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无处不在的眼睛

作者:本网编辑 文章来源:《流程工业》2004年第6期 发布时间:2013-01-09
在国外,机器视觉产品的应用已经相对成熟,这种“计算机化的眼睛”已经被人们安置到了生产线的各个角落.在食品、饮料的加工及包装环节,对这种高速、自动、可视化和非接触式的检测方式的应用也日渐增多.

“更快的生产速度,更高的产品质量,更强的品牌影响力。”——在竞争日益激烈的今天,每一个现代企业似乎都在“国际市场”这个大竞技场中奋力拼搏。传统的依赖人工进行识别的检测方式,已经无法满足连续性、大批量的现代化生产方式和对产品外观质量的更高要求。于是人们开始考虑利用计算机和现代的传感技术,在生产线上进行快速、精确、可重复性的检测,机器视觉的概念也就应运而生。

在国外,机器视觉产品的应用已经相对成熟,这种“计算机化的眼睛”已经被人们安置到了生产线的各个角落。在食品、饮料的加工及包装环节,对这种高速、自动、可视化和非接触式的检测方式的应用也日渐增多。而国内食品、饮料行业对机器视觉产品的了解和应用还处在起步阶段。如何理解“机器视觉”的概念?在食品饮料及包装领域,机器视觉产品又有哪些应用?如何选择机器视觉产品?对于这些问题,本刊特别邀请了几家国际知名公司的相关专家,来为我们一一解答。

何谓“机器视觉”?

赵颖全先生:随着国内自动化水平的不断进步和产品质量控制要求的日益严格,在很多环境相对恶劣、人员介入受限制、劳动强度大、精度要求高、效率要求高的生产中越来越需要一种能够取代人眼的检测系统,它可以针对目标物进行快速、精确、稳定而且是非接触式的检测与判断,“机器视觉”这个概念就应运而生了。它能够针对被测物的特征进行例如尺寸测量、面积测量、坐标计算、数量统计、特征抽取、灰度判断、颜色分辨、模板匹配、轮廓识别等等具体的工作,同时把一些以往靠经验进行判断的工作进行具体的数字量化,使得产品控制标准能够统一,不但极大地提高了生产的效率与质量,而且有效地降低了人员的劳动强度。

杨大汉先生:“机器视觉”的英文名称为Machine Vision。顾名思义是指具有视觉功能的机器设备,其来源于早期的传感器技术,20世纪60年代,最早出现的仅仅是具有分辨不同颜色功能的传感器,其分辨的颜色也仅仅局限于少数的几种。进入80年代之后,随着器件制造水平的提高和图像处理及软件技术的发展,“机器视觉”才真正具有了部分“视觉”的功能,也就是说通过“机器视觉”,可部分实现人眼的功能。在某些方面甚至超过人眼,例如:对于速度高于200m/s的检测,用人眼是无法进行的,但用机器视觉就完全可以实现。从工作原理上来说,机器视觉首先利用光学器件抓取图像,然后再将图像进行数字化处理,根据实际的检测要求,将处理后的结果通过数字量、PROFIBUS DP 或工业以太网输出。

沈立伟先生:“机器视觉” 顾名思义就是使用机器自动化的方法,实现类似人类视觉(眼睛+视觉神经中枢+视觉神经细胞)的功能。对于工厂自动化和过程自动化,机器视觉是实现真正意义的“自动”的基础和一种重要的质量控制手段。由镜头、像机和控制器构成的机器视觉可以替代人工,根据物体在一定环境下得到的画面进行尺寸、缺陷、种类、匹配等各种参数的测量和判别。

全文先生:对机器视觉的定义,我们的理解是:计算机化的用于生产过程中纠错的光学测量系统。它的组成一般包括光源、镜头、照相机(CCD 或者CMOS)、视觉控制器(或者图形采集卡+I/O卡)、用户图形界面(GUI)5部分。

我们说它是计算机化的,这是因为它内置的程序具有“智能的”判断能力。它可以分析并判断一个图形是良品或者是次品(Pass或 Fail)。其主要是用于生产过程中的检测,这里包含各种行业的生产过程,如微电子、工业电子、汽车、印刷、机械零件、食品包装、医药化工、乃至建筑、冶金、生物领域都有很多应用。而我们所提及的光学“测量”系统,也不仅仅包括位置、尺寸、灰度、数量等参数的测量,还包括图像识别,相似度的甄别等。

机器视觉系统的构成与分类

刘向东 康耐视中国区市场及销售经理

“机器视觉系统”,通俗的讲就是会“看”的计算机。它多用于生产环境下产品的自动检查和测量。该技术始现于70年代末,如今已成为许多工业企业改进产品质量的主要手段之一。

最初,由于高昂的搭造成本和缺乏弹性化的设计,机器视觉系统在提高生产力上所起的功效并未被工业界普遍接受。

计算机技术的迅猛发展改变了一切。高性能奔腾处理器的出现为搭建基于标准PC的机器视觉系统注入了强大马力。PCI总线的推出使基于PC的图像数据传输变得可能。最后,32位Windows操作系统的推出最终提供了灵活的标准软件平台。这些工业标准的推出刺激了低成本的基于PC的机器视觉系统的发展。

基于PC的机器视觉系统

图像获取及光学部分

该部分通常有一组或多组工业相机和镜头组成,完成工件图像的摄取。用户可按应用选用不同的相机(标准单色相机、彩色相机、线扫描相机)。

照明部分

为了使相机得到尽量好的图像,增强与背景的对比度,通常需要对工件进行照明。光源种类繁多,常见的有高频荧光灯、LED灯及光纤卤素灯。

工件传感器

通常人们用光电传感器来判断工件的位置,发送触发信号通知相机、光源、图像采集卡何时采集图像。

图像采集卡

这个组件是一个电路板,它将从相机获得的模拟图像转换成供PC使用的数字图像。图像采集卡安插于PC插槽中并有多种结构支持不同相机和计算机总线(如PCI,ISA,VME)。

PC平台

计算机是机器视觉系统的关键部件。其处理速度的快慢对机器视觉来讲是至关重要的。随着计算机处理速度的加快,其处理单个图像的时间会缩短,从而允许更快的工件检查速度。在生产线上,很多公司都选用工业PC来降低环境的振动和灰尘对系统的影响。

机器视觉软件

软件是用来执行程序,处理数据,判断正误的。其种类从执行单一操作(如测量)到多功能的组合(如条码阅读、二维码识别、机器人导航、有无判断)。

数字输入/输出和网络

一旦系统完成工件的检查任务,它必须将结果与外界进行数据交换来控制制造过程。通常是靠一块数字I/O模块及网卡来组建数据的通信接口。

直到现在,基于PC的低成本机器视觉系统仍然有着广阔的市场空间。

嵌入式系统

某些高端应用要求更快的图像采集及处理能力,但由于PCI有限的数据传输速率,使图像在实时传送给主机内存的过程中形成了瓶颈。特别是当VGA显卡、网络设备、I/O卡、运动控制卡同时安装于同一系统内,问题会更糟。每个装置都要争夺PCI的短暂传输时间,从而严重降低了图像采集的速度。为了将主机CPU从繁重的图像采集及处理任务中脱离出来,有些高端应用采用嵌入式系统。这类系统配有板上处理器及板上I/O,专门负责图像的采集存储任务并以DMA主从方式与PCI总线通信,从而大大提高了机器视觉系统的高速处理能力。

智能视觉传感器

尽管基于PC的机器视觉系统可以满足多数应用的检测需求,但它的开发仍然要求从业人员具备相应的C、C++、VB的编程经验。相机的控制、用户界面的编写以及与其它自动化设备的通信对很多初学者来讲均非易事。 同时在很多恶劣场合,使基于PC的机器视觉系统难以适应。现代制造业带来的产品更新换代周期的加快同样给机器视觉系统提出了新的挑战。

随着半导体制造技术的改进,芯片体积及计算能力的提高,一种智能化的视觉传感器在本世纪初应运而生。这是一种集一定的计算能力和图像采集处理功能于一身的相机。它通常包括一个图像传感装置、存储器、嵌入式处理器、串口、数字I/O。嵌入的处理系统可能是英特尔微处理器、摩托罗拉DSP、FPGA或几种的组合。其结果可通过自带的串口、I/O、以太网口与控制环节中的上位机及下位机直接通信。同时它不用高级语言编程,只须几步菜单设定即可完成多数视觉检测任务,这大大缩短了操作者的学习曲线,为工厂级的快速应用提供了无限便利。具估计,智能视觉传感器将与基于PC的视觉系统平分市场。

专用视觉产品

为了更好的满足行业客户的需要,许多公司除了供应通用的机器视觉硬件和软件,还开发了针对特殊行业应用的产品,如COGNEX的显示屏检测系统,BGA检测系统,瓶盖检测系统,ID识别判读系统。系统集成商只要在其基础上进行适当设定即可整和到其它子系统中为客户提供完整的行业解决方案。

想看就能“看”到

PROCESS: 在食品及包装领域,机器视觉系统主要应用在哪些方面?对于生产的自动化而言,视觉系统可以起到怎样的作用?

赵颖全先生:在食品及包装领域,机器视觉系统在发达国家的生产线上应用很广泛其中包括:产品包装内容的有无检测,喷码打码检测(如出厂日期及保质期),密封度检测,标志检测,异物混入检测,微小异物检测,位置检测,个数检查,产品分类及残缺检测,比例检测(如肥瘦肉率),生熟检测(如柿子的涩度),方向判别,正反判别,形状判别,尺寸测量,液面高度检测,贴标位置检测,文字识别,颜色检测,瓶盖瓶口检测,溢出偏离检测,裂痕划痕检测,污物检测等。

在生产自动化上视觉系统发挥了巨大的作用,以数字化检测代替了人员的经验判断,达到了客观和量化的目的;作为自动化设备它可以胜任不间断的高速度、高强度、高质量、高稳定性的检测工作,这是人工所不能比拟的,同时也避免了人员因疲劳和心理影响造成的漏检与误剔除;在一些人员所不能工作的场合,机器视觉系统更是发挥了它不可替代的作用。

杨大汉先生:目前,在食品和包装领域,用机器视觉来提高和保证产品质量已经成为大家的共识。在食品和包装行业,机器视觉主要应用于外观检测,包括外观质量,包装质量等。外观质量包括生产日期、图案的分布、标签的位置等,包装质量包括粘贴的位置是否正确、粘贴的接口质量和包装的图案位置等。如果把现有的生产线比喻为一个人的话,“机器视觉”的角色相当于“眼睛”。在以前,对于产品质量的检测只能通过抽检的方式来实现,而现在,通过使用机器视觉,就可以实现在线实时检测。

全文先生:机器视觉产品在包装领域有诸多的应用,如喷码检测、标签位置检测、液位检测、 干燥剂检测、封口密封圈检测、包装袋方向检测、瓶口螺纹检测、杂质检测、包装品裂纹检测、包装瓶尺寸检测、包装箱内产品数量计数确认等等,应用非常之多。简言之,凡是在用人工眼睛直接目测或间接目测(如借助游标卡尺、监视器、显微镜等等)的过程都有机会用机器视觉来替代。

沈立伟先生:在食品及包装领域,机器视觉产品已被广泛地应用于食品的包装质量(如火腿肠是否外露,茶包形状是否规则,饼干是否完整等),食品生产日期,食品容器的质量(如各种瓶、罐、包、杯)等,所涉及的应用非常广泛,各种原先需要人工靠眼睛或经验检查的项目,机器视觉都能发挥作用。

刘向东先生:在包装行业机器视觉系统通常的应用包括以下几种:检查标签的有无、盖子有无及其位置、包装的完整性,以及印刷有无的检测、印刷质量的检测、日期批号的校正、安全密封检测、灌装量检测、1D和2D码读取、包装颜色及形状分检、记数、机器人导航等方面。可以说,机器视觉系统的应用渗透到包装自动化的各个环节,从某种程度上,它构成了产品检测的核心环节。其检测的数据可以通过各种方式与PLC、触摸屏、电机、机器手等控制设备进行通信,并与它们形成一个闭环的自动化控制系统。同时,不同检测工位的视觉系统还可搭建成厂区的视觉局域网,并直接融入工厂的网络管理体系及ERP系统,提高整个工厂的生产管理水平。

形形色色的眼睛

PROCESS: 贵公司机器视觉产品有何特点?请具体介绍几款在食品及包装领域应用较广的产品?

刘向东先生:在过去的23年中,Cognex凭借其最权威的技术,最全面的产品,最深的行业经验为世界各行业提供了近200000套机器视觉系统。In-Sight是Cognex视觉传感器的系列产品,具备现行的Cognex技术,集低成本、紧凑、易用为一体。In-Sight可以作为通用系统来使用,也可作为针对某些关键应用的专用系统来使用。用户不需熟悉视觉系统和程序设计,只需使用一个独特的电子表格即可快速设立应用程序。这种灵活的方法意味着,用户不仅可以快速的设立简单的检查作业,同时还可以使用In-Sight提供的多种视觉工具来管理较为复杂的应用程序。

同时,Cognex还提供基于PC架构的视觉开发工具——VisionPro,可以在很短的时间内帮助用户打造出与其工序或机器完美整合的解决方案。此款以COM/ActiveX为基础的视觉工具套件适用于MVS-8000系列图像采集卡。灵活先进的编程技术与图形化开发环境提供的快速设置功能的结合赋予了该系统强大的威力。

杨大汉先生:SIEMENS的机器视觉产品目前有两大类,即VS100系列和VS700系列、VS100系列是属于定制型视觉产品,主要分VS110:用于轮廓检测;VS120:用于表面检测和定位;VS130:专用于二维码检测。VS700系列属于通用型产品,包括VS710和VS720,视觉产品的分辨率有640×480,768×512,1024×768,1280×1024四种可供选择,可以说,SIEMENS通用型视觉产品可以满足绝大多数检测的要求。

与竞争对手相比,SIEMENS产品具有3点优势:一是产品线长,无论室灰度级应用,还是彩色级应用;无论是高速应用,还是高分辨率应用,都有产品可供选择。二是软件界面友好,独创的软件用户界面采用参数化的编程方法,可以让工程师或用户在几分钟内完成检测的编程,而无需进行复杂的语言编程。三是网络拓展性好,集成的PROFIBUS DP和工业以太网接口可以为现在和将来的网络预留足够的扩展。

赵颖全先生:在食品与包装领域,松下电工主要的机器视觉产品有:彩色全能处理系统AX40,高性价比的A210/A110系统,简易功能单一价格便宜的LightPix系统。

全文先生:Banner公司进入机器视觉领域较晚,目前我们共有两款产品,主要特点是功能多、使用简单和价格低廉。Banner的使命是普及视觉产品在日常工业领域的应用。然而,视觉产品在日常工业领域中的普及,则对视觉产品的性能、简单易用性和价位都提出了更高的要求。优良的性价比以及简单易用的图形界面是我们的特点,而且,目前我们已经推出了中文版操作界面。

沈立伟先生:OMRON的机器视觉产品的特点是它的易用性、经济性和高性能性。比如OMRON的主推产品F160的处理速度能完全满足每分钟3000件的流水线要求,并具有文字识别功能。我们独特的四十多种测量模式中定能找到实现客户要求的检查方法。 在此想强调的一点是:视觉应用项目对每一个用户都是独特的,具有丰富经验的供应商可以提供相对来说更多的经验教训让客户分享,帮助用户更快、更好、更可靠地解决问题。

选对您的眼睛

PROCESS: 您对用户在选购机器视觉系统产品时有何建议?

刘向东先生:选择合适的机器视觉产品并非易事。工件的表面特征、颜色、形状、检测速度、检测精度、产品种类、环境光线、工作空间、上下料装置、与其它设备的数据共享、开发人员的经验、操作员素质、开发周期、开发经费以及系统维护都是一个工程人员在选择机器视觉产品时所要考虑的问题。

工业生产的环境是千变万化的,产品不断的更新,人员不断的流动, 有很多因素影响着机器视觉系统的正常运行。想一想,你的工件是否有角度的旋转、大小的变化、上下抖动、对比度差、光线的影响、阴影的影响、工件重叠、传送带是否振动?一个好的机器视觉系统是否能在上述情况下仍能可靠的识别及定位你的工件?任何百分之零点几的错判或漏判对于大规模生产都是不能允许的。因此,在选型的初期,就要用各种有效的手段来验证所选产品的可靠性、稳定性、可重复性、鲁棒性。

杨大汉先生:目前市场上的视觉产品应用范围最广的主要有两大类,即通用型产品和基于PC机视觉产品。从价格方面来说,通用型产品的价格高于基于PC机视觉产品,这是因为基于PC的视觉处理方案的硬件成本相对较低,而软件的开发又以单一功能为主,稳定性和可靠性都较差,故其总体价格相对较低。还有目前市场上的视觉产品良莠不齐,大部分产品集中于低端,如果用户需要视觉产品,建议从产品的可靠性和产品的可升级性考虑,从长远来看,视觉产品在将来肯定会成为自动化系统中一个重要组成部分,对于一个系统而言,与其各组成部分通讯是未来的发展趋势,必然要求视觉系统可以提供通讯接口,故要选择预留通讯接口的产品;从近期来看,视觉系统的应用也将是为了提高产品质量,故对视觉产品的可靠性的要求也应作为主要的考虑范围。所以我们建议选择一些品牌产品。

全文先生:对于机器视觉产品的选购,第一重要的当然是性能能否满足要求,如测量精度、测量速度、没有误剔除或漏判,更要包括系统的检测速度和稳定性。对于现场环境恶劣(电磁波干扰、 谐波干扰、浪涌、温度变化、振动等等)的生产现场。建议尽可能使用嵌入式系统(视觉传感器),其稳定性更胜一筹。第二点,就要考虑系统的简单易用性,对于简易系统的调试,最终用户就可以自行解决,而无需系统集成商亲自出马,既节省成本有节约时间。第三,就是系统的价格,在满足性能的前提下当然应该追求最佳的性价比。最后,也要考虑系统易于集成,这里主要涉及到视觉控制器的接口。

赵颖全先生:在视觉系统产品选择的问题上。对于大部分客户来讲,在对机器视觉系统产品不是很了解的情况下,首先要多进行咨询工作,以找到值得信赖的合作伙伴,这是很关键的,因为好的机器视觉厂家可以提供给客户最全面可靠的服务,这也是厂家的信誉问题; 其次,针对自己的应用需要提供给视觉厂家尽量全面的需求描述与实验样品,前期实验的成功与否直接影响到后期的现场试验,如果没有大量前期充分的准备工作,在后期就会出现非常严重的问题甚至是造成官司,这些都是很实际的例子;再次,也是大多数用户比较关心的问题——价格问题。在各厂家的视觉系统中进行横向与纵向的价格比较,把目标锁定在两三家,只要性能都能满足要求,可以抛弃价格对服务进行比较,尽量选择信誉好、服务好的厂家。

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