進行高精度尺寸測量[3]。傳統的測量手段，如卡尺、量規和萬能工具顯微鏡等傳統的工具采用的是接觸性方式，往往對工件表面造成損壞，所以開發一款非接觸式的視覺系統以解決高精度測量問題非常必要。在這個項目中，我們要測量的對象為硬盤驅動架前端的小孔。該驅動架為三指片，所以要對上下兩個Φ0.1084±0.0001in的小孔進行測量。其技術要求要達到重復精度為1～2微米，重復性指標GRnR應不大于10％，與CMM（三坐標測量機）的相關性要達到80%。
為了能提高測量的效率，采用了雙通道雙攝像頭實現了異步測量硬盤驅動架上下兩尾孔。該項目的臺架和氣動夾具設計是經過了大量的實驗而終確定的。我們所采用的開發包是國產創科CKVision視覺開發包，其精度能達到1/40亞象素的位置重復精度和0.01度旋轉重復精度。在該項目中，首先是選一個標準的圖作為模板，模板選取以后，采用CKVision卡尺工具，在模板上逐個做八個卡尺，為每個卡尺輸入小孔的直徑數據。然后用已做好的標準模板，在要測的對象中進行定位和測量，實現典型的視覺測量。其結果與CMM做了相關性測試，重復性GRnR<8%，相關性達到90%以上，結果完全達到了客戶的要求。該視覺系統成功地實現了對小孔高精度、非接觸式的測量目的。且該系統原理簡單，操作方便，用戶界面友好，普通技術人員很快就能掌握并操作。
圖1：非接觸式、高精度視覺測量系統（深圳市創科自動化控制技術有限公司）
4.2 帶視覺功能的COG（Chip On Glass）預壓對位機
隨著電子制造業的飛速發展，傳統的電子封裝設備已不能滿足現有的要求。由于傳統的技術采用的是機械式定位，其定位速度慢、精度不高等缺點，嚴重影響電子行業的發展。現采用視覺定位系統，使得這些設備更靈活、更自主地適應所處的環境，以滿足柔性生產，提高了生產效率。圖2為一臺帶視覺功能的COG裝置，本裝置能實現將IC對位預壓在LCD或FPC（軟性線路板）上，該系統的視覺部分采用了CKVision的幾何特征定位器（FindModel），定位精度到0.05mm，定位速度在30ms以內，該定位器在光線變化、圖像覆蓋、背景凌亂、對比度突變等條件下均能獲得十分穩定的效果，且對于對象相對于模板的縮放比例（Scale）和旋轉（Rotation）均能準確快速地識別。
圖2COGIC對位裝置（深圳市創科自動化控制技術有限公司友情提供）
4.3 全自動視覺定位商標切割機
隨著紡織刺繡、商標業不斷的發展，其技術要求越來越高，傳統的定位方式已難以勝任切割精度高、速度快的要求。為了解決紡織刺繡、商標等商品切割的實際問題，在原有切割機的基礎上，安裝一套視覺系統，并結合目前**的DSP 技術，完成全自動視覺定位切割功能。圖3為一款全自動視覺定位商標切割機，其切割速度能達到40，000mm/min,定位精度能達到<0.01mm。該機也是采用了PC式的視覺系統，與運動控制有機集成在一起。在該系統內，視覺軟件包的運算速度以及坐標定位的亞象素（sub-pixel）技術是該機達到上述性能指標的重要保證，同時CKVision還能輸出匹配實例相對于標準模板的縮放比例（Scale），這點對于布匹切割的實時補償尤為關鍵。
圖3SM-963型全自動攝像定位商標切割機(深圳創科自動化控制技術有限公司友情提供)
5 總結
上面幾個視覺系統已經在工廠內投入運行，至今一直運行良好，穩定。從上述對幾個案例分析來看，我們不難發現，作為一個系統集成商，開發一款PC式的視覺系統，佳捷徑首先還是選擇一款專業的視覺軟件包，這樣可以提高產品的整體性能和縮短項目開發周期。