連錦湮/凌華科技自動化產(chǎn)品事業(yè)部 

   前言 
   計(jì)算機(jī)視覺的應(yīng)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(yīng)用最為廣泛，機(jī)器視覺系統(tǒng)同時(shí)涵蓋了多項(xiàng)功能，例如檢視主機(jī)板上的電子組件。機(jī)器視覺也可以用來控制機(jī)械手臂，在機(jī)械手臂上加裝CCD，利用影像辨識的定位，帶動機(jī)械手臂來做一些高危險(xiǎn)性的醫(yī)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(zhǔn)之外，對人類的生命也比較有安全保障。 

   影像定位后的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 
   市面上影像比對的函數(shù)庫(Library)很多，使用者可以自行選用合適的函數(shù)庫。本文以下所提的系統(tǒng)采用Euresys公司開發(fā)的 eVision EasyMatch，這是一種基于灰度相關(guān)性的圖像匹配函數(shù)庫，速度非?？?，而且能夠達(dá)到次像素(sub-pixel)精度的匹配結(jié)果。對于旋轉(zhuǎn)、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(biāo)產(chǎn)生的“位移”與“旋轉(zhuǎn)”做探討。 
坐標(biāo)位移

坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)

1.       將 (X1,Y1) 轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo) à (X1,Y1) = (R1, θ1)
其中,       R1 = √ X12 + Y12
θ1 = Tan-1( Y1 / X1 ) 反正切函數(shù)
2.       θ2 = θ1 + θ, 其中, θ = 表示旋轉(zhuǎn)角度
à X2  = Cos ( θ2 ) * R1
          = Cos ( Tan-1( Y1 / X1 ) +θ ) * √ X12 + Y12
  Y2  = Sin ( θ2 ) * R1
          = Sin ( Tan-1( Y1 / X1 ) +θ ) * √ X12 + Y12
坐標(biāo)位移+旋轉(zhuǎn)
   遇到同時(shí)發(fā)生坐標(biāo)位移&旋轉(zhuǎn)時(shí)，先計(jì)算位移，再套用旋轉(zhuǎn)的公式，即可算出最后的結(jié)果。

系統(tǒng)架構(gòu)
   本系統(tǒng)為介紹如何設(shè)計(jì)出結(jié)合“機(jī)械運(yùn)動”與“計(jì)算機(jī)視覺”的自動化定位系統(tǒng)。

基本架構(gòu)
l          GEME-3000主控制器： 含HSL控制卡, 安裝Windows® XP操作系統(tǒng)
l          3-Axis定位平臺：三菱伺服馬達(dá)+滾珠螺桿
l          運(yùn)動控制器：HSL-4XMO控制模塊。
l          計(jì)算機(jī)視覺組件：使用IEEE1394 CCD采集影像，利用Euresys eVision的EasyMatch   進(jìn)行影像比對(Pattern Match)，作定位偏移的補(bǔ)正計(jì)算。

[圖1] 系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)機(jī)圖

系統(tǒng)流程
   本系統(tǒng)為介紹如何設(shè)計(jì)出結(jié)合“機(jī)械運(yùn)動”與“計(jì)算機(jī)視覺”的自動化定位系統(tǒng)。

系統(tǒng)校正
l          Mitsubishi 驅(qū)動器調(diào)校：10,000 pulse/roll
l          滾珠螺桿的螺距vs. Pulse/Roll：
l          如，螺距=10mm/roll，10,000 pulse/roll à 1um/pulse
l          F.O.V. (Field of View) 的選定：F.O.V.要大于定位點(diǎn)的大小，太小à可接受的“初步定位”誤差變??；太大à因定位點(diǎn)影像太小，影像定位誤差大。
l          CCD工作距離的選定：工作距離要大于打孔頂針，以免對焦時(shí)打孔頂針撞到工件。當(dāng)F.O.V.及工作距離確認(rèn)后，即求出 LENS & Ext. Ring。

教導(dǎo)作業(yè)
l          啟動系統(tǒng)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” ；
l          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)；
l          手動控制X/Y軸，使打孔頂針剛好在工件第一個(gè)孔位上方；再將Z軸緩慢下降，使其插入第一個(gè)孔位內(nèi)。如定位不準(zhǔn)，可以手動移動工件，使其定位更準(zhǔn)確。
l          精確定位后，將Z軸上升至CCD的實(shí)時(shí)影像可看到完整“定位點(diǎn)”后，執(zhí)行下列“流程圖” 。

自動定位
l          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(tǒng)；
l          系統(tǒng)會驅(qū)動3軸定位平臺將CCD移至定位點(diǎn)上方 (2個(gè)不同位置)，取像并利用已 “教導(dǎo)” 之標(biāo)準(zhǔn)影像做“影像比對”作業(yè)，
l          計(jì)算出“初步定位”之偏移量(Shift X/Y) 及 旋轉(zhuǎn)角度 (Rotation Angle)；

l          通過“極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換” ，重新計(jì)算工件上所有孔位的新坐標(biāo) (Point Table)。

結(jié)語
機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用在現(xiàn)今的工業(yè)上，不但大幅的提升了工業(yè)的生產(chǎn)力，而且增加了使用者的能力。機(jī)器視覺系統(tǒng)適用在哪些領(lǐng)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(zhì)也成為檢驗(yàn)上不定的因素。
2.          高危險(xiǎn)工作環(huán)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(huán)境。
3.          重復(fù)性工作，一成不變的工作容易造成操作人員的倦怠，容易產(chǎn)生疏忽而受傷，或有怠工的現(xiàn)象，而機(jī)器視覺能二十四小時(shí)無休止的工作，且能在高速下執(zhí)行檢查，而檢視的準(zhǔn)確度也能控制在較穩(wěn)定的程度之內(nèi)。
4.          需要快速處理的狀況，如軍事武器操控，實(shí)時(shí)、大量的生產(chǎn)線。
5.          高精確性工作，如量測、定位、對象判別。

參考數(shù)據(jù)
[1] ADLINK PMC-7852 user manual
[2] ADLINK HSL-4XMO user manual
[3] Euresys eVision user manual