機器視覺(Machine Vision)作為光電技術應用的一個特定領域，目前已經(jīng)發(fā)展成為一個前景光明、活力無限的行業(yè)，年平均增長速度超過2O％ 。機器視覺廣泛應用于微電子、電子產(chǎn)品、汽車、醫(yī)療、印刷、包裝、科研、軍事等眾多行業(yè)。涉及技術一致，應用差異明顯，是各種機器視覺應用系統(tǒng)的共同特點。

機器視覺系統(tǒng)集成時，涉及到多門技術，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、計算機軟件硬件等，稍微復雜一點的系統(tǒng)還會用到機械設計、傳感器、電子線路、PLC、運動控制、數(shù)據(jù)庫、SPC等等。要把這么多不同方面的技術和知識組合到系統(tǒng)里，使其相互完美配合并穩(wěn)定地工作，對系統(tǒng)集成人員提出了很高的要求。作者根據(jù)多年的經(jīng)驗，講解了機器視覺系統(tǒng)集成時所涉及的各種技術、需要綜合考慮的因素以及評估機器視覺系統(tǒng)項目成功的可能性的方法。

中國經(jīng)濟經(jīng)過數(shù)十年的高速發(fā)展，在很多領域完成了從無到有、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)品質量、殘酷競爭的階段，很多原來使用的人工工序正逐漸被機器所取代，從而對機器視覺系統(tǒng)產(chǎn)生了越來越多的需求。而機器視覺技術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)活動中，人的眼睛擔負著很多重要的任務，例如放置和固定工件、觀察和估計位置、檢測外觀尺寸、確定產(chǎn)品的一致性、檢驗產(chǎn)品質量等。這些工作正在越來越多地被機器視覺系統(tǒng)取代，一方面是隨著對生產(chǎn)速度和產(chǎn)品質量的要求越來越高，對檢測速度和精度的要求超過了肉眼的能力；另一方面是因為成像技術、計算機技術或圖像處理技術的發(fā)展，機器視覺系統(tǒng)能夠完成的任務越來越復雜，成本也越來越低。然而，機器視覺技術作為一門新興技術，引人中國時間并不長，真正有經(jīng)驗的系統(tǒng)集成人員也不多，而機器視覺系統(tǒng)涉及到照明、成像、電子、自動控制、計算機軟件硬件、機械設計、傳感器、光學等各方面，把這些不同的技術集成到1個系統(tǒng)內(nèi)，并使其相互完美配合工作，本身就是艱巨的任務。本文試圖根據(jù)作者多年的經(jīng)驗，就機器視覺系統(tǒng)集成技術給出一些建議，期望能夠幫助使用機器視覺系統(tǒng)的用戶評估其系統(tǒng)并在做出合理決策時提供參考，給研制系統(tǒng)的技術人員和公司提供一些成功的經(jīng)驗。本文將介紹需求分析、資源配置、系統(tǒng)集成等幾個方面的內(nèi)容。

A、?需求分析

準確地描述機器視覺系統(tǒng)需要完成的功能和工作環(huán)境，對于整個機器視覺系統(tǒng)的成功集成是至關重要的。對于需求的描述，實際定義了視覺系統(tǒng)工作的場景，而圍繞這個場景設計1個系統(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。這個步驟看起來如此簡單，以至于經(jīng)常被忽略。有時候用戶在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了某種需求，但是由于知識面和技術方面的原因，用戶不知道自己需要什么樣的視覺系統(tǒng)，或者不能準確描述自己的需求，而這時系統(tǒng)集成商自己經(jīng)驗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)的功能細節(jié)，這個系統(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現(xiàn)此目標。

B、資源配置

機器視覺系統(tǒng)集成時，涉及到多門技術，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、計算機軟件硬件等，稍微復雜一點的系統(tǒng)還會用到機械設計、傳感器、電子線路、PLC、運動控制、數(shù)據(jù)庫、SPC等等。顯而易見，要把這么多不同方面的技術和知識組合到1個系統(tǒng)里，使其相互完美配合并穩(wěn)定地工作，對系統(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策。

B.1機械設計

由于需求不同，對機械部分的要求差別很大，如果是全自動的機器視覺系統(tǒng)，機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，而有的機器視覺系統(tǒng)則只需要適當?shù)墓潭ㄖЪ軄砉潭ㄏ鄼C、鏡頭和計算機即可，差別很大。例如，制藥生產(chǎn)線上使用的西林瓶燈檢機，需要完成理瓶、輸送、旋轉、剎車急停、相機同步、快速歸位、下料、分流剔除等多個動作，而且需要提供多達15個檢測工位，以完成液體內(nèi)部懸浮物、玻璃碎屑、瓶身破損、細菌群落、瓶口封裝、瓶底等多項指標的檢測，各種機械零件多達上千個，系統(tǒng)非常之復雜；而停車場使用的車牌識別系統(tǒng)的機械部分則非常簡單，只需要相機固定和保護等安裝配件即可。一般系統(tǒng)集成商不愿意介入特別復雜的機械設計，一方面是因為在用戶的觀念中，機械設計沒有太多的技術含量；另一方面是機械加工周期較長，1個小小的設計錯誤也會導致返工，時間拖得較長。所以，雖然在很多情形下，機械設計在機器視覺系統(tǒng)中占了很大的比重，而且是關鍵部分，但投入相對較少，導致整個系統(tǒng)開發(fā)過程不順利。有時候，和制造機械設備的公司合作是最好的選擇。需要指出的是，對于需要復雜機械系統(tǒng)的全自動系統(tǒng)，由于大多數(shù)系統(tǒng)只能針對特定的產(chǎn)品工作，所以，除非生產(chǎn)量達到一定數(shù)量，或者該產(chǎn)品會生產(chǎn)很長時間，一般情況下，半自動系統(tǒng)就足夠了。自動系統(tǒng)開發(fā)周期長，成本高，生產(chǎn)過程中換型困難，而半自動系統(tǒng)只需要更換1個夾具，重新設置檢測指標和合格判據(jù)就可以了。

B.2照明光源

這個看似簡單的照明系統(tǒng)是機器視覺系統(tǒng)最為關鍵的部分，直接關系到系統(tǒng)的成敗，其重要性無論如何強調都是不過分的。好的設計能夠使我們得到1幅好的圖像，從而改善整個系統(tǒng)的分辨率，簡化軟件的運算，而不合適的照明，則會引起很多問題。例如花點和過度曝光會隱藏很多重要的信息；陰影則會引起邊緣的誤檢；而信噪比的降低以及不均勻的照明會導致圖像處理閾值選擇的困難。在實際應用中，得到場景的圖像很容易，但是得到1幅適合機器視覺算法要求的圖像則很難，因為被測目標多種多樣，形狀大小不同，檢測指標各異，而且各種材料的反光特性及顏色也不一樣，要把所需要檢測的特征突顯出來，而對不需要的特征加以抑制，并不是簡單的任務。這主要通過設計或選擇合適的照明光源來解決。針對特定的物體和場景，設計／選取成本低廉、安裝簡單、照明效果好的照明系統(tǒng)，就是我們搭建機器視覺系統(tǒng)首先需要完成的任務。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、對比度合適灰度級的最大值接近255，而最小值接近0；

3、焦距準確 圖像沒有因為景深或運動而不清晰；

4、照明均勻，避免反光；

5、圖像畸變??；

6、感興趣的特征容易被檢測識別，其他特征不顯示或得到抑制。如果選擇的光源，能使圖像達到這些基本的要求，就完成了機器視覺系統(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。

由于相機鏡頭和板卡經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)相當成熟，而且在國內(nèi)市場上，選擇的余地也不大，一般是本著經(jīng)濟的原則，夠用就好。

選擇相機時，我的建議是，如果可能，就用USB接口或1394接口的相機，這樣可以省掉1個板卡的費用，以后硬件或軟件升級時工作量會小一些。對于高端的應用，除了CameraLink，似乎別無選擇。最新開發(fā)的GigE接口相機，由于TCP／IP協(xié)議Packet傳輸?shù)奶匦?，在某些場合是不能保證數(shù)據(jù)的實時性的，但其最大的優(yōu)點是，數(shù)據(jù)線距離可以很長，主機可以安裝在辦公室內(nèi)，這樣現(xiàn)場就只需要適當?shù)匕惭b和保護相機和鏡頭。鏡頭的可選擇性更少，除了Computar，Nikon，Tamron，Navitar及Moritex幾個制造商外，市場上也沒有多少選擇空間，當然大多數(shù)情況下，也就夠用了。如果需要更好的成像效果，可以采用單反相機鏡頭，這樣做一般需要轉接口。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，可惜價格太貴，不太適合中國市場。

B.4計算機系統(tǒng)

機器視覺系統(tǒng)的最佳配置，是使用工控機還是使用嵌入式系統(tǒng)?在這個問題上，見仁見智，各有優(yōu)缺點，主要還是看使用的場合和系統(tǒng)的需求。2種系統(tǒng)的主要特點見下表：

通過這些對比可以看出，如果安裝空間允許，選擇基于工控機的視覺系統(tǒng)還是有更多的優(yōu)點的。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，例~HKeyence，0mron，Siemens，Cognex等。這更多的是由于商業(yè)銷售的考慮，因為這樣做可以保證自己產(chǎn)品的獨特性，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，從而保證售后服務的利潤。

B.5圖像處理

圖像處理作為機器視覺系統(tǒng)必不可少的部分，顯得如此重要，以至于很多情況下，初學乍到的人會以為圖像處理就是機器視覺。其實，我們所說的圖像處理實際包含了圖像增強和圖像分析2個部分。圖像增強是指經(jīng)過某種處理，使圖像改變，實現(xiàn)對比度提高、清晰度增加、特征突出等目的；而圖像分析是指經(jīng)過某種運算，來提取某種有用的信息，如有無、好壞、位置等，以便用來進行判斷或控制。例如，如何使模糊的圖像恢復到清晰，是典型的圖

像增強處理，只要得到清晰的圖像就達到了目的；在繁忙的機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，圖像增強算法已經(jīng)基本成熟，例如提高對比度的灰度拉伸、假彩色、邊緣提取、濾波、傅立葉變換、小波變換等。在機器視覺系統(tǒng)集成時，這些一般都是在圖像分析前作為圖像預處理進行的，而圖像分析算法才是機器視覺真正需要解決的問題。

通過針對某個真實場景的圖像，設計1種算法，來得到有用的信息，完全依賴于技術人員的經(jīng)驗和能力。在這個過程中，公司投入了大量時間和金錢來進行研究，而得到的算法往往具有經(jīng)濟價值，公司或個人都會嚴格保密。例如，如果機場候機廳里只有1個乘客，那么設計個算法來找到這個乘客的位置，是相對容易的，很多公司或個人都可以實現(xiàn)，而且使用的方法或者計算時間也差不多，而要在成千上萬的游客中，找到具有某個特定特征的乘客，就不是那么容易了，各人設計出的算法肯定千差萬別，誰能夠在最短時間內(nèi)最可靠地找到目標，就是最有價值的。這種情況下，除了經(jīng)驗之外，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，需要很多的實踐經(jīng)驗，而這些算法大多不是能夠從書本或文章里學到的。

B.6 自動控制

作為1個子系統(tǒng)完美配合工作中的機器視覺系統(tǒng)，自然會用到光電傳感器、數(shù)字IO接口、PLC、運動控制等工業(yè)控制元器件，這些方面的知識也是必不可少的。雖然如此，這些都是成熟的技術，有基本的知識直接拿來使用就可以了，不需要我們重新設計，而且零件供應商也會提供一定的技術支持。一般在整個系統(tǒng)的開發(fā)過程中，這方面花費的時間和精力是最少的。

C、系統(tǒng)集成

明確了我們的需求，估計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，就到了把這些知識綜合考慮組成1個整機系統(tǒng)的時候了。把這些不同領域里得到的零部件組合在一起，希冀打開電源時就能夠完美的工作，是不太現(xiàn)實的。這個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，應當盡可能使用現(xiàn)成的備件，如鏡頭、相機、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，自己設計制造很容易買到的零件，結果浪費了很多時間，走了很多彎路。例如，有1個公司咨詢?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)驗的項目負責人來完成這項工作。

3、充分考慮現(xiàn)場條件：在實驗室里開發(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、電磁干擾和振動幾個方面的原因造成的。機器視覺系統(tǒng)畢竟使用了光學系統(tǒng)，安裝現(xiàn)場的照明情況或自然光的影響，有時會導致我們設計的算法根本無法工作，從而致使系統(tǒng)失??；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入計算機系統(tǒng)，從而導致系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。如果系統(tǒng)時而工作正常，時而死機，一般都是這個原因造成的。另外，工業(yè)現(xiàn)場各種機器同時工作，有時振動會導致問題。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，因為振動導致的圖像移位，使得圖像已經(jīng)對不準了。這種情況下，尺寸測量也會產(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，往往會遇到意想不到的問題。例如，有時候1根電線接觸不良就會導致整個系統(tǒng)不工作，而查找這個問題并不是1件容易的事；有時軟件有小小的問題，改成正確的代碼只需要幾分鐘，但是也許2個星期也找不到問題所在。所以，整個系統(tǒng)集成時，碰到的問題和解決問題需要的時間往往比預計的要多。越是復雜龐大的系統(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際的工作計劃。

編輯：黃飛

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