機器視覺在光學加工檢測中的應用

2019 年 10 月 17 日15:06:48 评论 10

摘要:隨著自動化控制領域的飛速發展,機器視覺技術日漸成熟,並且在各個領域贏得了越來越廣泛的應用。機器視覺系統通過對圖像資訊的處理,用機器代替人眼實現了各種測量和判斷。本綜述簡要介紹了機器視覺技術的概念和機器視覺系統的主要組成部分,闡述了機器視覺關鍵技術的發展現狀,著重分析了機器視覺技術在光學加工檢測領域,特別是在光學拋光檢測過程中實現自動化的相關應用,最後展望了機器視覺在光學加工檢測領域未來的發展趨勢。 
 
關鍵詞:機器視覺;加工檢測;圖像處理;自動化

機器視覺(Machine Vision)主要是利用計算機來糢擬人或再現與人類視覺有關的某些智能行為,從客觀事物的圖像中提取資訊進行處理,並加以理解,最終用於實際檢測和控制。通過機器對傳輸的影像自動判讀處理,不僅可以節省人力資源,還可以提高檢測控制的精度。

機器視覺作為光電技術應用的一個特定領域,是一項綜合技術,其中包括數字圖像處理技術、光源照明技術、光學成像技術、機械工程技術、控制技術、傳感器技術、人機接口技術等。一個典型的機器視覺應用系統如圖1所示。系統執行機制為首先採用CCD攝像機獲得待測目標的圖像信號,然後通過A/D轉換成數字信號傳送給圖像處理系統,根據亮度差異、像素分布以及色彩差異等資訊,由系統進行各種運算來獲取目標的特徵,然後再根據預設的判別標準輸出判斷結果,去控制驅動執行機構進行相應處理。

機器視覺系統可以自動快速獲取大量資訊並且進行自動處理,這很好地解決了光學加工檢測領域中還未完全實現自動化的問題。系統通過對拋光區域進行圖像採集、分析與處理,與標準面型進行對比分析自動生成下一步的拋光路徑等資訊,循環拋光過程直至達到需求,完成拋光加工過程,無需人工幹預。準確度與生產效率大大提高的同時,也提高了資源的利用率,降低了生產成本。

1 機器視覺關鍵技術的發展現狀

如圖1所示,在機器視覺系統中,較為關鍵的技術有光源照明技術、光學成像系統、圖像捕捉系統、圖像採集與處理技術。其中照明光源、光學成像系統中的光學鏡頭、圖像捕捉系統中相機選取的好壞是決定機器視覺系統成敗的關鍵。

機器視覺在光學加工檢測中的應用

圖1.典型的工業機器視覺應用系統

1.1 光源照明技術

優良的光源和照明方案是目前機器視覺應用系統成敗的關鍵之一。一個好的照明系統,應當 具有以下特徵。.+盡可能突出目標的特徵,在物體需要檢測的部分與非檢測部分之間盡可能產生明顯的區別,增加對比度,保證足夠的亮度和穩定性,物體位置的變化不應影嚮成像的質量。光源設備的選擇必須符合所需的幾何形狀。同時,照明亮度、均勻度、發光的光譜特性也必須符合實際的要求,同時還要考慮光源的發光效率和使用壽命。

表1列出了幾種主要光源的相關特性。其中,LED光源具有顯色性好、光譜範圍寬(可覆蓋整個可見光範圍)、發光強度高、穩定時間長等特點。近年來,隨著LED制造工藝和技術的不斷發展成熟,價格逐步降低,其在機器視覺領域正得到越來越廣泛的應用,選用LED作為光源是一種趨勢。

表1各種光源對比

機器視覺在光學加工檢測中的應用

1.2 光學鏡頭 

光學鏡頭是機器視覺系統中的重要件,其主要功能是光學成像。鏡頭的參數主要有焦距、視場、工作距離、解析度、景深等。一個鏡頭的成像質量好壞,即其對像差校正的優良與否,可通過像差大小來衡量,常見的像差有球差、彗差、像散、場曲、畸變B種單色像差和位置與倍率兩種色差。對定焦鏡頭和變焦鏡頭來講,同一檔次的定焦鏡頭的像差肯定比變焦鏡頭的小,因為變焦鏡頭必須折中考慮,使各種不同焦距下的成像質量都相對較好,不允許出現某個焦距(在變焦範圍內)下像質很差的情況,所以在機器視覺應用系統中,根據被測目標的狀態應優先選用定焦鏡。

1.3 相機

視覺圖像獲取有兩種方式+主動視覺和被動視覺。主動視覺是指通過器件本身發光來產生視覺圖像;被動視覺則指由傳感器被動接收目標環境反射光來產生視覺圖像。相機按其感光器的不同可以分為兩大類:CCD相機和CMOS相機。CCD相機按照其使用的CCD感光器件的不同又可以分為線陣式和面陣式兩大類。線陣CCD相機一次只能獲得圖像的一行資訊,速度快、解析度高,可以實現運動物體的連續檢測,一般高速檢測中多採用線陣CCD,而面陣CCD相機可以一次獲得整幅圖像的資訊。目前在機器視覺系統中,應用面陣CCD獲取圖像的居多。

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圖4.精加工機器人及研磨拋光工具

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3 總結與展望

近年來,隨著圖像處理算法的快速發展,生產自動化程度的日益提高,機器視覺技術已受到人們越來越多的重視,加速了機器視覺技術向相關領域的發展。機器視覺技術在準確度以及效率方面的優勢大大解決了生產過程中的一些迫切需要解決的問題。本文除簡要介紹了機器視覺系統的構成及其關鍵技術的發展外,著重對其在光學加工檢測中的應用進行了闡述,通過與傳統的生產流程進行對比,展現機器視覺技術在光學加工檢測領域中的巨大優勢。當前,資源消耗#環境保護越來越受到人們的重視,體現在生產中就要求技術的發展能夠提高資源的利用率,提高生產的效率與對環境的保護。

隨著機器視覺的發展,人們對於機器智能化的需求越來越高。由於圖像具有直觀、易懂、形象等特點,使得圖像的採集與處理的作用就顯得尤為突出,機器視覺對圖像處理的研究已經成為現代各國科學家的研究工作重點。

雖然廣泛的應用給機器視覺技術帶來了前所未有的發展機遇,但也存在一些問題,例如至今也沒有一個最優的照明方案,這制約著機器視覺的發展,以及如何進一步優化圖像處理算法都是下一步要需要著重解決的問題。

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