制造業(yè)中計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)的研究

郭夫兵

GUO Fu-bing

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

人類接收信息最主要的器官是眼睛，據(jù)研究有80%的信息是來自于眼睛接收的圖像信息。隨著人類認(rèn)識的不斷提高單靠眼睛接收的視覺信息已經(jīng)難以完全[1]滿足人類的要求了，而計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)改變了人們傳統(tǒng)的對世界的感官上的認(rèn)識，基于這樣的境遇，計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)（AVI）得以產(chǎn)生，并且隨著計(jì)算機(jī)的使用在工業(yè)上得到普及，大規(guī)模集成電路技術(shù)在計(jì)算機(jī)制造業(yè)上得到了迅猛發(fā)展，設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)系統(tǒng)所需要花費(fèi)的成本已經(jīng)大大的得到了降低，因而這種系統(tǒng)在工業(yè)制造領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[2]。制造業(yè)朝著自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展,這種趨勢不僅使計(jì)算機(jī)集成制造的飛速發(fā)展，也給計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量系統(tǒng)提出了需求。目前柔性制造系統(tǒng)在制造業(yè)中得到了推廣，研究新型的檢測技術(shù)以推動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)進(jìn)一步發(fā)展是十分必要的，在此條件下的計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)得以不斷的發(fā)展且人們對其的思考和研究的力度大大增加。以計(jì)算機(jī)為基點(diǎn)的視覺檢測系統(tǒng)，其在相應(yīng)的時(shí)間范圍內(nèi)所獲取的圖像信息較為豐厚。有豐厚的圖像信息為支撐，對所獲取的圖像信息作更進(jìn)一步的分析及相關(guān)問題或環(huán)節(jié)的優(yōu)化并解決有著較為重大的意義，利用計(jì)算機(jī)對圖像信息來對相關(guān)圖像信息的處理是制造業(yè)中較為常用的檢測手段之一。

1 計(jì)算機(jī)技術(shù)在視覺檢測技術(shù)簡介

1.1 數(shù)字技術(shù)處理原理

人工智能的有效實(shí)現(xiàn)離不開計(jì)算機(jī)這一高效的視覺信息處理工具，從其過程來看，數(shù)字圖像處理就是以計(jì)算機(jī)為主要方式，將數(shù)字等相應(yīng)的信息作適當(dāng)?shù)奶幚聿⒂枰杂行У姆从?。依?jù)數(shù)字圖像處理的相應(yīng)特點(diǎn)，可對其計(jì)算機(jī)處理作如下的劃分：圖像預(yù)處理也就是噪聲去除、分割處理分割后區(qū)域[3]、測量、圖像判讀以及圖像技術(shù)。以上方面，依據(jù)處理中所出現(xiàn)的相關(guān)方法和其處理程度又可細(xì)化為圖像的深度處理、圖像的擴(kuò)展分析以及圖像的高效理解三個(gè)維度。將這三個(gè)維度作一定的結(jié)合并有效的處理好三者的關(guān)系即圖像工程就得以產(chǎn)生。

1.2 視覺模擬技術(shù)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)研究人員對計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的研究雖然很早就有工程師們涉及，但是它進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的研究階段還是從上個(gè)世紀(jì)70年代開始的，上述階段的研究主要是從相關(guān)學(xué)科方法的綜合運(yùn)用出發(fā)，以此對成像和它的逆過程作多角度和多層次的分析和研究。這一研究中,因Marr在分析和研究覺處理模型的相關(guān)特點(diǎn)時(shí)，找準(zhǔn)了其核心和算法，且對其核心作了凸顯性的分析與注重，從其較為寬泛的角度對這一模型作了較為合理的分析，故其較具代表性。在這一時(shí)期用到了Bayesian network、EM、HMM、Kalman filter/Condensation、Particle filter等數(shù)學(xué)工具，它們在推動(dòng)實(shí)際信息處理技術(shù)的同時(shí)，也得到了完善和發(fā)展。

1.3 工業(yè)視覺檢測技術(shù)的維度要求

目前來看，在工業(yè)制造業(yè)中，其使用的視覺檢測系統(tǒng)包括光源與鏡頭、監(jiān)視器與CCD照相機(jī)、圖像捕獲卡與圖像處理軟件、輸入輸出單元等部分。一般的視覺檢測系統(tǒng)中所采用的格式是圖像格式，其數(shù)據(jù)為二值圖像數(shù)據(jù)，它借用相應(yīng)的轉(zhuǎn)化手段將其圖像數(shù)據(jù)作相應(yīng)的處理并輸送到監(jiān)視器。此系統(tǒng)部件中，較為敏感的是CCD，對于單個(gè)幾何元素的測量它可以促使其有效的實(shí)現(xiàn)。但是對家具、食品和精度要求相對比較高的制造業(yè)來講，這時(shí)候使用二值圖像、灰度圖像和彩色圖像進(jìn)行檢測是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,因?yàn)檫@些圖像數(shù)據(jù)格式檢測的僅僅是物體的二維特征，而樣品的三維信息則大量丟失?；诖司秤鱿碌牟噬珗D像視覺檢測的使用需要對其抽象度作相應(yīng)的提升，以保證能夠準(zhǔn)確而及時(shí)的對樣品的相關(guān)變化作出判斷，有效而及時(shí)的發(fā)現(xiàn)輪廓部分以及色差的具體變化并作合理適時(shí)的分析。深度圖像最顯著的特征是，它能夠把樣品表面的信息清晰描述出來，這也是它推動(dòng)三維測量今后用于制造業(yè)的視覺檢測的必然趨勢的原因之一。

1.4 CAD的計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)

對于視覺計(jì)算機(jī)技術(shù)范疇的界定，大體上可以將視覺監(jiān)視、立體視覺與運(yùn)動(dòng)跟蹤等方面包括進(jìn)來，因其存在一定的特性，如其被測目標(biāo)的影像信息的有效控制是通過圖像傳感器來完成的，其采樣也是以空間和幅度兩個(gè)維度來予以合理的量化，在對相應(yīng)的信息作數(shù)字化處理后即可將其輸入到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)再對其作有效的分析與處理，隨之相應(yīng)的圖像信息也就產(chǎn)生。通過這個(gè)過程滿足制造業(yè)在監(jiān)控和檢測方面的需求，主動(dòng)控制產(chǎn)品質(zhì)量，保證產(chǎn)品品質(zhì)。

1.5 總體應(yīng)用情況

計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)在制造業(yè)中有其相應(yīng)的功能，具體而言，就是有效的利用視覺傳感器對目標(biāo)樣品的信息作相應(yīng)的處理，以促使其轉(zhuǎn)換為實(shí)用的圖像信分號，盡而再經(jīng)過圖像處理系統(tǒng)對其作相應(yīng)的分析與處理，在這一過程中，圖像處理系統(tǒng)的作用較為明顯，它對采集到的圖像信息，依據(jù)相應(yīng)的基點(diǎn)對其作深入的分析，并轉(zhuǎn)化為有用的數(shù)字信號，后再對其某些特性作分析，以對機(jī)器的運(yùn)行作有效的控制。因其計(jì)算機(jī)檢測系統(tǒng)所面對的信息量過大、檢測精度較高且范圍較廣的現(xiàn)實(shí)情況，故此，就需要對檢測的精度及其范圍作相應(yīng)的量化，以使其在更多的領(lǐng)域得以廣泛的應(yīng)用。如美、德、日本等發(fā)達(dá)國家，計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)在制造業(yè)的應(yīng)用更為廣泛，特別是在電子制造業(yè)中應(yīng)用應(yīng)用尤為廣泛，在其它產(chǎn)業(yè)中，如汽車制造業(yè)、紡織業(yè)和木材加工業(yè)等也具有廣泛的應(yīng)用前景。而這一系列的廣泛前景與其所具有的特性是密不可分的，如在檢測產(chǎn)品質(zhì)量上計(jì)算機(jī)視覺檢測系統(tǒng)具有可視化、非接觸、定位準(zhǔn)確、結(jié)果量化、自動(dòng)化等較為厚實(shí)的特點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)還可以測量人體的三維數(shù)據(jù)，為服裝制造CAD提供可供參考的數(shù)據(jù)；此系統(tǒng)的應(yīng)用就目前現(xiàn)狀來看，在工業(yè)機(jī)器人的手眼系統(tǒng)上的應(yīng)用較為成功。除此之外，在棒材生產(chǎn)、無縫鋼管直線的在線檢測以及自由曲面檢測等方面這項(xiàng)技術(shù)也同樣得到了廣泛應(yīng)用，此系統(tǒng)的有效利用，對于之前傳統(tǒng)方法而言，其效度較高，且不會因?yàn)橹饔^的因素對其系統(tǒng)的檢測產(chǎn)生影響，它完全可以消除傳統(tǒng)方法使用中所存在的缺陷。

2 具體應(yīng)用

2.1 拔絲?？仔蜋z測

對于工業(yè)上檢測技術(shù)的具體應(yīng)用，較為突出的是工業(yè)攝像機(jī)圖像的有效使用。它以卡、光學(xué)成像系統(tǒng)為主要基點(diǎn)、將計(jì)算機(jī)和監(jiān)視器進(jìn)行有效的組合，盡而在這兩者的基礎(chǔ)上形成并構(gòu)建起現(xiàn)代拔絲?？仔鸵曈X檢測系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有較大的實(shí)用性。這個(gè)系統(tǒng)的具體工作流程是，首先把硅膠注入法待檢測拔絲模具得到具有模型尺寸和形狀的凸模，之后以光學(xué)系統(tǒng)的載物臺為依托，將其凸模置于上，憑借光學(xué)成像系統(tǒng)對其作相應(yīng)的放大以使其有效的成象突顯于CCD，在這一過程中，利用采集卡對相應(yīng)的像作實(shí)施合理的采集，通過上述步驟的處理和進(jìn)行，拔絲模孔形尺寸的大小也就得以確定。

2.2 車身視覺檢測技術(shù)

集團(tuán)化生產(chǎn)，原材料和零部件的標(biāo)準(zhǔn)化供應(yīng)縮短了現(xiàn)代汽車制造業(yè)的生產(chǎn)周期，這同時(shí)也使視覺檢測技術(shù)在汽車制造業(yè)中有了立足之地。從其車身視覺檢測技術(shù)的構(gòu)成或特性來看，它涉及到三維視覺傳感器、機(jī)械及定位、標(biāo)定、電氣控制與接口和計(jì)算機(jī)等要件或因素，在這一系列的要件或因素中，又可將某些要件作相應(yīng)的細(xì)化。這個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作時(shí)，首先車身的初步定位是由在電氣控制系統(tǒng)控制下完成的；其次，依據(jù)專門的控制系統(tǒng)對所需測的具體位置作明確的定位，以此為支撐，再充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對其檢測點(diǎn)圖像作適時(shí)的分析與處理；最后，再將其被測點(diǎn)的一系列參數(shù)經(jīng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)作確定。

2.3 智能焊接方面的應(yīng)用

隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，它要求焊接技術(shù)能夠自動(dòng)識別目標(biāo)環(huán)境，要能夠隨時(shí)精確地跟蹤焊接軌跡，而且要可以調(diào)整焊接參數(shù)。如大型輪船焊接、潛艇焊接是制造它們的最重要的一環(huán)，焊接的品質(zhì)直接關(guān)系到后面的組裝是否能順利正常，即使組裝成功，也會對船只今后的使用壽命以及使用的安全性產(chǎn)生致命性影響。計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)在焊接方面的應(yīng)用也較為廣泛，如紅外攝像儀、高速攝像機(jī)以及CCD攝像機(jī)等高精度圖像傳感器和智能化圖像處理方法的有效應(yīng)用，裝有這樣系統(tǒng)的焊接機(jī)器能夠很好地實(shí)現(xiàn)獲取和處理強(qiáng)弧光以及有飛濺干擾情況的焊縫焊接，能夠檢測焊縫空間位置并規(guī)劃焊矩姿態(tài)，它對焊接熔池的特征參數(shù)的提取是隨時(shí)進(jìn)行的，它不光能夠預(yù)測焊接組織結(jié)構(gòu)以及性能等,而且還能夠?qū)崿F(xiàn)特殊場合的自動(dòng)焊接。

2.4 提高手機(jī)生產(chǎn)檢測的精度和速度

G3時(shí)代和智能機(jī)時(shí)代的到來，使手機(jī)技術(shù)也越來越趨于高精尖化，這時(shí)候傳統(tǒng)的人工生產(chǎn)檢測手段在檢測速度和精度上就無法滿足生產(chǎn)要求，此境遇下計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)的有效應(yīng)用，能夠?qū)κ謾C(jī)內(nèi)部零件的狀況作有效的分析與檢測，與此同時(shí)，手機(jī)電路板組件中的多個(gè)連接器也可進(jìn)行相應(yīng)的適時(shí)檢測，以確保器件的正?；?，而這一適時(shí)檢測的重點(diǎn)是連接器和PCB底板的位置及連接器內(nèi)部零件的尺寸、間距等相關(guān)參數(shù)，以及對連接器裝配精度是否符合標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)部零件損壞與否進(jìn)行檢測。與人工檢測相比，它具有速度快、結(jié)果準(zhǔn)確、擴(kuò)展性強(qiáng)和性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)大大提高了質(zhì)量檢驗(yàn)的精度和效率，對于產(chǎn)品質(zhì)和生產(chǎn)成本而言，都能起到相應(yīng)的效果與作用。

3 我國計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)的不足

盡管從理論上講計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)在制造業(yè)生產(chǎn)中具有上述的諸多優(yōu)點(diǎn)，但是它在我國畢竟是一門新興的技術(shù)，還有待于完善和發(fā)展，目前這項(xiàng)技術(shù)有一些不足之處：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上的不完善與規(guī)范度的不完整；計(jì)算理論和傳感器研究與開發(fā)的力度不強(qiáng)且能力有限；計(jì)算定量技術(shù)模型和標(biāo)定方法的不完善。雖然還面臨以上問題或存在一定的不足，但其有效的應(yīng)用在我國現(xiàn)階段仍有較大的作用，它的應(yīng)用對于我國制造業(yè)的發(fā)展具有較大的意義。

4 結(jié)束語

雖然計(jì)算機(jī)視覺檢測技術(shù)還有待進(jìn)一步的發(fā)展和完善，但是它已經(jīng)顯示出了極強(qiáng)的生命力，它的發(fā)展必然推動(dòng)制造業(yè)的發(fā)展，同時(shí)也會對計(jì)算機(jī)技術(shù)其巨大推動(dòng)作用，它將完全取代以往的視覺檢測技術(shù)。

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