機器視覺滿足計量學

在生產(chǎn)環(huán)境中使用機器視覺進行高分辨率測量的技術。

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

這篇文章只專注于生產(chǎn)系統(tǒng)的技術，也就是說，檢查系統(tǒng)設計來執(zhí)行100%個自動化測量的生產(chǎn)線。有許多基于攝像頭的，非接觸式計量裝置設計用于實驗室或離線使用，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。

 

了解應用計量學概念

這個詞經(jīng)常是互換使用的計量和測量，他們確實有著密切的聯(lián)系。事實上，計量學是測量學的科學。當我們談論在工業(yè)過程中的計量時，它是指應用計量學或工業(yè)計量學：在制造業(yè)中的計量學的應用。當我們考慮在這個意義上的計量，讓我們回顧一下測量和計量學中使用的一些概念。

術語的精度和精度在測量系統(tǒng)的規(guī)范和資格中使用。精度是重復某一測量的能力，而準確度是一個測量與一個真實或已知值一致的方法。這是非常重要的是要明白，準確性不提供一個非常有用的指標，在確定的質(zhì)量的計量裝置的背景下，工廠地板。在指定和合格的生產(chǎn)機器視覺解決方案，那么，精度是最重要的，并在特定的，測量的不確定性或偏差。術語的不確定性和偏差是指通過重復測量（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，上線的計量系統(tǒng)的目標將是產(chǎn)生一個特定的測量與一個可靠的和可重復的水平，以滿足應用程序的要求。

例如，一個機器視覺系統(tǒng)可能報告一個特定的部分的直徑為20.4毫米（毫米），與許多重復的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。當然，任何應用程序所接受的不確定性的實際金額取決于應用程序規(guī)范。

此外，不要自動使用加工規(guī)格的檢驗規(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)計上顯著的次數(shù)，因為在這個例子中，24.01毫米的測量可以報告在24和24.02毫米之間。要確定目標的測量標準，與質(zhì)量團隊協(xié)商，并根據(jù)應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

在機器視覺測量中提供高精度和低的不確定性的一個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)實世界中的單位的單個像素的大小。簡單地說，如果一個相機傳感器包含在水平方向上的1000個像素，和光學結合，獲得了一個圖像，是1英寸的寬度，一個單一的像素將代表0.001英寸。請注意，這是一個基本指標，不改變相機制造商或分析軟件。作為一個量具，在機器視覺系統(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)，為了使一個可重復的和可靠的測量，必須使用一個計，其中最小的測量單元（作為一個一般的經(jīng)驗法則）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)可以估計提供一個精確的測量約為0.005英寸（一個公差帶的0.01英寸，十倍計單元）。

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

 

如果可能的話，擴大決議

有時，我們可以在一個成像系統(tǒng)中的額外的分辨率的數(shù)學使用算法，報告功能的子像素的可重復性。一些例子將是灰度邊緣分析，幾何或相關搜索，回歸，如圓或線擬合，并在某些情況下的連接。如果一個可以考慮到子像素的結果，通過使用這些工具，那么最小的測量單元可以是小于一個單一的像素，如前面所述。請注意，提供的供應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，光學和部分演示。照顧使用任意子像素的期望作為一個確定的因素，指定系統(tǒng)的測量能力。測試系統(tǒng)與實際的零件和圖像，以經(jīng)驗確定的子像素的能力。

 

使用高分辨率光學

成像是一個光學和照明的功能（和我們將討論后，部分介紹）。對于大多數(shù)應用程序，唯一的光學使用的將是一個鏡頭組件，但該鏡頭的選擇是關鍵的計量應用。除了提供適當?shù)默F(xiàn)實世界大小的傳感器的圖像，用于計量的鏡頭必須準確地再現(xiàn)圖像，盡可能不失真。此外，鏡頭的分辨率指標為好，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。像素數(shù)越高，這些鏡頭的指標變得越來越重要。確保指定的光學產(chǎn)品是高質(zhì)量的，高分辨率的產(chǎn)品，為機器視覺應用而設計。

遠心鏡頭是在許多情況下，測量的應用非常有用。遠心鏡頭組合使用光學幾乎消除圖像中的視差引起所有的扭曲。其結果是一個圖像，是平行的傳感器，主要是所有的圖像。平面幾何關系（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。

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

 

最佳照明實驗

照明是重要的任何機器視覺應用，和計量，照明的選擇可能發(fā)揮更重要的作用。和大多數(shù)機器視覺應用，不幸的是沒有具體的規(guī)則，可以應用到照明。許多計量應用受益于背光（以部分介紹護理如下），雖然背光在自動化生產(chǎn)線的物理實現(xiàn)的可能是一個挑戰(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]低角度或結構照明的使用，以產(chǎn)生低對比度的功能。當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，如藍色或紫色，以提高對比度。如果是在運動（或即使不考慮），閃爍的LED照明的最佳強度和燈的壽命。

在所有情況下，成功的機器視覺照明需要實驗，無論是在實驗室和地板上，以確保正確的組件選擇。

照明是重要的任何機器視覺應用，和計量，照明的選擇可能發(fā)揮更重要的作用。和大多數(shù)機器視覺應用，不幸的是沒有具體的規(guī)則，可以應用到照明。許多計量應用受益于背光（以部分介紹護理如下），雖然背光在自動化生產(chǎn)線的物理實現(xiàn)的可能是一個挑戰(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]低角度或結構照明的使用，以產(chǎn)生低對比度的功能。當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，如藍色或紫色，以提高對比度。如果是在運動（或即使不考慮），閃爍的LED照明的最佳強度和燈的壽命。

在所有情況下，成功的機器視覺照明需要實驗，無論是在實驗室和地板上，以確保正確的組件選擇。

 

密切關注部分介紹

最后，最容易被忽略的問題，在高分辨率，通過網(wǎng)上申請的低偏置機器視覺測量的是部分表現(xiàn)的不可重復性。成像，光學，分辨率和算法可能都是完美的在離線設置，但在在線檢查的可重復性和可靠性是一個災難。通常情況下，它是不一致的部分演示。有時部分演示甚至可以使一個特定的測量不可能實現(xiàn)。例如，前面所描述的小而深的孔。當該孔的表面垂直于透鏡時，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，一個洞一樣，可以明顯地變成一個橢圓，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責一些堆起來的測量誤差。確定和指定分辨率，光學和照明時，考慮到。

這幾個技巧和技術只是一個整體實施和集成計劃的一小部分，在生產(chǎn)計量使用機器視覺。在任何檢查應用程序中肯定有許多其他的考慮。在進行系統(tǒng)設計之前，總是進行一個完整的應用程序分析和項目規(guī)范，當在疑問尋求供應商和其他機器視覺專業(yè)人員的建議。

 

技術提示

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

當確定和指定分辨率，光學和照明的一部分介紹到考慮。

在進行系統(tǒng)設計之前，總是進行一個完整的應用程序分析和項目規(guī)范。