本文闡述了機器視覺技術(shù)的最新進展，是如何改善自動化檢測效果。
Ketan Mistry
對于一家公司來說，如果它只是關(guān)心財務表現(xiàn)而忽視社會責任的話，它是很難長久保持競爭優(yōu)勢 的。一些最為成功的跨國企業(yè)， 已經(jīng)把公司與社會的戰(zhàn)略成功融合，在市場上形成持續(xù)的競爭力，帶來長久的財務成功和社會肯定。
全球變暖、城市污染、水污染、土地流失、 食物短缺和很多其他問題，都是由于我們對于 環(huán)境的忽視造成的。除此之外，資源短缺也被認為將在未來幾十年中一直困擾著人類。在這種情況下，制造業(yè)將會受到資源匱乏、石油、 金屬、大宗消費品在內(nèi)的原材料價格暴漲的限制，利潤岌岌可危。
只有那些保證環(huán)境可持續(xù)的制造企業(yè)才能幸存下去，這就意味著要啟動可以利用最少的資 源獲得最大產(chǎn)出的系統(tǒng)和流程。如果用不太專業(yè)的說法，就是要做到?jīng)]有垃圾、沒有缺陷的 管理。過去，使用自動化系統(tǒng)的主要目的是提 高生產(chǎn)線的產(chǎn)能、降低制造成本。然而，現(xiàn)在 的自動化越來越多的用于減少垃圾排放、消除 缺陷、最小化能源消耗。
實現(xiàn)這些目標的一項前沿技術(shù)，就是“機器視覺”——通過攝像頭和人工智能替代人眼和判斷。
舉例來說，一家全球頂尖的餅干廠商在其 烘焙生產(chǎn)線上安裝了視覺傳感器，用來檢測餅干烘焙之后的顏色。之前，生產(chǎn)線上的檢測員 和操作員根據(jù)出爐的餅干的顏色來控制生產(chǎn)線 速度和爐溫(餅干顏色意味著是否已烤好)。這樣的安排實際上有很多問題，因為不同的操作員看到的顏色和對顏色的解釋都有所不 同，這就造成判斷完全取決于個人經(jīng)驗。如果 公司需要保證質(zhì)量穩(wěn)定，餅干顏色上任何一點 小的偏差都是不能容忍的。因此，如果沒有通 用的標尺，廢品率就會很高。公司的決策層考察了多種解決方案，最終 選定裝備加強顏色識別技術(shù)的視覺傳感器。這 種視覺傳感器可以將顏色數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為R、G、B 三個維度的數(shù)值。比如，一種顏色可以記錄 為：R=225、G=150、B=130，每一個維度都會設定不同的閾值。
通過引入視覺傳感器，可以即時實現(xiàn)兩個 方面的收益。首先，可以為烘焙之后的餅干顏 色設定清楚的參考值，這樣就消除了人為判斷的模糊性問題。其次，可以快速的達到所需的烘焙條件。餅干的配方中，現(xiàn)在除了爐溫和傳送帶速 度之外，還包括視覺傳感器的R、G、B三個維度數(shù)值。閉環(huán)反饋控制可以保證所需的烘焙環(huán)境準確實現(xiàn)。
作為世界上最大的食品生產(chǎn)商之一，該公司將環(huán)境政策擺在了重要位置，包括資源高效實用，也就是盡量少的使用物料、水和能源。在部署了機器視覺系統(tǒng)之后，這家公司已經(jīng)成功的大幅降低了面粉、食堂、牛奶、水 和燃料的消耗。這不僅僅是對底層生產(chǎn)線的改進，對于公司的商業(yè)表現(xiàn)和社會貢獻也有很大的幫助。
削減成本
盡管有著明顯的優(yōu)點，機器視覺在工業(yè)界的應用仍然十分有限。一些人們印象中的障礙包括：技術(shù)和成本差距、用戶界面不夠友好等等。
機器視覺的成本日益受到重視，全套視覺系統(tǒng)的價格也已經(jīng)隨著技術(shù)進步大幅下降了。與之類似的是，機器視覺用 戶界面的友好程度也已經(jīng)較單機系統(tǒng)有了很大改善，比如視覺傳感器就已經(jīng)進入了市場。視覺傳感器和第一代視覺系統(tǒng) 不同，它并不需要對攝像機、幀接收器和編程軟件進行復雜的集成。
盡管價格已經(jīng)大幅下降，界面也變得更加友好，每年機器視覺專家還是發(fā)現(xiàn)很多的問題。這些問題一旦能夠解決， 就可以大幅的減少廢料、對環(huán)境做出巨大貢獻。這對于那些關(guān)心環(huán)境問題的機器視覺供應商絕對是一個激勵。
盡管可以使用機器視覺的領(lǐng)域和產(chǎn)品越來越多，挑戰(zhàn)也隨之增加。這是因為現(xiàn)有技術(shù)和客戶需求之間還存在差距。
但是，當機器視覺從單色發(fā)展到彩色，攝像機的像素從300K發(fā)展到幾兆，處理器的運行速度也需要相應的提升。而如果處理軟件不夠強大的話，這些進步的效果都無從談起。 在檢測餅干顏色的應用中，真彩技術(shù)就是關(guān)鍵。
實現(xiàn)真彩
最早的視覺系統(tǒng)使用單色處理，在這項技術(shù)中，色彩信 息被簡化為只需要判斷某一時間捕捉到的圖像的明暗。經(jīng)過幾年的發(fā)展之后，彩色圖像處理出現(xiàn)了，最為通用的兩種技 術(shù)分別是色彩拾取和色彩灰度。
在色彩拾取技術(shù)中，只有選定的色彩才可以從彩色圖片 中抽取出來進行處理，圖片上其他的色彩都被暗化了。色彩 拾取最多同時可以選擇和處理八種顏色。而在色彩灰度技術(shù) 中，選擇的色彩被轉(zhuǎn)化為黑白亮度256個等級上一個灰度值，使用這種技術(shù)，加強了與制定色彩的比較能力。
這兩種技術(shù)都存在不足之處：色彩拾取對于明亮環(huán)境下的差異高度敏感，而色彩灰度技術(shù)則局限在單一顏色， 同時處理效率取決于顏色過濾器如何設置。因此，無論是彩色圖像還是灰度方法都會在攝像機抓取圖像后損失大量信息，并且低對比度條件下圖像上的微小差異是無法檢測的。
根據(jù)人眼可以對圖像中海量信息進行處理的理念，
“真彩”技術(shù)(OMRON公司開發(fā))突破了這些局限，在圖像抓取和處理過程中，不再有信息損失。
不同的顏色由三維RGB空間中的不同位置表示，微小的色彩差異可以通過不同顏色像素在空間上位置的距離來進行識別。
真彩傳感處理的一大優(yōu)勢就是不同檢測環(huán)境下，實現(xiàn)穩(wěn)定的測量。而它的一個缺點，就是需要高性能的處理芯片。 當前，OMRON正使用定制化Dual Mega ARCS引擎進行圖形處理。
可以描述出真彩技術(shù)與眾不同之處的一個案例，就是檢 測鑄造連接件中的外來粒子。傳統(tǒng)的彩色視覺系統(tǒng)無法識別出未經(jīng)定義的顏色，比如說油漬。另外一個例子，是檢測彩色序列線束。傳統(tǒng)使用色彩拾取的視覺處理方法，只能查看有限的顏色，每一種顏色序列都需要實現(xiàn)錄入；灰度方法則 更糟，只能查看一種顏色。而真彩技術(shù)可以通過與記錄模型的比較，檢測任何一種色彩序列。
但是，盡管這項技術(shù)十分適合于彩色物體，一旦面對反光很強的金屬制品時，它還是顯得有心無力。傳統(tǒng)上，視覺 專家使用照明技術(shù)和過濾技術(shù)獲得這些物品清晰的圖像，但是并不能保證一定成功。一項叫做HDR的新技術(shù)正在嶄露頭 角，它利用軟件消除反光的影響，獲取清晰的圖像。
應用升級
機器視覺中最難的事情就是生成每一個檢測物體的清晰 圖像。如果可以捕捉到清晰的圖像，無論它的明暗度、解析度或者對比度如何，圖像處理現(xiàn)在都很容易。
視覺系統(tǒng)硬件在“動態(tài)性能”的得分越高，當被攝物體 與背景形成強烈對比時，就越有可能拍攝出更加清楚的圖像。動態(tài)性能，意味著圖形硬件檢測背景之間差別的能力。 但是機器視覺的一個問題就是，系統(tǒng)會受到照相機動態(tài)能力的約束。
然而，新的具有“高動態(tài)性能”圖像生成技術(shù)的機器視覺傳感器，可以將工作件在通過改變快門速度拍攝到的兩個甚至更多不同亮度下的圖片，快速地合成一張單獨的圖片。這就將亮度條件的負面影響降到了最低。裝備HDR技術(shù)的圖像處理器，可以通過疊放和合成兩張甚至更多同一快門速度的圖像，加強檢測區(qū)域的對比。在合成之后，干擾內(nèi)容的效果將會被減弱，而檢測區(qū)域通過集成被強化。
HDR在檢測金屬物品時作用十分明顯，比如汽車元件上的穿孔或者激光標識碼。如下圖所示，左上圖描述的是曝光過度的問題，下圖則是曝光不足的問題。這兩幅圖都不能用于圖像處理。而右圖則是使用HDR技術(shù)捕捉到的同一個物品的圖像，物品表面和二維碼清晰可見，對比度足夠，可以進行有效的處理。
另外一個使用HDR技術(shù)提高績效的例子，是檢測亮金屬電子元件和同一照明條件下黑色鑄件機身。明亮的圓柱型物品是HDR技術(shù)的理想處理對象。
關(guān)鍵作用
以往，商業(yè)對于環(huán)境的影響都是被動的。而今天，各家企業(yè)都在努力的實現(xiàn)對環(huán)境零影響，同時保證自身的利潤。 畢竟，可持續(xù)制造意味著滿足現(xiàn)在的需求，同時也不能將子孫后代的利益與現(xiàn)實妥協(xié)。
工廠自動化供應商將扮演重要角色，通過提供產(chǎn)品、服 務和技術(shù)，幫助制造業(yè)實現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)、環(huán)境友好的運營。 這不僅是因為該領(lǐng)域存在著不可多得的商業(yè)機會，同樣也體現(xiàn)了廠商的社會責任。
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新的維度
薄弱的讀取功能以及對于更多編碼信息的 需求增長，驅(qū)使電子制造企業(yè)進入二維條 形碼的時代。
Cognex公司
毫無疑問，今天市場可以見到的電子設備尺寸越來 越小。無論是MP3播放器、DVD刻錄機或者是 筆記本電腦，輕薄都是無法阻止的趨勢。因此， 構(gòu)成這些電子產(chǎn)品的印刷電路板(PCB)也就不可避免的越做 越小。這對于在PCB上粘貼條形碼識別標簽的廠商來說絕 對是個挑戰(zhàn)，甚至有的時候粘貼標簽似乎已經(jīng)不可能了。
超煜科技(Beyonics Technology)是一家新加坡公司，為計算機存儲設備、醫(yī)療儀器和電子通訊設備的原始設備制造商(OEM)提供先進的協(xié)議制造服務。這家公司就曾經(jīng)面臨上述難題，因為客戶的產(chǎn)品這些年來設計的越來越 小，基本上不給條形碼留下如何空間。
如果從宏觀上看待這個問題，實際上就是產(chǎn)品可追溯 能力的需求增長，與信息相關(guān)的元件制造關(guān)系越來越密切。用于追溯的信息包括批次編碼、供應商代碼、產(chǎn)品編 號和序列號，所有這些信息都需要編輯到一個小型條形碼標簽上。
超煜科技和他的客戶決定使用二維的編號代碼來解決上述問題。在諸多的相關(guān)產(chǎn)品中，他們選擇了二維條碼 (Data Matrix)技術(shù)，因為該技術(shù)可以儲存大量數(shù)據(jù)并保證數(shù)據(jù)的完整性。
先苦后甜
盡管超煜科技已經(jīng)找到了一種看起來可行的方法，但是真正的挑戰(zhàn)還在于實際的實施過程。在工廠內(nèi)部，超煜科技有很多使用不同條碼讀取配置的電路及功能檢測儀。 這些讀取裝置已經(jīng)十分陳舊，不能讀取二維代碼，需要專門的線纜才能處理多種輸入信息，而且它們是基于不同協(xié)議進行的配置，沒有標準化的輸出。
超煜科技的工程師需要新的讀取裝置來適應新的需 求，同時確保系統(tǒng)升級時所消耗的資源和時間最少。
“我不希望對于現(xiàn)有的設備進行任何的重新布線和重新編程，再編寫一套新的文檔簡直就是一場噩夢。因此， 新的讀取設備必須是即插即用的”，超煜科技工程專家帕斯 班·佩雷阿亞(Parthiban Periayah)如是說。
通過一系列的現(xiàn)場測試和故障檢測，超煜科技的固定讀取設備被新的二維設備(康耐視的DataMan 100)一一取 代。這一升級沒有進行任何的軟件編程和軟硬件布線配 置。超煜科技的工程師只需要把注意力放在維護SMT設備、保證生產(chǎn)線照常運行就可以了。
停止停產(chǎn)
“保證制造生產(chǎn)高質(zhì)量是超煜科技的理念和工作的重中之重。我們的目標是成為一家世界級的制造商，通過不斷的改善，為我們的客戶提供高質(zhì)量的產(chǎn)品和服務”，超煜科技高級工程工藝經(jīng)理陳福勇(Chan Foong Yow)說道。理所當然，隨著客戶設計出更多的產(chǎn)品，超煜科技需要關(guān)注如何優(yōu)化他的制造工藝，提高產(chǎn)能、減少停產(chǎn)時間。在這一理念的基礎上，更換舊的條碼讀取設備以及大幅提升了效率、優(yōu)化了資源配置。
正如超煜科技另一位工程專家沙克·卡里森(Shanker Kaneson)所說的：“那些老式讀取設備的讀取速度已經(jīng)讓我們無法忍受了。操作員經(jīng)常需要在讀取失敗的情況下重新讀取PCB的信息，這就會導致SMT機床的暫停。通過安裝DataMan 100讀碼器，我們可以看到產(chǎn)能增加了大約百分之十，而且也提振了操作人員的情緒，減輕了生產(chǎn)線工程師的負擔。
除了在SMT機床內(nèi)部安裝之外，超煜科技也開始在診斷過程中使用相同型號的讀碼器，甚至還替換了工廠中的手持讀碼設備。沙克提到：“同現(xiàn)有的手持設備相比，DataMan 700可以提供漏電保護，這符合IEC 61340標準的規(guī)定。當我們在ESD區(qū)趨勢使用讀碼器時，就會感到非常安全。過去，我們必須要在手持掃描儀上套上ESD防護套，這非常不方便，也不符合IEC的要求。”
康耐視公司(www.cognex.com)是機器視覺傳感器與系統(tǒng)供應商。
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Ketan Mistry是歐姆龍公司亞太區(qū)經(jīng)理(www.omron.ap.com) 。
