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摘 要（Abstract) 本文概述了机器视觉的市场前景，比较了PC式视觉系统与嵌入式视觉系统在检测速度、测量精度等指标上的优劣，并重点介绍了基于PC的机器视觉系统的设计方法，包括光源、镜头、摄像机、图像采集卡等的选用以及视觉软件的设计方法。文章还列举了几个基于PC的机器视觉的成功应用案例。 Abstract: As world’s manufacturing is shifting to China “World Factory” quality production to meet global standards is expected. To assure high quality automated inspection with machine vision plays a very important role. This paper depicts the design methodology of the dominant PC-Based machine vision systems in the market. A comparison between the two major machine vision systems namely PC-based and Embedded machine vision systems is made based on criteria such as processing speed measurement precision and robustness etc. A couple of successful application case study of PC-based machine vision is also presented in the paper. 关键词(Keywords) 机器视觉 视觉软件开发包 中国机器视觉 machine vision vision SDK (software development kit) 1 引言 机器视觉是利用光电成像系统采集被控目标的图像，经计算机或专用的图像处理模块进行数字处理，根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，进行尺寸、形状、颜色等的识别。这样，就把计算机的快速性、可重复性，与人眼视觉的高度智能化和抽象能力相结合，大大提高了生产的柔性和自动化程度。 对于机器视觉的研究应用，日本、德国和美国等发达国家早在上世纪六十年代就开始了。到上世纪九十年代，随着光电子技术和计算机技术的发展，机器视觉已取得了广泛的应用，其市场潜力十分巨大。在1984年，西欧的工业视觉系统的销售总额达到589万美元，到1989达到近4320万美元。而在美国，1984年的视觉系统销售总额达到6000万美元，到1994元近12亿美元。在日本，2000年机器视觉市场为300～400亿日元。另据“视觉系统国际公司”的一份市场调研报告显示：1999－2004 年北美的机器视觉市场规模从16.8亿美元增长到19亿美元（年增长率为12.4%）。从上述数据可以看出机器视觉技术发展之快，市场之大。国内的机器视觉发展较发达国家晚，目前尚属概念导入期，但其市场潜力不可忽视。由于中国正成为“世界工厂”，与制造活动密切相关的机器视觉技术正逐步被商家认可和接受。而且在中国，机器视觉行业还是刚刚起步，相对其它行业来说竞争还不是很激烈。所以，谁占了市场先机谁就赢得了主动权。相信再过几年，中国将会成为全球继北美、欧洲与日本后的第4大机器视觉市场。 2 两类视觉系统的比较 从组成结构来分类，典型的机器视觉系统可分为两大类：PC式或称板卡式机器视觉系统（PC－Based Vision System），以及嵌入式机器视觉系统，亦称“智能相机”（Smart Camera）或“视觉传感器”（Vision Sensor）。PC式视觉系统是一种基于个人计算机（PC）的视觉系统，一般由光源、光学镜头、CCD或CMOS相机、图像采集卡、图像处理软件以及一台PC机构成。基于PC的机器视觉应用系统尺寸较大、结构复杂，开发周期较长，但可达到理想的精度及速度，能实现较为复杂的系统功能。另一类是嵌入式视觉系统，嵌入式视觉系统具有易学、易用、易维护、易安装等特点，可在短期内构建起可靠而有效的机器视觉系统，从而极大的提高了应用系统的开发速度。表一列出了两类视觉系统在检测速度、测量精度等指标上的优劣对比。 PC式视觉系统 嵌入式视觉系统业界人士指出，目前在中国使用简便的智能视觉传感器占了机器视觉系统市场60%左右的市场份额。由PC式视觉系统在整体成本、灵活性、用户化界面、速度以及精度等方面的优势，笔者认为接下来的2～5年，在中国市场上PC式视觉系统将与嵌入式视觉系统平分秋色。 3 PC式视觉系统的设计 3.1光源、镜头、CCD和图像采集卡的选用 光源、镜头、CCD和图像采集卡作为视觉系统成像部分[2]，正确的选用是后续处理的必要条件，成像的质量直接影响到视觉软件处理和分析部分，*终影响机器视觉系统工作的准确性。业内有句名言“Garbage in，Garbage out”，即如果输入的图像是一幅不理想的图，则输出的分析结果也好不到哪里去，因为软件的处理并不能将一幅低质量的图像变得更好，所以，成像的质量是视觉系统的首要前提。为了获取理想的图像，必须有效地选取成像系统部件，如光源、镜头、摄像头以及图像采集卡。根据笔者的大量实践，成像的好坏往往决定了一套视觉应用系统的成败。 有时候就是因为选用了价格过于低廉的产品，忽视了一些关键技术指标，使得系统集成走了太多的弯路。 视觉系统是一个复杂而又敏感的系统，应用机器视觉技术解决实际问题时，应尽量使系统的输入部分受外界的影响以及硬件调节的限制减至*小，这就得选择专业适用的成像设备，以获得质量较佳的图像。 3.2应用软件的设计 作为PC式机器视觉系统的重要组成部分，视觉软件主要通过对图像的分析、处理和识别，实现对特定目标特征的处理。专业的视觉软件能实现图像中目标的高精度定位，从而提高了系统的精度。由于开发一款功能强大的视觉底层软件，需要有专业的开发人员，而且还需要有足够长的开发周期。所以，作为一个系统集成商来说，开发视觉项目，从商业的角度来看，笔者认为其工作重心应放在应用层面的开发上，不应混淆底层开发和应用层开发的区别。也就是说，根据项目的要求，合理选择一款合适的商用视觉软件包，在*短的时间内，完成所承接的项目，创造*快的效益。 虽然从表面上看，自行开发底层视觉软件能节约成本，但由于开发视觉底层软件需要周期长，而且自行开发的软件在性能上，难于达到由专业人员所开发的效果，以至于开发出来的视觉系统不能满足预期的技术指标，*终难以使视觉产品走上商品化。所以，从综合成本考虑，建议系统集成商在从事视觉项目时，选择一款专业的视觉软件。 市面上合用的商业视觉软件包也有许多，性能、价格等相差较大。选择一款适合项目需要的机器视觉二次开发包时，应从视觉软件能达到的精度、速度、鲁棒性 、硬件的要求（是否与图像采集卡相配）、编程的难易程度和价格等方面来综合考虑。 通常开发一套PC-Based视觉应用软件系统可分为以下几个步骤： * 首先在PC机上安装Windows XP（推荐），VB或VC++一个图像采集卡和一套视觉软件（SDK或称二次开发包）； * 然后运行视觉软件包中的自动标定工具对像机进行标定； * 标定完成以后，调用软件包中的自动试教模板编辑器生成对象模板，再对目标进行定位，实现视觉定位功能； * 如果项目需要测量或检测时，可以加上基于模板的测量或检测工具； * 在软件与外部设备的通讯方面，视觉软件包一般都提供了丰富的接口资源，只要写几行VB/VC++代码，就能将控制与视觉软件包连接上，这样就打通了与外部设备（如I/O卡等）的通讯功能。 4 采用PC式视觉系统的成熟案例分析 近几十年来，由于视觉系统的非接触、速度快、精度合适等突出的优点，机器视觉技术得到了广泛的应用，取得了巨大的经济与社会效益。现结合笔者的实践，介绍三个典型的PC式视觉系统的案例。 4.1 客户定制的非接触式、高精度视觉测量系统 该项目是利用机器视觉技术，对某OEM客户生产的硬盘驱动架上*前端的小孔进行高精度尺寸测量[3]。传统的测量手段，如卡尺、量规和万能工具显微镜等传统的工具采用的是接触性方式，往往对工件表面造成损坏，所以开发一款非接触式的视觉系统以解决高精度测量问题非常必要。 在这个项目中，我们要测量的对象为硬盘驱动架*前端的小孔。该驱动架为三指片，所以要对上下两个Φ0.1084±0.0001 in 的小孔进行测量。其技术要求要达到重复精度为1～2微米，重复性指标GRnR应不大于10％，与CMM（三坐标测量机）的相关性要达到80%。 为了能提高测量的效率，采用了双通道双摄像头实现了异步测量硬盘驱动架上下两尾孔。该项目的台架和气动夹具设计是经过了大量的实验而*终确定的。我们所采用的开发包是国产创科CKVision视觉开发包，其精度能达到1/40亚象素的位置重复精度和0.01度旋转重复精度。在该项目中，首先是选一个标准的图作为模板，模板选取以后，采用CKVision卡尺工具，在模板上逐个做八个卡尺，为每个卡尺输入小孔的直径数据。然后用已做好的标准模板，在要测的对象中进行定位和测量，实现典型的视觉测量。其结果与CMM做了相关性测试，重复性GRnR<8%，相关性达到90%以上，结果完全达到了客户的要求。该视觉系统成功地实现了对小孔高精度、非接触式的测量目的。且该系统原理简单，操作方便，用户界面友好，普通技术人员很快就能掌握并操作。 4.2 带视觉功能的COG（Chip On Glass）预压对位机 随着电子制造业的飞速发展，传统的电子封装设备已不能满足现有的要求。由于传统的技术采用的是机械式定位，其定位速度慢、精度不高等缺点，严重影响电子行业的发展。现采用视觉定位系统，使得这些设备更灵活、更自主地适应所处的环境，以满足柔性生产，提高了生产效率。图2为一台带视觉功能的COG装置，本装置能实现将IC对位预压在LCD或FPC（软性线路板）上，该系统的视觉部分采用了CKVision的几何特征定位器（FindModel），定位精度到 0.005mm，定位速度在500ms以内，该定位器在光线变化、图像覆盖、背景凌乱、对比度突变等条件下均能获得十分稳定的效果，且对于对象相对于模板的缩放比例（Scale）和旋转（Rotation）均能准确快速地识别。 4.3 全自动视觉定位商标切割机 随着纺织刺绣、商标业不断的发展，其技术要求越来越高，传统的定位方式已难以胜任切割精度高、速度快的要求。为了解决纺织刺绣、商标等商品切割的实际问题，在原有切割机的基础上，安装一套视觉系统，并结合目前***的DSP 技术，完成全自动视觉定位切割功能。图3为一款全自动视觉定位商标切割机，其切割速度能达到40，000mm/min定位精度能达到<0.01mm。该机也是采用了PC式的视觉系统，与运动控制有机集成在一起。在该系统内，视觉软件包的运算速度以及坐标定位的亚象素（sub-pixel）技术是该机达到上述性能指标的重要保证，同时CKVision还能输出匹配实例相对于标准模板的缩放比例（Scale），这点对于布匹切割的实时补偿尤为关键。 5 总结 上面几个视觉系统已经在工厂内投入运行，至今一直运行良好，稳定。从上述对几个案例分析来看，我们不难发现，作为一个系统集成商，开发一款PC式的视觉系统，*佳捷径首先还是选择一款专业的视觉软件包，这样可以提高产品的整体性能和缩短项目开发周期。