淺談視覺測量在計量檢測中的發展和應用

天津市計量監督檢測科學研究院電子儀表實驗所□姬 偉

天 津 理 工 大 學 中 環 信 息 學 院□王亞麗

1 引言

在當今自動化生產中，一些不斷發展進步中的大、中、小型企業越來越注重對產品及工件的快速高效的測量，涉及到各種檢查、測量和零件識別等。視覺測量除了能夠幫助企業提高產品檢測的效率，還能夠實現更科學的自動化檢測鏈。這里我們再談視覺檢測技術，它是一種基于計算機視覺研究的檢測技術，與計算機視覺測量研究不同，視覺檢測更著重于物體幾何形狀的測量和位置測量。例如三維尺寸的檢測等，其更多的可以應用于計量檢測領域。因此將視覺測量應用于計量檢測，可以解決機械動態參數的檢測與溯源的問題，以新興的檢測方式來保證機械設備中動態參數的準確性。

2 關于視覺測量的認識

從計算機視覺概念和方法出發，將計算機視覺應用于空間幾何尺寸的精確測量和定位，從而產生一種新的計算機視覺應用概念，即視覺測量。

現代工業自動化生產中涉及到各種各樣的檢驗、生產監視和零件識別應用，如汽車零配件批量加工的尺寸檢查和自動裝配的完整性檢查、電子裝配線的元件自動定位、IC上的字符識別等。通常這種帶有高度重復性和智能性的工作是由肉眼來完成的，但在某些特殊情況下，如對微小尺寸的精確快速測量、形狀匹配以及顏色辨識等，依靠肉眼根本無法連續穩定地進行，其他物理量傳感器也難以勝任。我們開始考慮用CCD照相機抓取圖像后送入計算機或專用的圖像處理模塊，通過數字化處理，根據像素分布和亮度、顏色等信息來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。這種方法是把計算機處理的快速性、可重復性與肉眼視覺的高度智能化和抽象能力相結合，由此產生了機器視覺測試技術的概念。

3 視覺測量與視覺檢測的區別

視覺測量與視覺檢測都屬于非接觸式測量，其共同點是在不接觸被測物體的前提下進行精準測量；不同點在于視覺測量多用于制造廠對大批量及特殊產品的非接觸式快速測量和檢查，而預開發的視覺檢測系統則是為了解決計量器具的動態幾何量的角度、位移、速度及加速度的檢測問題，其檢測精度高于前者，其檢測原理更符合計量器具的檢測特性。

4 視覺檢測的市場前景分析及經濟效益

近幾年來，隨著技術的發展，中國計算機視覺行業發展迅速，尤其是2016年下半年，1:N人臉識別、視頻結構化等計算機視覺相關技術在安防領域的實戰場景中突破工業化紅線，敲響了計算機視覺行業市場大規模爆發的前奏。2017年下半年，數家計算機視覺公司單筆融資上億美元，再次將計算機視覺推向人工智能領域最受關注的方向。

根據前瞻產業研究院發布的《2017~2022年中國機器視覺產業發展前景與投資預測分析報告》對多個權威機構的數據匯總，目前全球機器視覺市場規模在45-70億美元之間：2016年全球機器視覺市場規模約為62億美元，2002年~2016年市場年均復合增長率為12%左右；而根據Automated Imaging Association發布的統計數據，2015年全球機器視覺系統及部件市場規模是42億美元，2016年這一數字約為46億美元，預計2017年，全球機器視覺系統及部件市場規模將達到50億美元。

近日，艾瑞咨詢發布了《2017年計算機視覺行業研究報告》 （以下簡稱“研究報告”）。研究報告認為，計算機視覺行業在醫療影像、工業制造、批發零售等現階段的創新領域將逐步解鎖，將成為行業整體快速發展的重要支撐。

從2017年全球機器視覺應用分布來看，目前國外機器視覺的應用普及主要體現在半導體及電子行業，其中大概40%~50%都集中在半導體行業。另外，機器視覺系統還在質量檢測的各個方面得到了廣泛應用，并且其產品在應用中占據著舉足輕重的地位。

從地區分布來看，機器視覺發展早期，主要集中在歐美和日本，隨著全球制造中心向中國轉移，中國機器視覺市場正在繼北美、歐洲和日本之后，成為國際機器視覺廠商的重要目標市場。目前機器視覺在發達國家早已發展成熟，行業進入穩定增長期。

以上數據證明視覺測量在生產鏈中的應用和發展前景非?？捎^。同樣，如果將視覺檢測系統用于檢測/校準領域，不管是創新技術領域，還是經濟收益都是值得期待的。視覺檢測技術可以作為標準器對計量器具進行檢測校準開展檢測活動，另外該系統還可以作為產品銷售給有需求的檢測機構或企業。據統計，天津目前注冊的檢測機構約326所，如每所機構有兩項檢測任務，每年的檢測量就將近700余項。這僅是保守估計的檢測任務，如果能夠銷售該系統到各檢測機構和企業，那么收益將極為可觀。

綜上所述，計量級視覺檢測系統能夠抓住機遇、開拓市場，不管在技術創新領域、經濟效益方面還是在社會影響力方面都會有巨大的收獲。

5 開展視覺檢測的重要意義

開展視覺檢測可解決企業大、中、小型機械設備動態參數測量的困難。隨著我國計量能力的不斷提高，精密測試項目也在不斷發展。近幾年測試領域中客戶對儀器的動態檢測要求越來越多，而利用我國現有的計量設備無法滿足檢測要求。比如設備運動中的角度、位移、速度和加速度的檢測都無法實現。因此，我們開始關注動態測量的相關信息。據了解，目前在全國沒有能進行動態測量的檢測機構，即使有對動態測量的產品（視覺測量設備），也都用于企業產品的大批量快速檢查。這類視覺測量系統僅適用于生產線對產品的優劣性的辨別，并不適用于計量檢測機構的長度、角度和距離的精密測試。

綜上所述，我們將視覺測量與計量檢測相結合，就是計量視覺檢測系統。目的是將視覺測量技術中融入計量檢測概念，以滿足計量設備在運動中的角度、位移、速度和加速度的檢測要求，使其可以在動態測量中發揮作用，滿足計量器具的檢測和校準要求，使其可在計量檢測領域有所貢獻，填補計量領域的非接觸式視覺檢測的空白。

6 視覺檢測系統的設計原理

視覺檢測系統的基礎源于視覺測量技術。視覺成像系統主要由相機（CCD/CMOS）、鏡頭和光源組成，是視覺檢測的基礎。成像系統的設計目的就是獲取合格的原始圖像，并且一個好的成像系統要保證系統運行期間圖像質量的穩定，穩定的圖像抓取是視覺檢測穩定性的基本保證。利用CCD采集變焦鏡下計量器具的影像，再配合比例尺、標志點及自動變焦鏡，運用影像分析原理，通過計算機處理影像信號，對計量器具進行精密的幾何數據檢測，并可進行數值的分析，出具檢測結果。

7 視覺檢測系統的市場優勢

使用高分辨率單反相機通過不同角度拍攝多幅二維照片，基于工業近景攝影測量原理，重建測量對象的關鍵點（檢測點）三維坐標，可用于對微、中、大型物體的關鍵點三維快速測量。與傳統三坐標測量機相比，沒有機械行程約束，不受被測物體大小、體積和外形的限制，能夠有效減少累計誤差，提高整體三維物體測量精度，解決微、中型設備檢測問題。

8 結語

視覺檢測系統較大的特色就是非接觸式測量，具備高精度和高速率的特點，非接觸式檢測無磨損，消除接觸檢測中形成的二次損傷隱患。常見的測量應用包含齒輪、接插件、汽車零部件以及機械電氣設備中動態參數檢測等。當然這種新興的檢測方式還不成熟也不夠完善，存在很大的改進空間。只有我們計量檢測人員不斷的創新和探索，才能解決廣大企業檢測的需求和技術難題。因此，正確認識和利用視覺檢測系統能夠使其在計量檢測領域發揮重大作用。