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机器视觉系统的实际应用－打孔机影像定位系统设计

　　前言
　　计算机视觉的应用大致上可以分成定位 (Location)、量测 (Measurement)、识别（Recognition）、缺陷检测 (Defect Inspection)四大类，其中以定位的应用最为广泛，机器视觉系统同时涵盖了多项功能，例如检视主机板上的电子组件。机器视觉也可以用来控制机械手臂，在机械手臂上加装CCD，利用影像辨识的定位，带动机械手臂来做一些高危险性的医疗研究，例如：病毒研究、药物混合等，都可以用这种方式来做控制，除了精准之外，对人类的生命也比较有安全保障。
　　
　　影像定位后的坐标转换
　　市面上影像比对的函数库(Library)很多，使用者可以自行选用合适的函数库。本文以下所提的系统采用Euresys公司开发的 eVision EasyMatch，这是一种基于灰度相关性的图像匹配函数库，速度非常快，而且能够达到次像素(sub-pixel)精度的匹配结果。对于旋转、比率变化(缩/放)和平移等，都能精确找到模板图像(Golden Image)的位置。故本文仅对影像定位后的二维坐标产生的“位移”与“旋转”做探讨。
　　
　　坐标位移
　　

　　
　　
　　坐标旋转
　　

　　
　　
　　坐标位移+旋转
　　遇到同时发生坐标位移&旋转时，先计算位移，再套用旋转的公式，即可算出最后的结果。
　　
　　系统架构
　　本系统为介绍如何设计出结合“机械运动”与“计算机视觉”的自动化定位系统。
　　
　　基本架构
　　1、GEME-3000主控制器：含HSL控制卡, 安装Windows® XP操作系统
　　2、3-Axis定位平台：三菱伺服马达+滚珠螺杆
　　3、运动控制器：HSL-4XMO控制模块。
　　4、计算机视觉组件：使用IEEE1394 CCD采集影像，利用Euresys eVision的EasyMatch进行影像比对(Pattern Match)，作定位偏移的补正计算。
　　
　　

　　
　　
　　系统流程
　　本系统为介绍如何设计出结合“机械运动”与“计算机视觉”的自动化定位系统。
　　
　　系统校正
　　1、Mitsubishi 驱动器调校：10,000 pulse/roll
　　2、滚珠螺杆的螺距vs. Pulse/Roll：
　　3、如，螺距=10mm/roll，10,000 pulse/roll  1um/pulse
　　4、F.O.V. (Field of View) 的选定：F.O.V.要大于定位点的大小，太小可接受的“初步定位”误差变小；太大因定位点影像太小，影像定位误差大。
　　5、CCD工作距离的选定：工作距离要大于打孔顶针，以免对焦时打孔顶针撞到工件。当F.O.V.及工作距离确认后，即求出 LENS & Ext. Ring。
　　
　　教导作业
　　1、启动系统3轴回Home，待３轴回定位后，再由人工将工件置于3轴之定位平台上并作“初步定位” ；
　　2、手动控制Z轴缓慢下降，使其接近定位平台上方 (约0.5~1.0mm)；
　　3、手动控制X/Y轴，使打孔顶针刚好在工件第一个孔位上方；再将Z轴缓慢下降，使其插入第一个孔位内。如定位不准，可以手动移动工件，使其定位更准确。
　　4、精确定位后，将Z轴上升至CCD的实时影像可看到完整“定位点”后，执行下列“流程图” 。
　　
　　

　　
　　
　　自动定位
　　1、由人工将工件置于3轴定位平台上，作“初步定位”后并启动本系统；
　　2、系统会驱动3轴定位平台将CCD移至定位点上方 (2个不同位置)，取像并利用已 “教导” 之标准影像做“影像比对”作业，
　　3、计算出“初步定位”之偏移量(Shift X/Y) 及旋转角度 (Rotation Angle)；
　　

　　
　　4、通过“极坐标转换” ，重新计算工件上所有孔位的新坐标 (Point Table)。
　　[void CalNewLocate(F64 angle, F64 shiftx, F64 shifty)
　　{
　　 int i;
　　 F64 P[TOTAL_POINT*2];
　　 F64 t;
　　 for (i=0; i　　 P[i*2] = sqrt( OrgLocate[i*2] * OrgLocate[i*2]
　　 + OrgLocate[i*2+1] * OrgLocate[i*2+1]);
　　 P[i*2+1] = atan2( OrgLocate[i*2],
　　 OrgLocate[i*2+1])+ angle;
　　 }
　　 for (i=0; i　　 t = P[i*2]*sin(P[i*2+1]);
　　 NewLocate[i*2] = (shiftx + t)*SCALE_X;
　　 t = P[i*2]*cos(P[i*2+1]);
　　 NewLocate[i*2+1] = (shifty + t)*SCALE_Y;
　　 }
　　}
　　]
　　
　　结语
　　机器视觉系统应用在现今的工业上，不但大幅的提升了工业的生产力，而且增加了使用者的能力。机器视觉系统适用在哪些领域中：
　　
　　1.需要显微镜或放大镜配合的工作，长期使用放大工具对视力将会造成很大的损害，且操作人员的素质也成为检验上不定的因素。
　　2.高危险工作环境，例如高温、低温、真空、高压、高噪音、高量辐射、高电压、大电流的工作环境。
　　3.重复性工作，一成不变的工作容易造成操作人员的倦怠，容易产生疏忽而受伤，或有怠工的现象，而机器视觉能二十四小时无休止的工作，且能在高速下执行检查，而检视的准确度也能控制在较稳定的程度之内。
　　4.需要快速处理的状况，如军事武器操控，实时、大量的生产线。
　　5.高精确性工作，如量测、定位、对象判别。
　　
　　参考数据
　　[1] ADLINK PMC-7852 user manual
　　[2] ADLINK HSL-4XMO user manual
　　[3] Euresys eVision user manual