視覺檢測技術的流程及管理探討

吳賀　賈濱　沈偉

摘要 視覺檢測技術是當今科技發展、技術應用一個重要的領域，雖然視覺技術經過了30余年的研究，但是這一技術還有極大的發展空間，并且隨著智能時代的到來，必將迎來更廣闊的發展空間。本文分析了視覺檢測技術的應用和管理經驗，對于探索和發展面向對象和用戶的視覺檢測實用技術很可能是未來視覺技術的發展方向之一。

關鍵詞 視覺檢測技術；光源；鏡頭；攝像機；管理

中圖分類號 G2 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2016）14-0063-03

隨著工業4.0、大數據、機器智能時代的到來，各種高新技術在很多行業得到了快速的發展，其中視覺識別、視覺檢測技術也得到了更為廣泛的應用和發展，在機械制造行業、食品行業、醫藥行業、汽車行業、軍工行業等領域均有廣泛應用，其中視覺檢測技術在生產、包裝過程中的運用得到了高速發展，是視覺技術重要發展方向之一。

1視覺檢測原理

視覺檢測就是通過圖像信號傳感、處理、分析與計算來實現物體參數的檢測。按照這樣的原理形成的面向工程的儀器設備我們稱之為視覺檢測技術裝置。這樣的裝置安裝在生產制造系統中，與生產制造系統的機械傳輸部分統一受到主控計算機整體控制，實現物料輸入、視覺檢測、圖像分析、數據傳輸、計算機系統判斷、系統輸出控制分類處理，這樣一套流程。視覺檢測裝置與生產線有機結合充分體現了高效率、高精度和高考靠性的特點。

1.1視覺檢測系統的優勢

視覺檢測系統的優勢主要有節約時間、降低生產成本、優化物流過程、縮短機器停工期、提高生產率和產品質量、減輕測試及檢測人員勞動強度、減少不合格產品數量、提高機器利用率。

1.2視覺檢測裝置組成

視覺檢測裝置組成主要由光源、鏡頭、相機、圖像采集卡、軟件組成。1）光源：根據相機的光譜響應特性、物品形狀、打光方式、輔助手段（采用偏光片、濾光片、漫射片）等因素選擇合適的光源，種類有LED、熒光燈、鹵素燈（光纖光源）、特殊光源，為滿足應用，要通過理論分析和實驗測試綜合考慮光源的使用。2）鏡頭：根據相機接口類型、物距、拍攝范圍、CCD尺寸、畸變范圍、放大率、聚焦、變焦范圍、光圈等因素選擇鏡頭，鏡頭類型有標準、遠心、廣角、變焦放大、遠攝/近攝等。3）攝像機（圖像傳感器）：指標，像元尺寸、分辨率、靶面大小、感應曲線、動態范圍、靈敏度、速度、噪聲、填充因子、體積、質量、工作環境等。分類，線/面、隔/逐、黑/彩、數/模、低/高、CCD/cMOS。4）圖像采集卡，根據精度、速度和可靠性選擇。主要指標：采集頻率（速度）、接口、預處理功能、支持相機種類、控制功能、輸入輸出點數；分類：模擬/數字、單通道/多通道。5）軟件。

2單攝像系統和多攝像系統

對于目標識別和跟蹤、物體位移的偏差檢測等情況要采用單一攝像機的圖像采集和處理系統；而應用于機器人導航、三維測量、虛擬現實環境構建等情況采用雙攝像頭或多攝像頭組成的圖像采集和處理系統。采用不同的圖像采集方式相應要采用不同的圖形處理算法和處理技術。也就是說我們要采集同一事物或物體的圖像，可以選用單一攝像機同步跟蹤、多角度拍攝，也可以選擇在不同位置、角度安裝多臺攝像機來實現拍攝。單一攝像機同步跟蹤可適用于靜止物體和運動物體采集圖像，多攝像機方式卻只是用于靜止物體或是低速運動的物體的拍攝。

3圖像處理算法

可以根據被測物體不同特點選擇不同的算法，通常包括攝像機標定算法、圖像輸入處理、圖像濾波、邊緣提取、特征選取、圖像匹配、深度識別、深度圖生成、與其他類型傳感信號的融合和先驗知識的融會貫通等。

下面介紹我們為不同工況配置的不同的視覺檢測方案，其中實例1“標簽批號（數字、條碼）在線視覺檢測”是比較簡單的運動物體的圖像識別；而實例2是對玻璃容器中的液體的容積、細小異物進行檢測，因為液體藥品中細小異物的分辨、玻璃瓶造成的虛假干擾信息等因素，造成了對于這類物品的視覺檢測很困難，如配置方案不合理，就很難做出精準的判斷，造成良品的錯誤剔除，或是有問題的藥品被當作是良品放行，其中后者會造成更加嚴重的危害，使注射藥品的患者處于風險中，這是制藥企業完全不能接受的。

3.1實例1：標簽批號（數字、條碼）在線視覺檢測

如圖2所示產品物料在傳輸帶上水平運動，傳輸速度為60～70m/min，標簽粘貼在物料上表面，標簽面積為3mm×8mm，需要檢測標簽上的批號信息的有無和字跡是否清晰，采用的固定單攝像機的圖像采集和處理系統，由傳感器觸發，設置延時（根據現場試驗設定），保證攝像機拍攝準確落在標簽位置，采用了LED同步光源，圖像處理采用了圖像增強與濾波、圖像邊界檢測方法。將采集到的每個物料標簽圖像與初始設定的標準圖像進行相似度比較，對于相似度應大于80%給予放行，否則作為異常品處理。經過充分的驗證試驗，試驗中對于良品和異常品（人為挑選）判定準確率達到了100%。

3.2實例2：瓶裝藥品（液體）在線視覺檢測

被檢測物體是封裝在2mL西林瓶中的透明液體，需要檢測各種細小異物，并且要區分開細小異物是在瓶子內部還是在外部，瓶子內部有可見異物按照異常品處理，而瓶子外部的細小異物對于藥品質量沒有任何影響，屬于良品。

此方案中采用了多檢測站位，多組攝像機的圖像采集和處理系統。需要的檢測成像區域的面積為130mm×90mm，因此采用了640mm×480mm的30萬像素相機。在同一站位拍攝24張以上的照片，將這些照片在軟件系統內進行疊加比對分析（實驗證明，提高對細小異物的檢出率，通過提高照片數量的方式優于單純提高攝像機像素的方式）。但是如果相機和光源都是固定不動的，但是瓶子卻在連續運動，反而造成了致命的缺陷，因為在拍照時瓶子的背景在不斷的變化，使得獲取的照片背景無法保持一致，同時瓶子對于相機來說位置也在不斷變化，造成相機的對焦不穩定，而要檢測較小的異物時，攝像機的靈敏度一定會高，此時在進行照片比對時，背景的變化就會被攝像機檢測到，誤判為異物，造成誤剔除。基于上述苛刻情況，必須保證相機一產品一光源的同步性，在執行檢測時，三者始終保持沒有相對位移，只有這樣才能保證照片背景的一致性，也能保證相機對焦的穩定性，最大程度的減少誤判，保證機器檢測的高精度（如圖3所示）。endprint

根據可見異物不同特征對檢測形式分類：“可反射類微粒”檢測、“不可反射微粒”檢測和“液位”檢測。

站位一：不可反射類微粒檢測——針對如黑色異物、金屬、纖毛類能夠吸收光線的異物，檢測前，瓶子高速旋轉后突然停止，LED照明矩陣從背部給瓶子打光，配以白色背景，即可有效辨識異物，見圖4。

站位二：可反射類微粒檢測——針對玻璃、化學纖維、白色異物等不可吸收光線的異物，瓶子高速旋轉后突然停止，LED照明系統從底部和背部給瓶子打光，同時配以黑色背景，即可有效辨識異物。

站位三：偏振光異物檢測（圖5），對于帶氣泡的液體，可以使用偏振光技術來避免氣泡對檢測過程及結果的影響，從而完成對顆粒物和纖毛等的檢測。

以上3個站位組成了對玻璃容器內液體異物及容積的視覺檢測裝置，進過充分的驗證測試，此方案可保證在正常生產條件下，良品檢出率為≥98%，異常品剔除率為100%。

實例2綜合運用了多種視覺檢測方法，軟件中也采用了多種算法（本文中未作詳細表述），體現了視覺檢測技術的高水平的應用。對于探索和發展面向對象和用戶的視覺檢測實用技術很可能是未來視覺技術的發展方向之一。

4視覺檢測系統的管理

高效率、高精度的視覺檢測系統離不開管理，有效的管理是系統安全運行的保障。首先，是技術人才的培養。只有具備較高技術能力的操作員、技術員，掌握了該系統的原理、維護保養技術，才能保證系統的正確使用和維修維護。其次，是良好的運行環境。視覺檢測設備對于環境濕度、灰塵比較敏感，濕度條件較差或是灰塵大的環境均會影響設備的運行，甚至會造成鏡頭和其他部位的損壞。再次，是制定維護保養規程和計劃。嚴格按照規程和計劃執行，視覺設備比較嬌貴，很多外界因素，包括人為因素都會造成設備故障，這就需要經常的保養和維護。最后，建議對視覺檢測系統制定精準度驗證標準和周期。該系統的硬件是由光學原件和電子元器件構成的，可能會突然發生（或是緩慢的發生）異常，導致檢測結果的改變，這一改變有時難以立即被我們發現，造成持續的誤判危害，所以要驗證。我們可以根據所檢測物品的質量特征制定精度標準；根據對系統的風險評估結果制定驗證周期。這對于保證視覺檢測系統的精確性可靠性是重要的。我們通過上面的管理手段，可以保證視覺檢測系統更加可靠持久地為我們服務。

5結論

視覺檢測技術經過三四十年的研究，取得了非常大的發展，但是和人類的視覺功能比起來，當前的視覺識別技術發展水平還差很多，科學研究工作還要解決一個又一個難點來提升視覺技術水平。我們也要不斷優化視覺檢測系統的檢測方法，不斷提升視覺檢測技術的管理，讓這一技術更好地發展，更好地為人類服務。endprint