浅谈机器视觉系统装备及其应用

花 磊

（凯迩必机械工业（镇江）有限公司，江苏 镇江 212000）

1 视觉系统装备及运行

视觉系统按照其运行环境的不同，可分为PC-BASED系统和PLC-BASED系统。PC-BASED系统是一种基于个人计算机的视觉系统，由光源、相机、图像采集卡、图像处理软件以及一台电脑构成。软件一般完全或部分由用户直接开发，用户可针对特定应用开发适合自己的专用算法，PLC-BASED系统，也称视觉传感器，它是一种基于PLC的视觉系统。由光源、相机、图像处理单元、监视器构成，图像处理单元独立出来，一般通过串/并行接口与PLC交换数据，用户通过类似游戏手柄的装置，对显示在监视器中的菜单进行配置，此时，视觉系统的作用更像一个智能化的传感器。本文主要介绍的是PLC-BASED系统。即视觉传感器，欧姆龙视觉传感器系统一般由控制器，即图像处理单元、监视器、手持控制器、相机、镜头及光源组成。相机对检测物体进行拍摄后，将其转换成图像信号，并传送到专用的图像处理单元，图像处理单元负责将图像的像素分布亮度和颜色等信息，转变成数字化信号，并对这些信号进行各种运算来抽取目标对象的特征，如：面积、长度、数量、位置等信息。根据用户预设的判断条件输出结果，如：产品的尺寸、角度、颜色等是否合格；产品的数量等。上位机，如电脑或PLC实时获得检测结果后，指挥系统执行相应的控制动作，如定位、分选等。手持式控制器用于对参数等进行设置，监视器用于显示拍摄的图片、检测结果以及手持控制器所进行的设置等。

2 视觉系统装备的组成及发展

视觉传感器功能性的发展过程。首先就是选择控制器，较早出现的简易视觉传感器，主要提供灰度搜索及缺陷的检测方法；后来出现了智能型的视觉传感器，具有自动色彩过滤功能，提供位置、宽度、亮度、计数等7种检测项目，由传感器和放大器两部分组成。传感器部分由相机、镜头、光源组成；放大器上带有监视屏合按钮，可直接进行检测设定。大尺寸的LCD监视屏可实现双界面对照显示，除可外接控制器外，还可利用手写笔直接在液晶面板上描画、选择对象的检测部位，通过配备可高速处理大量数据运算的引擎，提高了处理速度；之后出现的视觉传感器，检测模式多达16种，如灰度搜索、缺陷、重心和面积及边缘检出等，另外还包含支持DeviceNet和Profibus的型号，处理速度更快，增加了OCR字符检测和灵活搜索的检测功能，可同时连接两个相机，此外，可以使用类似于BASIC语言的宏功能对特殊功能进行定制。除此之外新出现的真彩视觉传感器，具有仿真测试功能，有BOX型——LCD显示屏和控制器分离式和一体式两种型号可供选择。此外它还自带USB接口、以太网口，新增了用于高精度定位检查的边缘码（EC）技术，新增的Fine Matching算法用于探测微小缺陷。Quest OCR/V算法来实现高级字符探测，可以连接四个相机，具有以太网接口，还可以选择高速模式和随机触发模式。百万像素视觉系统，数字界面的相机带来更高的分辨率，并具备部分扫描功能，能实现高精度定位，最高可支持500万像素的相机，具备梯形补正。HDR等多种领先技术。另外支持中文、英文、日文等多种语言的系统菜单，适用性更广泛，近期新推出的新系列产品中，具有双核控制器，在检测的同时即可保存数据，检测速度得到了进一步的提升。

在根据实际检测需要选择了适合的控制器后，还要选择与控制器匹配的相机，相机根据是否自带光源，分为普通相机和智能相机，选择时除了像素、色彩的区别外，在图像采集的速度上也有所不同，从低到高可分为：标准相机、倍速相机、多倍速相机。

镜头的选择，镜头分为定焦镜头和变焦镜头。只要满足C型卡口规格的皆可使用，当使用定焦镜头时，视野范围固定，以F160视觉传感器为例，如果客户选择F160-SLC50的智能相机，那么，视野为50 mm，安装距离为16.5～26.5 mm；当用变焦镜头时，视野可在一定范围内调整，根据光学成像原理，有如下两个公式：

上图为相机拍摄的成像原理图，其中：L为视野，A、B分别为物距和像距，F是镜头焦距，S为CCD芯片尺寸，由以上两个公式推导可得出如下公式：

由于CCD芯片尺寸由镜头硬件所决定，因此根据公式可知，视野范围确定，焦距越大，物距越大；相同的物距，镜头焦距越大，视野越小。用视觉系统对被测对象进行检测时，相机拍摄的图像的明暗、灰度，会受到光线的影响，因此如果选择了无自带光源的相机，为了得到稳定的图像以确保检测的准确性，需要根据不同的应用及被测物选择合适的照明，以下是几种照明方式及其适用的场合，背光照明：使用背光照明方式，可以获得稳定的高对比度图像，这种照明方式特别适用于物体外形轮廓或者液位高度等的检测；低角度照明和斜光照明：适用于表面有光泽的被测对象，可凸显对象的凹面或者凸面；环状照明：适用于无光泽表面的被测对象，可以获得较均匀的照明效果；同轴落射照明：使用这种方法可以从被测物体的不光滑表面上获得带有少量阴影的稳定图像，特别适用于被测物的平面检查、定位和空内部的照明，除了以上设备外，还有一些相关的附件，如监视器，通讯电缆等也是不可少的。

3 主流视觉系统装备的功能特点

目前广泛使用的主流视觉传感器的特点。①更高的分辨率，新型的千万级像素照相机实现了用传统的百万级像素照相机无法处理的高精度外观检查和测量，使不可见的缺陷变为可见；②高动态范围功能——HDR技术，动态范围指成像发光度最大值与最小值的比率，硬件所具有的动态范围越高，用较强的发光对比度进行物体成像时产生的图像越清晰，由于采用了HDR图像生成技术，可以通过自动改变快门速度，在不同的发光度下拍摄两幅或多幅工件图像，并将这些图像快速合成为一幅图像，由于采用了这种技术，视觉传感器达到的动态范围比其他普通照相机的动态范围都高。高动态范围最大限度地减小了光晕等照明影响，从而实现高精度检查，无需通过照明，就可以检测出以往因曝光过度或曝光不足而无法发现的缺陷，甚至是反光表面或阴暗表面上的缺陷也能被检测出来。③梯形失真修正，可以修正倾斜拍摄的失真图像，即使图像是倾斜拍摄的或输出过程不稳定，也能确保高精度检查。④读取条形码、二维码，可以实现读码器的功能，在检测前检测产品的类型，同时收集和汇集检测信息，根据产品类型在不同的检测项目之间切换，可以对用代码读取方法检测的不同类型的产品，自动设置不同的检测项目组。可以读取的条形码有：近年来不断引进的 CS1 Databar、Code128、Code39、JAN 码等，可以读取的二维码包括：Data Matrix，QR码等。除此之外，还具有多画面合成；条纹、光晕过滤器，圆形图像的矩形展开功能等，使其适用于各种应用场合。系统包括：控制器、显示器、相机三部分。控制器有两种，一种是将控制器和显示器集成在一起的液晶显示一体型，屏幕为触摸式，配有触控笔，可以直接在屏幕上进行参数设置，也可以外接USB接口的鼠标；另一种是BOX型，需要另外配置显示器，BOX型只能通过外接鼠标进行参数设置。以上两种类型的控制器还有双通道和四通道型，可同时连接2个或4个相机。相机主要是带照明的智能相机和不带照明的单体相机。

4 视觉系统装备的应用及前景

目前，视觉系统在各行业的检测工序上的应用是非常广泛的，在电子行业中，检测芯片上是否缺少印刷的字样；检测连接器引脚是否弯折或者缺失。在食品包装行业中，各种出厂包装上是否加贴了日期或者食用方法、质量合格检测等的标签。在烟草行业领域中，视觉传感器可以对烟叶样本进行颜色分析，可得到各类样本颜色特征值的分布情况。在农业自动化生产中，自动监测动植物的生长情况，可以有效调节控制动植物的生长环境，以满足动植物的生长需求。瓜果品质的无损检测中，通过图像采集卡，采集瓜果的形态，颜色等特征将采集结果传送给分析处理系统，根据处理结果判断瓜果是否为有损产品。谷物识别与分级应用中，对大米、小麦、玉米以及其他谷物的识别和分级，例如根据应力裂纹、形态、染色后颜色特征等，应用神经网络、高速滤波等技术来进行识别和分类。

相信在未来的各个行业的生产领域，视觉传感系统必将发挥更全面、更便捷的作用，从而提高生产效率，提升产品品质，降低生产成本，创造出更大的财富。