一. 机 器 视 觉 的 系 统 构 成 及 分 类

机 器 视 觉 检 测 系 统 便 件 设 备

机 器 视 觉 即 用 机 器 代 替 人 眼 测 量 和 判 断 。 机 器 视 觉 系 统 指 通 过 机 器 视 觉 产 品， 即 图 像 摄 取 装 置CMOS 或CCD， 将 被 摄 取 目 标 转 换 成 图 像 信 号， 传 送 给 专 用 图 像 处 理 系 统， 根 据 像 素 分 布 和 亮 度 、 颜 色 等 信 息， 转 变 成 数 字 化 讯 号 ： 图 像 系 统 对 信 号 进 行 各 种 运 算， 抽 取 目 标 的 特 征， 根 据 判 别 的 结 果 控 制 现 场 的 设 备 动 作 。 机 器 视 觉 系 统 的 特 点 是 提 高 生 产 的 柔 性 和 自 动 化 程 度 。 在 一 些 不 适 合 人 工 作 业 的 危 险 工 作 环 境 或 人 工 视 觉 难 以 满 足 要 求 的 场 合， 常 用 机 器 视 觉 来 替 代 人 工 视 觉 。 同 时 在 大 批 量 工 业 生 产 过 程 中， 用 人 工 视 觉 检 查 产 品 质 量 效 率 低 且 精 度 不 高， 用 机 器 视 觉 检 测 方 法 可 大 大 提 高 生 产 效 率 。 且 机 器 视 觉 易 于 实 现 信 息 集 成， 是 实 现 电 脑 集 成 制 造 的 基 础 技 术 。

一 个 典 型 的 工 业 机 器 视 觉 应 用 系 统 包 括 ： 光 源 、 镜 头 、CCD 照 相 机 、 图 像 处 理 单 元( 或 图 像 采 集 卡) 、 图 像 处 理 软 件 、 监 视 器 、 通 讯 / 输 入 输 出 单 元 等 。 先 用 摄 像 机 获 得 被 测 目 标 的 图 像 讯 号， 然 后 通 过A /D 转 换 变 成 数 字 讯 号 传 送 给 专 用 的 图 像 处 理 系 统 。 根 据 像 素 分 布 、 亮 度 和 颜 色 等 讯 息， 进 行 各 种 运 算 抽 取 目 标 的 特 征， 后 再 根 据 预 设 的 判 别 准 则 输 出 判 断 结 果， 控 制 驱 动 执 行 机 构 进 行 相 应 处 理 。 机 器 视 觉 是 项 综 合 技 术， 其 中 包 括 数 字 图 像 处 理 技 术 、 机 械 工 程 技 术 、 光 源 照 明 技 术 、 光 学 成 像 技 术 、 传 感 器 技 术 等 。 机 器 视 觉 强 调 实 用 性， 要 求 适 应 工 业 现 场 恶 劣 环 境， 适 用 工 业 接 口， 较 高 容 错 能 力 及 安 全 性， 并 具 较 强 的 通 用 性 和 可 移 植 性， 更 强 调 实 时 性， 要 求 高 速 度 及 精 度 。

视 觉 系 统 的 输 出 并 非 图 像 视 频 讯 号， 而 是 经 过 运 算 处 理 后 的 检 测 结 果， 如 尺 寸 数 据 。 上 位 机 如PC 和PLC 实 时 获 得 检 测 结 果 后， 指 挥 运 动 系 统 或I /O 系 统 执 行 相 应 的 控 制 动 作， 如 定 位 和 分 选 。 从 视 觉 系 统 的 运 行 环 境 分 类， 可 分 为PC -BASED 和PLC -BASED 系 统 。PC -BASED 系 统 利 用 其 开 放 性 、 高 度 的 编 程 灵 活 性 和 良 好 的Windows 界 面， 同 时 系 统 总 体 成 本 较 低 。 以 美 国DATA TRANSLATION 公 司 为 例， 系 统 内 含 高 性 能 图 像 捕 获 卡， 一 般 可 接 多 个 镜 头， 配 套 软 件 方 面， 从 低 到 高 有 几 个 层 次， 如Windows95 /98 /NT 环 境 下C /C + + 编 程 用DLL， 可 视 化 控 件activeX 提 供VB 和VC + + 下 的 图 形 化 编 程 环 境， 甚 至Windows 下 的 面 向 对 象 的 机 器 视 觉 组 态 软 件， 用 户 可 用 它 快 速 开 发 复 杂 高 级 的 应 用 。PLC -BASED 系 统 中， 视 觉 的 作 用 更 像 一 个 智 能 化 的 传 感 器， 图 像 处 理 单 元 独 立 于 系 统， 通 过 串 行 总 线 和I /O 与PLC 交 换 数 据 。 系 统 硬 件 一 般 利 用 高 速 专 用ASIC 或 嵌 入 式 电 脑 处 理 图 像， 系 统 软 件 固 化 在 图 像 处 理 器 中， 通 过 类 似 于 游 戏 键 盘 的 简 单 装 置 对 显 示 在 监 视 器 中 的 菜 单 进 行 配 置， 或 在PC 上 开 发 软 入 后 下 载 。PLC -BASED 系 统 代 表 厂 商 为 日 本 松 下 、 德 国Siemens 等 。

德 国Siemens 公 司 在 工 业 图 像 处 理 方 面 拥 有 超 过20 年 经 验 积 累，SIMATIC VIDEOMA 是 第 一 个 高 性 能 的 单 色 和 彩 色 图 像 处 理 系 统， 并 成 为SIMATIC 自 动 化 系 统 中 极 重 要 的 产 品 。 而99 年 推 出 的SIMATIC VS710 是 业 内 第 一 个 智 能 化 的 、 一 体 化 的 、 带PROFIBUS 接 口 的 、 分 布 式 的 灰 度 级 工 业 视 觉 系 统， 它 将 图 像 处 理 器 、CCD 、I /O 集 成 在 一 个 小 型 机 箱 内， 提 供PROFIBUS 的 联 网 方 式( 通 讯 速 率 达12Mbps) 或 集 成 的I /O 和RS232 接 口 。 更 重 要 的， 通 过PC WINDOWS 下 的Pro Vision 参 数 化 软 件 进 行 组 态，VS 710 第 一 次 将PC 的 灵 活 性，PLC 的 可 靠 性 、 分 布 式 网 络 技 术， 和 一 体 化 设 计 结 合 在 一 起， 使Siemens 在PC 和PLC 体 系 间 找 到 完 美 平 衡 。

二. 机 器 视 觉 系 统 在 印 刷 包 装 中 的 应 用

安 装 包 装 检 测 机 器 视 觉 装 置

自 动 印 刷 品 质 量 检 测 设 备 采 用 的 检 测 系 统 多 是 先 利 用 清 晰 度 高 的 高 速 摄 像 镜 头 拍 摄 标 准 图 像， 在 此 基 础 上 设 定 一 定 标 准， 然 后 拍 摄 被 检 测 图 像， 再 对 比 两 者 。CCD 线 性 传 感 器 将 每 个 像 素 的 光 量 变 化 转 换 成 电 子 讯 号， 对 比 后 只 要 发 现 被 检 测 图 像 与 标 准 图 像 有 不 同， 系 统 就 认 为 它 是 不 合 格 品 。 印 刷 过 程 中 产 生 的 各 种 错 误， 如 污 迹 、 墨 点 色 差 等， 对 电 脑 来 说 只 是 标 准 图 像 与 被 检 测 图 像 对 比 后 的 不 同 。

最 早 用 于 印 刷 品 质 量 检 测 的 是 将 标 准 影 像 与 被 检 测 影 像 进 行 灰 度 对 比 的 技 术， 现 在 较 先 进 的 是 以RGB 三 原 色 为 基 础 进 行 对 比 。 全 自 动 机 器 与 人 眼 检 测 相 比， 区 别 在 哪 里？ 以 人 眼 为 例， 当 我 们 聚 精 会 神 地 注 视 某 印 刷 品 时， 如 果 其 对 比 色 较 强， 则 人 眼 可 发 现 的 、 最 小 的 缺 陷， 是 对 比 色 明 显 、 不 小 于0.3mm 的 缺 陷 。 但 依 靠 人 的 能 力 很 难 保 持 持 续 稳 定 的 视 觉 效 果 。 可 是 换 一 种 情 况， 如 果 是 在 同 一 色 系 的 印 刷 品 中 寻 找 缺 陷， 尤 其 是 在 一 淡 色 系 中 寻 找 质 量 缺 陷 的 话， 人 眼 能 够 发 现 的 缺 陷 至 少 需 要 有20 个 灰 度 级 差， 而 自 动 化 的 机 器 则 能 轻 而 易 举 地 发 现0.10mm 大 小 的 缺 陷， 即 使 这 种 缺 陷 与 标 准 图 像 仅 有 一 个 灰 度 级 的 区 别 。

但 实 际 使 用， 即 便 是 同 样 的 全 色 对 比 系 统， 其 辨 别 色 差 的 能 力 也 不 同， 有 些 系 统 能 发 现 轮 廓 部 分 及 色 差 变 化 较 大 的 缺 陷， 而 有 些 系 统 则 只 能 识 别 极 微 小 的 缺 陷 。 对 白 卡 纸 和 一 些 简 约 风 格 的 印 刷 品 如 日 本 的KENT 、 美 国 的 万 宝 路 烟 标， 简 单 检 测 或 许 已 足 够， 而 国 内 多 数 印 刷 品， 特 别 是 各 种 标 签， 具 有 许 多 特 点， 带 有 太 多 的 闪 光 元 素， 如 金 、 银 卡 纸 、 烫 印 、 压 凹 凸 或 上 光 印 刷 品， 这 就 要 求 质 量 检 测 设 备 必 须 具 备 足 够 的， 发 现 极 小 灰 度 差 异 的 能 力， 也 许 是5 个 灰 度 极 差， 也 许 是 更 严 格 的1 个 灰 度 级 差 。 这 一 点 对 国 内 标 签 市 场 是 至 关 重 要 的 。

标 准 影 像 与 被 检 印 刷 品 影 像 对 比 精 确， 是 检 测 设 备 的 关 键 。 通 常 情 况 下， 检 测 设 备 是 通 过 镜 头 采 集 影 像， 在 镜 头 范 围 内 的 中 间 部 分， 影 像 非 常 清 晰， 但 边 缘 部 分 则 可 能 会 产 生 虚 影， 这 部 分 的 检 测 结 果 会 直 接 影 响 到 整 个 检 测 的 准 确 性 。 如 果 能 将 所 得 图 像 再 次 细 分， 如 将 影 像 分 为1024dpiX4096dpi 或2048dpiX4096dpi， 则 检 测 精 度 将 大 幅 提 高， 同 时 因 为 避 免 了 虚 影， 可 令 检 测 结 果 更 稳 定 。

采 用 检 测 设 备 检 测 质 量 可 提 供 全 过 程 的 实 时 报 告 和 详 尽 的 分 析 报 告 。 现 场 操 作 者 可 凭 借 全 自 动 检 测 设 备 的 及 时 报 警， 根 据 实 时 分 析 报 告， 及 时 调 整， 减 少 的 将 不 仅 是 一 个 百 分 点 的 废 品 率， 管 理 者 亦 可 依 据 检 测 结 果 的 分 析 报 告， 对 生 产 过 程 进 行 跟 踪， 更 有 利 于 生 产 技 术 的 管 理 。

印 刷 机 由 开 卷 机 放 卷 运 行 依 次 经 过 各 印 刷 单 元， 进 行 各 色 的 印 刷 与 烘 干， 由 收 卷 机 进 行 收 卷， 每 色 印 刷 都 会 在 印 料 的 边 沿 印 上 以 供 套 色 用 的 色 标 。 由 设 置 的 生 产 线 上， 摄 影 机 连 续 摄 取 印 制 品 的 视 频 图 像， 得 出 色 标 间 距 和 色 标 的 颜 色 参 数， 如 果 相 邻 两 色 色 标 间 隔 大 于 或 小 于20mm， 则 说 明 套 印 出 现 了 偏 差 。 将 该 偏 差 讯 号 送 给 伺 服 变 频 驱 动 单 元， 驱 动 交 流 伺 服 电 机， 使 相 应 套 色 修 正 辊 上 下 移 动 来 延 长， 或 缩 短 印 料 自 上 一 单 元 印 刷 版 辊 到 该 单 元 印 刷 版 辊 的 行 程 来 动 态 修 正 。

三. 机 器 视 觉 的 技 术 进 展
在 机 器 视 觉 应 用 系 统 中， 好 的 光 源 与 照 明 方 案 往 往 是 成 败 关 键 。 光 源 的 选 择 必 须 符 合 所 需 的 几 何 形 状 、 照 明 亮 度 、 均 匀 度 、 发 光 的 光 谱 特 性 等， 同 时 还 要 考 虑 其 发 光 效 率 和 使 用 寿 命 。

CCD 摄 像 机 按 照 其 使 用 的CCD 器 件 可 分 为 线 阵 式 和 面 阵 式 。 线 阵 式 一 次 只 能 获 得 图 像 的 一 行 讯 息， 被 拍 摄 的 物 体 必 须 以 直 线 形 式 从 摄 像 机 前 移 过， 才 能 获 得 完 整 图 像， 因 此 非 常 适 合 以 一 定 速 度 均 速 运 动 的 物 料 流 图 像 检 测， 而 面 阵CCD 摄 像 机 则 可 一 次 获 得 整 幅 图 像 信 息 。 但 如 何 处 理 和 运 算 图 像， 是 系 统 开 发 的 重 点 和 难 点 所 在 。 随 着 电 脑 技 术 、 微 电 子 技 术 和 大 规 模 集 成 电 路 技 术 的 快 速 发 展， 图 像 处 理 的 很 多 工 作 都 可 借 助 硬 件 如DSP 、 专 用 图 像 讯 号 处 理 卡 等 完 成， 软 件 则 主 要 完 成 算 法 中 非 常 复 杂 、 不 太 成 熟 和 尚 需 不 断 探 索 和 改 变 的 部 分 。

从 产 品 本 身 看， 机 器 视 觉 会 越 来 越 趋 于 依 靠PC 技 术， 并 且 与 数 据 采 集 等 其 他 控 制 和 测 量 的 集 成 会 更 紧 密 。 且 基 于 嵌 入 式 的 产 品 将 逐 渐 取 代 板 卡 式 产 品， 原 因 为 前 者 应 用 领 域 越 来 越 广 泛， 具 其 绝 大 部 分 是 以C 语 言 为 基 础， 可 提 高 工 作 效 率， 缩 短 开 发 周 期 。

由 于 机 器 视 觉 是 自 动 化 的 一 部 分， 其 软 硬 件 产 品 正 逐 渐 成 为 协 作 生 产 制 造 过 程 中 不 同 阶 段 的 核 心 系 统， 无 论 是 用 户 还 是 硬 件 供 应 商 都 将 机 器 视 觉 产 品 作 为 生 产 线 上 讯 息 收 集 的 工 具， 这 就 要 求 机 器 视 觉 产 品 大 量 采 用 「 标 准 化 技 术 」， 即 要 随 着 自 动 化 的 开 放 而 逐 渐 开 放， 可 根 据 用 户 的 需 求 进 行 二 次 开 发 。 当 今， 自 动 化 企 业 正 倡 导 软 硬 一 体 化 解 决 方 案， 机 器 视 觉 的 厂 商 在 未 来5 -6 年 内 应 该 不 单 纯 是 只 提 供 产 品 的 供 应 商， 而 是 逐 渐 向 一 体 化 解 决 方 案 的 系 统 集 成 商 迈 进 。

参 考 文 献 ：
1) 段 峰 、 王 耀 南 、 雷 晓 峰 、 吴 立 钊 、 谭 文 机 器 视 觉 技 术 及 其 应 用 综 述 〔J 〕 自 动 化 博 览2002, (3) ：59 ~62
2) 吴 雪 计 算 机 视 觉 技 术 在 农 产 品 和 食 品 检 测 中 的 应 用 〔J 〕 粮 油 加 工 与 食 品 机 械2002, (3) ：38 ~39

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