機(jī)器視覺滿足計(jì)量學(xué)

在生產(chǎn)環(huán)境中使用機(jī)器視覺進(jìn)行高分辨率測量的技術(shù)。

機(jī)器視覺在工業(yè)制造和熟悉的技術(shù)，并應(yīng)用于任務(wù)不斷增長的范圍從簡單的代碼閱讀和裝配驗(yàn)證機(jī)器人的指導(dǎo)和三維造型。用于測量和計(jì)量學(xué)的機(jī)器視覺應(yīng)用是不是新的，但技術(shù)的進(jìn)步使更高的精度和更精確的測量可能會(huì)取得比前幾年甚至。即使隨著技術(shù)的提高，重要的是要考慮一些基本的技術(shù)成功地整合機(jī)器視覺的計(jì)量，并知道如何避免一些可能會(huì)影響測量應(yīng)用的結(jié)果的問題。

這篇文章只專注于生產(chǎn)系統(tǒng)的技術(shù)，也就是說，檢查系統(tǒng)設(shè)計(jì)來執(zhí)行100%個(gè)自動(dòng)化測量的生產(chǎn)線。有許多基于攝像頭的，非接觸式計(jì)量裝置設(shè)計(jì)用于實(shí)驗(yàn)室或離線使用，這些都是高度推薦的環(huán)境。然而，這些系統(tǒng)都超出了本討論的范圍。

 

了解應(yīng)用計(jì)量學(xué)概念

這個(gè)詞經(jīng)常是互換使用的計(jì)量和測量，他們確實(shí)有著密切的聯(lián)系。事實(shí)上，計(jì)量學(xué)是測量學(xué)的科學(xué)。當(dāng)我們談?wù)撛诠I(yè)過程中的計(jì)量時(shí)，它是指應(yīng)用計(jì)量學(xué)或工業(yè)計(jì)量學(xué)：在制造業(yè)中的計(jì)量學(xué)的應(yīng)用。當(dāng)我們考慮在這個(gè)意義上的計(jì)量，讓我們回顧一下測量和計(jì)量學(xué)中使用的一些概念。

術(shù)語的精度和精度在測量系統(tǒng)的規(guī)范和資格中使用。精度是重復(fù)某一測量的能力，而準(zhǔn)確度是一個(gè)測量與一個(gè)真實(shí)或已知值一致的方法。這是非常重要的是要明白，準(zhǔn)確性不提供一個(gè)非常有用的指標(biāo)，在確定的質(zhì)量的計(jì)量裝置的背景下，工廠地板。在指定和合格的生產(chǎn)機(jī)器視覺解決方案，那么，精度是最重要的，并在特定的，測量的不確定性或偏差。術(shù)語的不確定性和偏差是指通過重復(fù)測量（或精度）的測量系統(tǒng)所表現(xiàn)出的變化量的量。要明確的是，上線的計(jì)量系統(tǒng)的目標(biāo)將是產(chǎn)生一個(gè)特定的測量與一個(gè)可靠的和可重復(fù)的水平，以滿足應(yīng)用程序的要求。

例如，一個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)可能報(bào)告一個(gè)特定的部分的直徑為20.4毫米（毫米），與許多重復(fù)的0.05毫米（即，沒有測量相同的部分偏離從0.05毫米超過20.4毫米）的不確定性。當(dāng)然，任何應(yīng)用程序所接受的不確定性的實(shí)際金額取決于應(yīng)用程序規(guī)范。

此外，不要自動(dòng)使用加工規(guī)格的檢驗(yàn)規(guī)范。如果一部分必須被制造為24毫米至0.01毫米的長度，那么檢查長度的可接受的不確定度是多少？如果檢測不確定度指定為0.01，一個(gè)良好的加工部分可以是24.01毫米的長度，但該測量系統(tǒng)將失敗，它在統(tǒng)計(jì)上顯著的次數(shù)，因?yàn)樵谶@個(gè)例子中，24.01毫米的測量可以報(bào)告在24和24.02毫米之間。要確定目標(biāo)的測量標(biāo)準(zhǔn)，與質(zhì)量團(tuán)隊(duì)協(xié)商，并根據(jù)應(yīng)用程序的需要事先確定允許的檢查不確定度。

 

使用正確的圖像分辨率

在機(jī)器視覺測量中提供高精度和低的不確定性的一個(gè)決定因素是所獲得的圖像的分辨率。在這種情況下，長期分辨率（或圖像分辨率）意味著在現(xiàn)實(shí)世界中的單位的單個(gè)像素的大小。簡單地說，如果一個(gè)相機(jī)傳感器包含在水平方向上的1000個(gè)像素，和光學(xué)結(jié)合，獲得了一個(gè)圖像，是1英寸的寬度，一個(gè)單一的像素將代表0.001英寸。請注意，這是一個(gè)基本指標(biāo)，不改變相機(jī)制造商或分析軟件。作為一個(gè)量具，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中的最小的測量單位（一些例外）是單像素的。與任何測量系統(tǒng)，為了使一個(gè)可重復(fù)的和可靠的測量，必須使用一個(gè)計(jì)，其中最小的測量單元（作為一個(gè)一般的經(jīng)驗(yàn)法則）是十分之一的所需的測量公差帶。在剛剛描述的例子中，該系統(tǒng)可以估計(jì)提供一個(gè)精確的測量約為0.005英寸（一個(gè)公差帶的0.01英寸，十倍計(jì)單元）。

工程師首先使用機(jī)器視覺測量往往嚴(yán)重低估所需的像素?cái)?shù)量，以達(dá)到所需水平的測量精度的不確定性。事實(shí)上，它可能需要多個(gè)攝像機(jī)，專業(yè)相機(jī)如線掃描成像，或多個(gè)視圖的一部分來實(shí)現(xiàn)指定的檢查公差要求的分辨率。

 

如果可能的話，擴(kuò)大決議

有時(shí)，我們可以在一個(gè)成像系統(tǒng)中的額外的分辨率的數(shù)學(xué)使用算法，報(bào)告功能的子像素的可重復(fù)性。一些例子將是灰度邊緣分析，幾何或相關(guān)搜索，回歸，如圓或線擬合，并在某些情況下的連接。如果一個(gè)可以考慮到子像素的結(jié)果，通過使用這些工具，那么最小的測量單元可以是小于一個(gè)單一的像素，如前面所述。請注意，提供的供應(yīng)商提供的亞像素級的能力是唯一的，通常是最好的情況下成像，光學(xué)和部分演示。照顧使用任意子像素的期望作為一個(gè)確定的因素，指定系統(tǒng)的測量能力。測試系統(tǒng)與實(shí)際的零件和圖像，以經(jīng)驗(yàn)確定的子像素的能力。

 

使用高分辨率光學(xué)

成像是一個(gè)光學(xué)和照明的功能（和我們將討論后，部分介紹）。對于大多數(shù)應(yīng)用程序，唯一的光學(xué)使用的將是一個(gè)鏡頭組件，但該鏡頭的選擇是關(guān)鍵的計(jì)量應(yīng)用。除了提供適當(dāng)?shù)默F(xiàn)實(shí)世界大小的傳感器的圖像，用于計(jì)量的鏡頭必須準(zhǔn)確地再現(xiàn)圖像，盡可能不失真。此外，鏡頭的分辨率指標(biāo)為好，這往往被指定為線對每毫米或英寸（lp/mm，LP /），甚至可能有一個(gè)規(guī)范的MTF（調(diào)制傳遞函數(shù)）或者更簡單的鏡頭在高lp/mm產(chǎn)生高對比度的能力。像素?cái)?shù)越高，這些鏡頭的指標(biāo)變得越來越重要。確保指定的光學(xué)產(chǎn)品是高質(zhì)量的，高分辨率的產(chǎn)品，為機(jī)器視覺應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

遠(yuǎn)心鏡頭是在許多情況下，測量的應(yīng)用非常有用。遠(yuǎn)心鏡頭組合使用光學(xué)幾乎消除圖像中的視差引起所有的扭曲。其結(jié)果是一個(gè)圖像，是平行的傳感器，主要是所有的圖像。平面幾何關(guān)系（在圖像平面）是完全保存，使測量更直接和簡單的。一如既往地，測試規(guī)范前的成像。

對于需要一個(gè)非常小的視場（例如小于幾毫米）的應(yīng)用程序，考慮使用顯微鏡光學(xué)顯微鏡和/或高放大倍率的光學(xué)機(jī)器視覺專門。這些都是從一些供應(yīng)商提供。這是不推薦的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)被推到更高的放大倍率使用填充劑或附加放大。

 

最佳照明實(shí)驗(yàn)

照明是重要的任何機(jī)器視覺應(yīng)用，和計(jì)量，照明的選擇可能發(fā)揮更重要的作用。和大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用，不幸的是沒有具體的規(guī)則，可以應(yīng)用到照明。許多計(jì)量應(yīng)用受益于背光（以部分介紹護(hù)理如下），雖然背光在自動(dòng)化生產(chǎn)線的物理實(shí)現(xiàn)的可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。前照明可能存在的困難，突出的特征邊緣，必須確定的測量?？紤]低角度或結(jié)構(gòu)照明的使用，以產(chǎn)生低對比度的功能。當(dāng)試圖測量的特征是非常小的（如分辨率低于0.001毫米的例子）使用長波長的顏色，如藍(lán)色或紫色，以提高對比度。如果是在運(yùn)動(dòng)（或即使不考慮），閃爍的LED照明的最佳強(qiáng)度和燈的壽命。

在所有情況下，成功的機(jī)器視覺照明需要實(shí)驗(yàn)，無論是在實(shí)驗(yàn)室和地板上，以確保正確的組件選擇。

照明是重要的任何機(jī)器視覺應(yīng)用，和計(jì)量，照明的選擇可能發(fā)揮更重要的作用。和大多數(shù)機(jī)器視覺應(yīng)用，不幸的是沒有具體的規(guī)則，可以應(yīng)用到照明。許多計(jì)量應(yīng)用受益于背光（以部分介紹護(hù)理如下），雖然背光在自動(dòng)化生產(chǎn)線的物理實(shí)現(xiàn)的可能是一個(gè)挑戰(zhàn)。前照明可能存在的困難，突出的特征邊緣，必須確定的測量?？紤]低角度或結(jié)構(gòu)照明的使用，以產(chǎn)生低對比度的功能。當(dāng)試圖測量的特征是非常小的（如分辨率低于0.001毫米的例子）使用長波長的顏色，如藍(lán)色或紫色，以提高對比度。如果是在運(yùn)動(dòng)（或即使不考慮），閃爍的LED照明的最佳強(qiáng)度和燈的壽命。

在所有情況下，成功的機(jī)器視覺照明需要實(shí)驗(yàn)，無論是在實(shí)驗(yàn)室和地板上，以確保正確的組件選擇。

 

密切關(guān)注部分介紹

最后，最容易被忽略的問題，在高分辨率，通過網(wǎng)上申請的低偏置機(jī)器視覺測量的是部分表現(xiàn)的不可重復(fù)性。成像，光學(xué)，分辨率和算法可能都是完美的在離線設(shè)置，但在在線檢查的可重復(fù)性和可靠性是一個(gè)災(zāi)難。通常情況下，它是不一致的部分演示。有時(shí)部分演示甚至可以使一個(gè)特定的測量不可能實(shí)現(xiàn)。例如，前面所描述的小而深的孔。當(dāng)該孔的表面垂直于透鏡時(shí)，圖像直接取下孔的深度，可以成功地測量。然而，如果部分傾斜，哪怕是輕微的，一個(gè)洞一樣，可以明顯地變成一個(gè)橢圓，或被完全如果背光。隨著非接觸測量首先必須減輕部分表示所有可能的變化成像，然后明白，在任何情況下部分表示將負(fù)責(zé)一些堆起來的測量誤差。確定和指定分辨率，光學(xué)和照明時(shí)，考慮到。

這幾個(gè)技巧和技術(shù)只是一個(gè)整體實(shí)施和集成計(jì)劃的一小部分，在生產(chǎn)計(jì)量使用機(jī)器視覺。在任何檢查應(yīng)用程序中肯定有許多其他的考慮。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，總是進(jìn)行一個(gè)完整的應(yīng)用程序分析和項(xiàng)目規(guī)范，當(dāng)在疑問尋求供應(yīng)商和其他機(jī)器視覺專業(yè)人員的建議。

 

技術(shù)提示

獲得的圖像的分辨率是提供高精度和低的機(jī)器視覺測量的不確定性的一個(gè)決定性因素。

當(dāng)確定和指定分辨率，光學(xué)和照明的一部分介紹到考慮。

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，總是進(jìn)行一個(gè)完整的應(yīng)用程序分析和項(xiàng)目規(guī)范。