機器視覺的應用－打孔機影像定位系統設計

　　前言
　　計算機視覺的應用大致上可以分成定位 (Location)、量測 (Measurement)、識別（Recognition）、缺陷檢測 (Defect Inspection)四大類，其中以定位的應用最為廣泛，機器視覺系統同時涵蓋了多項功能，例如檢視主機板上的電子組件。機器視覺也可以用來控制機械手臂，在機械手臂上加裝CCD，利用影像辨識的定位，帶動機械手臂來做一些高危險性的醫療研究，例如：病毒研究、藥物混合等，都可以用這種方式來做控制，除了精準之外，對人類的生命也比較有安全保障。
　　
　　影像定位后的坐標轉換
　　市面上影像比對的函數庫(Library)很多，使用者可以自行選用合適的函數庫。本文以下所提的系統采用Euresys公司開發的 eVision EasyMatch，這是一種基于灰度相關性的圖像匹配函數庫，速度非常快，而且能夠達到次像素(sub-pixel)精度的匹配結果。對于旋轉、比率變化(縮/放)和平移等，都能精確找到模板圖像(Golden Image)的位置。故本文僅對影像定位后的二維坐標產生的“位移”與“旋轉”做探討。
　　
　　坐標位移
　　

　　
　　
　　坐標旋轉
　　
　　
　　
　　坐標位移+旋轉
　　遇到同時發生坐標位移&旋轉時，先計算位移，再套用旋轉的公式，即可算出最后的結果。
　　
　　系統架構
　　本系統為介紹如何設計出結合“機械運動”與“計算機視覺”的自動化定位系統。
　　
　　基本架構
　　1、GEME-3000主控制器： 含HSL控制卡, 安裝Windows® XP操作系統
　　2、3-Axis定位平臺：三菱伺服馬達+滾珠螺桿
　　3、運動控制器：HSL-4XMO控制模塊。
　　4、計算機視覺組件：使用IEEE1394 CCD采集影像，利用Euresys eVision的EasyMatch進行影像比對(Pattern Match)，作定位偏移的補正計算。
　　
　　
　　
　　
　　系統流程
　　本系統為介紹如何設計出結合“機械運動”與“計算機視覺”的自動化定位系統。
　　
　　系統校正
　　1、Mitsubishi 驅動器調校：10,000 pulse/roll
　　2、滾珠螺桿的螺距vs. Pulse/Roll：
　　3、如，螺距=10mm/roll，10,000 pulse/roll  1um/pulse
　　4、F.O.V. (Field of View) 的選定：F.O.V.要大于定位點的大小，太小可接受的“初步定位”誤差變小；太大因定位點影像太小，影像定位誤差大。
　　5、CCD工作距離的選定：工作距離要大于打孔頂針，以免對焦時打孔頂針撞到工件。當F.O.V.及工作距離確認后，即求出 LENS & Ext. Ring。
　　
　　教導作業
　　1、啟動系統3軸回Home，待３軸回定位后，再由人工將工件置于3軸之定位平臺上并作“初步定位” ；
　　2、手動控制Z軸緩慢下降，使其接近定位平臺上方 (約0.5~1.0mm)；
　　3、手動控制X/Y軸，使打孔頂針剛好在工件第一個孔位上方；再將Z軸緩慢下降，使其插入第一個孔位內。如定位不準，可以手動移動工件，使其定位更準確。
　　4、精確定位后，將Z軸上升至CCD的實時影像可看到完整“定位點”后，執行下列“流程圖” 。
　　
　　
　　
　　
　　自動定位
　　1、由人工將工件置于3軸定位平臺上，作“初步定位”后并啟動本系統；
　　2、系統會驅動3軸定位平臺將CCD移至定位點上方 (2個不同位置)，取像并利用已 “教導” 之標準影像做“影像比對”作業，
　　3、計算出“初步定位”之偏移量(Shift X/Y) 及 旋轉角度 (Rotation Angle)；
　　
　　
　　4、通過“極坐標轉換” ，重新計算工件上所有孔位的新坐標 (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;
　　 }
　　}
　　]
　　
　　結語
　　機器視覺系統應用在現今的工業上，不但大幅的提升了工業的生產力，而且增加了使用者的能力。機器視覺系統適用在哪些領域中：
　　
　　1.需要顯微鏡或放大鏡配合的工作，長期使用放大工具對視力將會造成很大的損害，且操作人員的素質也成為檢驗上不定的因素。
　　2.高危險工作環境，例如高溫、低溫、真空、高壓、高噪音、高量輻射、高電壓、大電流的工作環境。
　　3.重復性工作，一成不變的工作容易造成操作人員的倦怠，容易產生疏忽而受傷，或有怠工的現象，而機器視覺能二十四小時無休止的工作，且能在高速下執行檢查，而檢視的準確度也能控制在較穩定的程度之內。
　　4.需要快速處理的狀況，如軍事武器操控，實時、大量的生產線。
　　5.高精確性工作，如量測、定位、對象判別。
　　
　　參考數據
　　[1] ADLINK PMC-7852 user manual
　　[2] ADLINK HSL-4XMO user manual
　　[3] Euresys eVision user manual