機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用解決方案及面臨的挑戰(zhàn)

機(jī)器視覺(jué)作為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成之一，其技術(shù)與應(yīng)用也隨著自動(dòng)化行業(yè)的發(fā)展而日益成熟。具體體現(xiàn)在：圖像處理能力和速度不斷增強(qiáng)、光電器件性能的提高、各類標(biāo)準(zhǔn)的逐漸統(tǒng)一以及價(jià)格的相對(duì)降低。

據(jù)AIA（自動(dòng)成像協(xié)會(huì)）的市場(chǎng)研究調(diào)查報(bào)告，2006年全球機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)超過(guò)了70億美元，并預(yù)測(cè)在今后五年內(nèi)仍將保持持續(xù)的增長(zhǎng)勢(shì)頭。然而，隨著供應(yīng)商和集成商不斷的把機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用推向各個(gè)領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)這一相對(duì)獨(dú)立的功能如何無(wú)縫的融入各行業(yè)各類自動(dòng)化裝備遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。

一、機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用及挑戰(zhàn)

機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用主要可分為兩類：

一類是用于大規(guī)模或者高測(cè)試要求的生產(chǎn)線上，如包裝、印刷、分揀等，或者在野外、核電等不適合人員工作的環(huán)境中，利用機(jī)器視覺(jué)方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工測(cè)量或檢試，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人工條件下無(wú)法達(dá)到的可靠性、精確度及自動(dòng)化程度。

另一類應(yīng)用是必須用到高性能、精密機(jī)器視覺(jué)組件的專業(yè)設(shè)備制造，典型代表是最早帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器視覺(jué)行業(yè)崛起的半導(dǎo)體制造設(shè)備。從上游晶圓加工制造的分類切割，到末端電路板印刷、貼片，這類設(shè)備都依賴于高精度的視覺(jué)測(cè)量以對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行導(dǎo)引與定位。例如，如果錫膏印刷工序存在定位偏差，且該問(wèn)題直到芯片貼裝后的在線測(cè)試才被發(fā)現(xiàn)，那么返修的成本將會(huì)是原成本的100倍以上。

然而，在上述應(yīng)用中，機(jī)器視覺(jué)功能很少作為孤立的系統(tǒng)，而是以整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)或者設(shè)備的有機(jī)組成部分之一出現(xiàn)，也往往在配合邏輯控制，運(yùn)動(dòng)控制，數(shù)據(jù)采集，通信網(wǎng)絡(luò)以及企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理等其它功能時(shí)，才能真正發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)。構(gòu)建機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，除了完成從光源調(diào)配到圖像處理軟件開(kāi)發(fā)系列過(guò)程外，更是面臨著與上述種種復(fù)雜的自動(dòng)化系統(tǒng)功能集成所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。單一的視覺(jué)開(kāi)發(fā)軟硬件方案，往往使得自動(dòng)化系統(tǒng)整體的開(kāi)發(fā)周期、成本和不確定性風(fēng)險(xiǎn)都要由制造方或者集成商來(lái)承擔(dān)。機(jī)器視覺(jué)與自動(dòng)化系統(tǒng)集成的困難，很大程度上阻礙了其在相對(duì)保守的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用。

二、基于NI LabVIEW和機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的解決方案

面對(duì)上述挑戰(zhàn)，NI LabVIEW軟件平臺(tái)及其機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)給出了很好的解決方案。

讓我們先從軟件的角度看機(jī)器視覺(jué)的開(kāi)發(fā)與集成過(guò)程：首先借助高效便捷的配置軟件VBAI（應(yīng)用于自動(dòng)檢測(cè)的機(jī)器視覺(jué)生成器）和全面的視覺(jué)模塊（涵蓋了對(duì)所有制式和標(biāo)準(zhǔn)的相機(jī)的支持，提供模式匹配、OCR、顆粒分析、二維條形碼識(shí)別等數(shù)百種圖像處理功能），用戶可以在交互式的開(kāi)發(fā)環(huán)境中驗(yàn)證不同的相機(jī)和光源設(shè)置、采集方式與圖像處理算法，然后再將確認(rèn)的步驟自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)于LabVIEW的可執(zhí)行程序。LabVIEW軟件平臺(tái)具有直觀的圖形化開(kāi)發(fā)特性，使工程師把更多的精力集中在功能開(kāi)發(fā)而不是代碼撰寫(xiě)上。

在整體系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和集成過(guò)程中，工程師可直接利用對(duì)應(yīng)的LabVIEW工具包和模塊，在統(tǒng)一的平臺(tái)下以相同的方式完成運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集、工業(yè)通信和人機(jī)界面等功能，實(shí)現(xiàn)與各種PAC（可編程自動(dòng)化控制器）、PLC、工業(yè)設(shè)備、OPC客戶端及企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接與通信。對(duì)于這種開(kāi)發(fā)模式，無(wú)論是經(jīng)驗(yàn)豐富的集成商還初級(jí)開(kāi)發(fā)者，都得以從不同設(shè)備所對(duì)應(yīng)的專用甚至私有開(kāi)發(fā)方式與平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)與協(xié)議、設(shè)備間互間的物理通信與同步這些困境中解放出來(lái)，大幅降低了系統(tǒng)集成的難度和成本。

從硬件體系架構(gòu)來(lái)看，基于PC的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)由于其開(kāi)放性和靈活性，在提供強(qiáng)大的處理能力的同時(shí)，也較容易實(shí)現(xiàn)與其它功能的集成，但是PC的架構(gòu)由于可靠性和體積等原因，并不能完全滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。

另一種方式是嵌入式架構(gòu)，使用簡(jiǎn)單，可靠性高，但是功能相對(duì)單一，可集成度較差。為了解決這些矛盾，NI在其緊湊型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)（CVS）中，通過(guò)集成LabVIEW實(shí)時(shí)、FPGA技術(shù)，前所未有的實(shí)現(xiàn)了在同一嵌入式硬件平臺(tái)下完成I/O與通信協(xié)議的靈活定制以及運(yùn)動(dòng)，可同時(shí)采集、處理3路圖像信號(hào)，并保證系統(tǒng)的堅(jiān)固性和可靠性，達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境下的應(yīng)用要求（圖1）。

圖.1 FIG.1 NI 緊湊型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

下面我們通過(guò)兩個(gè)實(shí)例分析，具體探討如何利用開(kāi)放靈活的軟硬件平臺(tái)集成機(jī)器視覺(jué)和多域功能應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成復(fù)雜度降低及開(kāi)發(fā)周期的縮短。

三、基于LabVIEW及同步的機(jī)器視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化半導(dǎo)體晶圓分類系統(tǒng)

在半導(dǎo)體制造業(yè)，晶圓切割前必須根據(jù)其厚度（THK）、全厚度誤差（TTV）、彎曲度（BOW）、翹曲度（WARP）等電氣及物理參數(shù)進(jìn)行細(xì)致分類，以達(dá)到嚴(yán)格的容差要求。為保證測(cè)量精度，傳統(tǒng)采用單點(diǎn)測(cè)量方式，需消耗大量的測(cè)試時(shí)間。

為此，美國(guó)Gigamat Technologies公司研發(fā)出新一代的全掃描自動(dòng)分類設(shè)備（圖2），以提高吞吐率并要求能達(dá)到單點(diǎn)測(cè)試下的精度和重復(fù)性要求，這在技術(shù)上是相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。

圖.2自動(dòng)化半導(dǎo)體晶圓分類系統(tǒng)

新全自動(dòng)晶圓分類系統(tǒng)充分利用了LabVIEW平臺(tái)及其配套工具包，該系統(tǒng)分為晶圓對(duì)準(zhǔn)和測(cè)量?jī)蓚€(gè)工作步驟。對(duì)準(zhǔn)過(guò)程使用線掃描圖像采集方式和3軸運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)同步圖像采集與底盤(pán)旋轉(zhuǎn)速率，在1秒內(nèi)完成整張芯片6百萬(wàn)象素的圖像采集，利用LabVIEW視覺(jué)算法判斷芯片中心位置、平坦度和其它特性，據(jù)此調(diào)整晶圓位置實(shí)現(xiàn)其與參數(shù)測(cè)量平臺(tái)完全匹配。

測(cè)量步驟要求對(duì)上下表面間距測(cè)量的分辨率小于0.0001mm，其解決辦法是在LabVIEW平臺(tái)下應(yīng)用NI運(yùn)動(dòng)控制工具生成平滑的圓弧及螺旋軌跡組合，精確控制旋轉(zhuǎn)中的芯片位置，使用NI數(shù)據(jù)采集卡完成多通道同步進(jìn)行的探針高速、高密度測(cè)量，實(shí)時(shí)記錄對(duì)應(yīng)位置，據(jù)此進(jìn)行相關(guān)計(jì)算處理，獲取各項(xiàng)參數(shù)信息，最終得出分類的結(jié)果。

除了以上的核心步驟外，該系統(tǒng)還包括了：觸摸屏人機(jī)界面;基于RS-485通信的晶圓升降機(jī)控制;用于光源、機(jī)器功率和真空設(shè)備的數(shù)字I/O控制;以及與Microsoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)連接以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程數(shù)字化加工。而這些功能，都是在LabVIEW平臺(tái)下統(tǒng)一開(kāi)發(fā)完成，Gigmat的經(jīng)理這樣評(píng)論“如果沒(méi)有LabVIEW以及NI機(jī)器視覺(jué)，運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的同步，這個(gè)項(xiàng)目就不可能達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行”。

四、NI緊湊型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)幫助汽車火花塞檢測(cè)達(dá)到6Sigma的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)

汽車火花塞的偏心度和電極間距是決定其性能的關(guān)鍵指標(biāo)。過(guò)去某領(lǐng)先的汽車火花塞制造商一直通過(guò)人工的方式對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)闇y(cè)量精度低，必須采用過(guò)于嚴(yán)格的產(chǎn)品的公差帶限制，導(dǎo)致不必要的生產(chǎn)要求提高和產(chǎn)量減少。為了保證可靠的質(zhì)量控制，更快的檢測(cè)速度和產(chǎn)量的提高，該制造商決定建立基于機(jī)器視覺(jué)的全掃描尺寸定量系統(tǒng)。

系統(tǒng)由IEEE 1394相機(jī)、環(huán)形光源、堅(jiān)固的NI CVS嵌入式機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)以及LabVIEW軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)構(gòu)成。采集的火花塞圖像通過(guò)火線傳入CVS，在其上運(yùn)行實(shí)時(shí)的圓形邊緣檢測(cè)等特殊算法，而通過(guò)對(duì)欠采樣的控制找到精度與處理時(shí)間的平衡點(diǎn)，測(cè)量精度達(dá)到0.01mm，完全滿足6Sigma標(biāo)準(zhǔn)。

隨后，CVS通過(guò)其數(shù)字端口與生產(chǎn)線上的PLC和繼電器等設(shè)備通信，完成不合格品的自動(dòng)剔除工作，免去了人工干預(yù)。整個(gè)系統(tǒng)接入工廠以太網(wǎng)，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程的參數(shù)配置，校準(zhǔn)以及產(chǎn)品信息的記錄。由于測(cè)試精度的提高，放寬了公差范圍，大幅提高了產(chǎn)量和效率。

結(jié)論

機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用正由起步時(shí)單純的圖像采集、處理分析、結(jié)果判斷輸出，發(fā)展成為自動(dòng)化系統(tǒng)重要組件之一。但是，相對(duì)人工檢測(cè)的方式機(jī)器視覺(jué)也存在著特殊性，一定程度上體現(xiàn)在其靈活性和應(yīng)變能力的限制。處理的不合適的話，即使一個(gè)看似很小的新功能引入，都有可能導(dǎo)致系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)。

面對(duì)機(jī)器視覺(jué)集成度與靈活性與難題時(shí)，理想的工業(yè)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境LabVIEW成為用戶開(kāi)發(fā)平臺(tái)的非常好的選擇。利用其中機(jī)器視覺(jué)模塊包含的豐富分析與處理算法，用戶可以根據(jù)其具體需求定制開(kāi)發(fā)或者簡(jiǎn)單升級(jí)相應(yīng)的視覺(jué)功能，更可以這種統(tǒng)一的圖像化開(kāi)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制，可編程自動(dòng)化控制器，數(shù)據(jù)采集等設(shè)備與功能的開(kāi)發(fā)，以及與三方的PLC，工業(yè)設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的無(wú)縫連接，從而完成涵蓋機(jī)器視覺(jué)功能在內(nèi)的自動(dòng)化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與集成。

得益于這種系統(tǒng)構(gòu)架，制造商能夠更方便的將機(jī)器視覺(jué)功能引入到其生產(chǎn)線，降低了其設(shè)備制造的技術(shù)難度，符合機(jī)器視覺(jué)向著自動(dòng)化系統(tǒng)一體化發(fā)展的趨勢(shì)。

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