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技术论坛
机器视觉系统解决方案
文 / Clark Tsai
何谓机器视觉
机器视觉是以利用摄影机,或者各种影像感测器所取得的影像资讯为基础,透过影像处理的技术与演算法,分析影像中所需资讯的方法。随着科技日新月异的发展,渐渐改良传统以人力使用光学仪器或者肉眼进行检测的缺点,应用层面包括高科技产业之研发、制造品管,以至国防、民生、医疗、环保、电力…等领域。与人工视觉相比,其优势在于精确、快速、可靠,且可以数位化。在一般民生用途上有防窃盗或者门禁管制的智慧型监视系统、数位相机的人脸定位与笑脸侦测拍照、车牌辨识…等;而在工业上的应用则以各种产品的瑕疵检测与测量为大宗,大量应用于工厂自动化中。不仅可以提高生产效率,控管产品品质,也可进行各种资料的搜集以及分类。
机器视觉的步骤
机器视觉由取像、分析,到结果的输出可分为「影像撷取」、「影像处理」、「影像分析」三个步骤。三个步骤相辅相成,缺一不可。

影像撷取
影像撷取是一种将目标物的可视特征,转化为电子讯号,最后成为影像资讯的一个过程。适当的影像撷取,可以保证所取得的影像资讯之品质以及可用性,也会直接的影响到后续影像处理以及影像分析的难度和结果的可靠度。而在一个机器视觉系统的影像撷取部分,必须至少包含以下装置才能得到理想的影像品质:一、摄影机,二、光学镜头,三、光源。

眼睛是灵魂之窗,而摄影机则是机器视觉系统的眼睛。整个机器视觉系统的好坏,很大的一部份取决于摄影机是否合适。一般而言,摄影机依照感光元件的制程种类,可分为目前最大宗的CCD(Charge Coupled Device,感光耦合元件)以及CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,互补性氧化金属半导体)。

选择摄影机时,我们首先会关心的是摄影机的取像是黑白或者彩色,再来是摄影机的解析度,以及取像速度。在某些应用案例上,彩色取像可让影像整体的资讯更丰富。而我们也常常可以观察到,某些检测目标的影像,在特定的色彩通道下比起单纯的黑白取像更容易分析。

解析度的选择则会因实际应用而不同,较高的解析度有助于观察到较微小的目标物瑕疵。解析度是由CCD或者CMOS感光元件上的感光单元数量决定,感光单元的数量愈多,摄影机的解析度也愈高。

取像速度(frame rate)也是视需求而不同,通常人眼所能感受到的「即时影像」为30FPS(每秒30张),但是有时候也会需要使用较高的取像速度,来配合工厂中快速的生产线进行检测。

摄影机的特性相当广泛,没有一台摄影机可以符合所有的应用,在合理的价格下选择可以取得最佳,最稳定影像资讯的摄影机,是整个机器视觉系统的关键。

泓格科技提供两种摄影机的解决方案让使用者选择,可以做高解析度取像(1280*960)的彩色摄影机Sparrow IMS-130,以及可以做高速摄影(100FPS)的MAVIS IM-100都可以帮助使用者开发机器视觉系统。

一如肉眼需要靠角膜、水晶体等器官才能看到影像,单纯只靠光学摄影机是无法聚焦并且取得清晰的影像的,因此我们需要一个光学镜头来帮助摄影机进行对焦。光学镜头的特性包含FOV(field of view视野范围)、WD(working distance工作距离)与DOF(depth of field景深范围)。光学镜头的选择同样需要在价格以及应用环境下做详细的评估。

一般日常生活中使用的日光灯、白热灯泡等光源会受到交流电等等的因素影响,产生​​人眼无法分辨的亮度跳动。但是摄影机取像时对于此种亮度的跳动却极为敏感,而有时过于集中的光源也会让目标物的影像亮度分布不均,造成后续处理的困难。因此建立稳定且合适的光源环境,无论是利用平行同轴光、环型光,或者是背光都要因应目标物的种类​​与特性去做调整与变化。

影像处理
摄影机或者其他光学感测器通常只具备影像的纪录功能,因此所撷取到的影像资讯,不能马上进行分析处理,也没办法告诉使用者真正需要的资讯。因此在取得影像资讯之后,系统都会对影像进行某些处理将影像资讯去芜存菁。

一些基本的影像处理包含最基本的影像通道转换、二值化处理、直方图等化……等等。可以让使用者由影像的色彩或者亮度资讯,来过滤或者强化影像中特定的部分。比如说二值化处理就有助于分析出影像中较亮的区域,而直方图等化则能使影像中较暗的部分更加明显。

通常摄影机取像的时候都会带有程度不等的杂讯,这时我们可以使用各种滤波器来消除影像上的杂讯。各种滤波器所适用的杂讯种类各有不同,比如说「中值滤波器」可以很有效的消除胡椒盐杂讯(随机产生的黑、白点)。但是滤波器的使用也通常伴随着影像的模糊化,有可能会使影像上某些细节在滤波的同时消失。因此在选用滤波器过滤杂讯的同时,也必须要注意是否会影响到影像资讯的重点细节。

许多的影像处理演算法方法都可以相互搭配,帮助使用者解决问题,比如结合适当的二值化、形态学运算以及边缘检测,就可以帮助使用者定位物体于影像上的位置。一般而言,没有一种影像处理的方法可以解决所有的问题,只有不断的尝试错误,才能找到较适合解决某些问题的方法,而通常这些方法都是很多不同的影像处理演算法的搭配应用。

影像分析
经过处理的影像,虽然已经经过了去芜存菁的步骤,但仍需要经过影像分析的过程,才能取得使用者真正需要的资讯。无论是单纯的统计分析、样版比对、分类学习,或者是结合了多个运算步骤以及资料库运算的主成分分析(PCA)……等等,许多的数学方法都可以应用在影像分析的步骤上,帮助使用者最终能获得有用的资讯。

泓格科技所开发的EzCheck Vision Library包含多种常用的影像处理以及分析功能,诸如各种的二值化、滤波器、形态学运算、连通区域分析……等,也会提供Blob Analysis(区块分析) 、OCR(光学文字辨识)与Template Matching(样板比对)功能,让使用者可以用简单易懂且快速的方式开发自己的机器视觉系统。

ICP DAS EzCheck Vision Library目前支援的功能有以下大项


应用案例

治疗上时常会使用各种针剂,透过针筒注射的方式来进行治疗,减缓疾病所造成的痛苦。当我们在使用这些针剂的时候,通常不会去注意其中是否有异物或者杂质,而这些不该出现在人体内的东西,就有可能透过针头进入我们的血液中造成无法预料的影响。因此这些针剂在出厂的时候,都需要经过严格的把关,确保其中不会有可能危害人体的杂质异物;另外也必须确保每瓶针剂的剂量都相当,避免让投药的剂量有误差。

在一般的制程上会利用人工的方式,以肉眼检查每一个出厂的针剂瓶,速度较慢,且会因为人工疲劳导致高误判率的状况发生。有些厂商会购买国外的检测系统来进行检测,但通常这些系统的成本都相当昂贵。因此,部分厂商会转为寻求更经济的解决方案。

由泓格科技提供的「针剂杂质检测系统」的解决方案,以百万画素的Sparrow IMS-130摄影机拍摄针剂瓶的各个方向取得高解析度的影像,再配合以EzCheck Vision Library开发的「EzDetect针剂杂质检测软体」,以影像处理、分析的方式检查其中是否有杂质存在。


完整的解决方案包含三台Sparrow IMS-130、光源与光源控制器,Vision Box工业电脑以及由泓格科技自行研发的「EzDetect针剂杂质检测软体」。其中两台摄影机各别拍摄针剂瓶不同方向的侧面,用来检测飘浮于液体中较轻的悬浮杂质。同时也藉由液体表面定位的方式,监控各支针剂的剂量是否过多或过少;另一台摄影机从瓶子的底部进行拍摄,用来检测沉淀于瓶子底部的沉淀杂质。

在高解析度的Sparrow IMS-130摄影机支援下,微小如μm等级的细小杂质都能被拍摄,并且检测出来。透过1394b的传输介面Sparrow IMS-130更能以15FPS的取像速度拍摄百万画素的彩色影像进行后续的处理与分析。使用者可透过EzDetect杂质检测软体控制Sparrow IMS-130进行取像,并于使用者介面上进行各项检测参数的设定,以及检测结果的浏览。
泓格视觉检测产品解决方案
泓格科技提供各种开发视觉检测系统所需要的软硬体,从检测主机VISION BOX,到工业级高解析度彩色摄影机Sparrow IMS-130、工业级高速摄影机MAVIS IM-100、连接摄影机需要的1394介面卡,以及可加速检测软体开发的EzCheck Vision Library,使用者可在此得到视觉检测系统完整的解决方案。
结语
机器视觉系统在各个领域都已经逐渐得到广泛的认可,甚至可以说是不可或缺的一环,同时也是时代的趋势。而泓格早在几年前便已投入在此领域的产品开发,所提供的产品解决方案已深获客户的信赖,也成功应用在很多领域上,往后也会因这样的趋势来发展更完整的解决方案,并以更高品质的视觉检测产品要求来提供给泓格的客户,使机器视觉系统的应用能更蓬勃的发展。

 

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