天津市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)科學(xué)研究院電子儀表實(shí)驗(yàn)所□姬 偉

天 津 理 工 大 學(xué) 中 環(huán) 信 息 學(xué) 院□王亞麗

1 引言

在當(dāng)今自動(dòng)化生產(chǎn)中，一些不斷發(fā)展進(jìn)步中的大、中、小型企業(yè)越來(lái)越注重對(duì)產(chǎn)品及工件的快速高效的測(cè)量，涉及到各種檢查、測(cè)量和零件識(shí)別等。視覺(jué)測(cè)量除了能夠幫助企業(yè)提高產(chǎn)品檢測(cè)的效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)更科學(xué)的自動(dòng)化檢測(cè)鏈。這里我們?cè)僬勔曈X(jué)檢測(cè)技術(shù)，它是一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究的檢測(cè)技術(shù)，與計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量研究不同，視覺(jué)檢測(cè)更著重于物體幾何形狀的測(cè)量和位置測(cè)量。例如三維尺寸的檢測(cè)等，其更多的可以應(yīng)用于計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域。因此將視覺(jué)測(cè)量應(yīng)用于計(jì)量檢測(cè)，可以解決機(jī)械動(dòng)態(tài)參數(shù)的檢測(cè)與溯源的問(wèn)題，以新興的檢測(cè)方式來(lái)保證機(jī)械設(shè)備中動(dòng)態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

2 關(guān)于視覺(jué)測(cè)量的認(rèn)識(shí)

從計(jì)算機(jī)視覺(jué)概念和方法出發(fā)，將計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用于空間幾何尺寸的精確測(cè)量和定位，從而產(chǎn)生一種新的計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用概念，即視覺(jué)測(cè)量。

現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中涉及到各種各樣的檢驗(yàn)、生產(chǎn)監(jiān)視和零件識(shí)別應(yīng)用，如汽車(chē)零配件批量加工的尺寸檢查和自動(dòng)裝配的完整性檢查、電子裝配線的元件自動(dòng)定位、IC上的字符識(shí)別等。通常這種帶有高度重復(fù)性和智能性的工作是由肉眼來(lái)完成的，但在某些特殊情況下，如對(duì)微小尺寸的精確快速測(cè)量、形狀匹配以及顏色辨識(shí)等，依靠肉眼根本無(wú)法連續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行，其他物理量傳感器也難以勝任。我們開(kāi)始考慮用CCD照相機(jī)抓取圖像后送入計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊，通過(guò)數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息來(lái)進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。這種方法是把計(jì)算機(jī)處理的快速性、可重復(fù)性與肉眼視覺(jué)的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機(jī)器視覺(jué)測(cè)試技術(shù)的概念。

3 視覺(jué)測(cè)量與視覺(jué)檢測(cè)的區(qū)別

視覺(jué)測(cè)量與視覺(jué)檢測(cè)都屬于非接觸式測(cè)量，其共同點(diǎn)是在不接觸被測(cè)物體的前提下進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量；不同點(diǎn)在于視覺(jué)測(cè)量多用于制造廠對(duì)大批量及特殊產(chǎn)品的非接觸式快速測(cè)量和檢查，而預(yù)開(kāi)發(fā)的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)則是為了解決計(jì)量器具的動(dòng)態(tài)幾何量的角度、位移、速度及加速度的檢測(cè)問(wèn)題，其檢測(cè)精度高于前者，其檢測(cè)原理更符合計(jì)量器具的檢測(cè)特性。

4 視覺(jué)檢測(cè)的市場(chǎng)前景分析及經(jīng)濟(jì)效益

近幾年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)計(jì)算機(jī)視覺(jué)行業(yè)發(fā)展迅速，尤其是2016年下半年，1:N人臉識(shí)別、視頻結(jié)構(gòu)化等計(jì)算機(jī)視覺(jué)相關(guān)技術(shù)在安防領(lǐng)域的實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)景中突破工業(yè)化紅線，敲響了計(jì)算機(jī)視覺(jué)行業(yè)市場(chǎng)大規(guī)模爆發(fā)的前奏。2017年下半年，數(shù)家計(jì)算機(jī)視覺(jué)公司單筆融資上億美元，再次將計(jì)算機(jī)視覺(jué)推向人工智能領(lǐng)域最受關(guān)注的方向。

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2017~2022年中國(guó)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測(cè)分析報(bào)告》對(duì)多個(gè)權(quán)威機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)匯總，目前全球機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模在45-70億美元之間：2016年全球機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模約為62億美元，2002年~2016年市場(chǎng)年均復(fù)合增長(zhǎng)率為12%左右；而根據(jù)Automated Imaging Association發(fā)布的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015年全球機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)及部件市場(chǎng)規(guī)模是42億美元，2016年這一數(shù)字約為46億美元，預(yù)計(jì)2017年，全球機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)及部件市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到50億美元。

近日，艾瑞咨詢(xún)發(fā)布了《2017年計(jì)算機(jī)視覺(jué)行業(yè)研究報(bào)告》 （以下簡(jiǎn)稱(chēng)“研究報(bào)告”）。研究報(bào)告認(rèn)為，計(jì)算機(jī)視覺(jué)行業(yè)在醫(yī)療影像、工業(yè)制造、批發(fā)零售等現(xiàn)階段的創(chuàng)新領(lǐng)域?qū)⒅鸩浇怄i，將成為行業(yè)整體快速發(fā)展的重要支撐。

從2017年全球機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用分布來(lái)看，目前國(guó)外機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用普及主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體及電子行業(yè)，其中大概40%~50%都集中在半導(dǎo)體行業(yè)。另外，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)還在質(zhì)量檢測(cè)的各個(gè)方面得到了廣泛應(yīng)用，并且其產(chǎn)品在應(yīng)用中占據(jù)著舉足輕重的地位。

從地區(qū)分布來(lái)看，機(jī)器視覺(jué)發(fā)展早期，主要集中在歐美和日本，隨著全球制造中心向中國(guó)轉(zhuǎn)移，中國(guó)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)正在繼北美、歐洲和日本之后，成為國(guó)際機(jī)器視覺(jué)廠商的重要目標(biāo)市場(chǎng)。目前機(jī)器視覺(jué)在發(fā)達(dá)國(guó)家早已發(fā)展成熟，行業(yè)進(jìn)入穩(wěn)定增長(zhǎng)期。

以上數(shù)據(jù)證明視覺(jué)測(cè)量在生產(chǎn)鏈中的應(yīng)用和發(fā)展前景非常可觀。同樣，如果將視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)用于檢測(cè)/校準(zhǔn)領(lǐng)域，不管是創(chuàng)新技術(shù)領(lǐng)域，還是經(jīng)濟(jì)收益都是值得期待的。視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)可以作為標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)計(jì)量器具進(jìn)行檢測(cè)校準(zhǔn)開(kāi)展檢測(cè)活動(dòng)，另外該系統(tǒng)還可以作為產(chǎn)品銷(xiāo)售給有需求的檢測(cè)機(jī)構(gòu)或企業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，天津目前注冊(cè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)約326所，如每所機(jī)構(gòu)有兩項(xiàng)檢測(cè)任務(wù)，每年的檢測(cè)量就將近700余項(xiàng)。這僅是保守估計(jì)的檢測(cè)任務(wù)，如果能夠銷(xiāo)售該系統(tǒng)到各檢測(cè)機(jī)構(gòu)和企業(yè)，那么收益將極為可觀。

綜上所述，計(jì)量級(jí)視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)能夠抓住機(jī)遇、開(kāi)拓市場(chǎng)，不管在技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域、經(jīng)濟(jì)效益方面還是在社會(huì)影響力方面都會(huì)有巨大的收獲。

5 開(kāi)展視覺(jué)檢測(cè)的重要意義

開(kāi)展視覺(jué)檢測(cè)可解決企業(yè)大、中、小型機(jī)械設(shè)備動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量的困難。隨著我國(guó)計(jì)量能力的不斷提高，精密測(cè)試項(xiàng)目也在不斷發(fā)展。近幾年測(cè)試領(lǐng)域中客戶(hù)對(duì)儀器的動(dòng)態(tài)檢測(cè)要求越來(lái)越多，而利用我國(guó)現(xiàn)有的計(jì)量設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足檢測(cè)要求。比如設(shè)備運(yùn)動(dòng)中的角度、位移、速度和加速度的檢測(cè)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，我們開(kāi)始關(guān)注動(dòng)態(tài)測(cè)量的相關(guān)信息。據(jù)了解，目前在全國(guó)沒(méi)有能進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，即使有對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)量的產(chǎn)品（視覺(jué)測(cè)量設(shè)備），也都用于企業(yè)產(chǎn)品的大批量快速檢查。這類(lèi)視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)僅適用于生產(chǎn)線對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)劣性的辨別，并不適用于計(jì)量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度、角度和距離的精密測(cè)試。

綜上所述，我們將視覺(jué)測(cè)量與計(jì)量檢測(cè)相結(jié)合，就是計(jì)量視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)。目的是將視覺(jué)測(cè)量技術(shù)中融入計(jì)量檢測(cè)概念，以滿(mǎn)足計(jì)量設(shè)備在運(yùn)動(dòng)中的角度、位移、速度和加速度的檢測(cè)要求，使其可以在動(dòng)態(tài)測(cè)量中發(fā)揮作用，滿(mǎn)足計(jì)量器具的檢測(cè)和校準(zhǔn)要求，使其可在計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域有所貢獻(xiàn)，填補(bǔ)計(jì)量領(lǐng)域的非接觸式視覺(jué)檢測(cè)的空白。

6 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)源于視覺(jué)測(cè)量技術(shù)。視覺(jué)成像系統(tǒng)主要由相機(jī)（CCD/CMOS）、鏡頭和光源組成，是視覺(jué)檢測(cè)的基礎(chǔ)。成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的就是獲取合格的原始圖像，并且一個(gè)好的成像系統(tǒng)要保證系統(tǒng)運(yùn)行期間圖像質(zhì)量的穩(wěn)定，穩(wěn)定的圖像抓取是視覺(jué)檢測(cè)穩(wěn)定性的基本保證。利用CCD采集變焦鏡下計(jì)量器具的影像，再配合比例尺、標(biāo)志點(diǎn)及自動(dòng)變焦鏡，運(yùn)用影像分析原理，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理影像信號(hào)，對(duì)計(jì)量器具進(jìn)行精密的幾何數(shù)據(jù)檢測(cè)，并可進(jìn)行數(shù)值的分析，出具檢測(cè)結(jié)果。

7 視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)

使用高分辨率單反相機(jī)通過(guò)不同角度拍攝多幅二維照片，基于工業(yè)近景攝影測(cè)量原理，重建測(cè)量對(duì)象的關(guān)鍵點(diǎn)（檢測(cè)點(diǎn)）三維坐標(biāo)，可用于對(duì)微、中、大型物體的關(guān)鍵點(diǎn)三維快速測(cè)量。與傳統(tǒng)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)相比，沒(méi)有機(jī)械行程約束，不受被測(cè)物體大小、體積和外形的限制，能夠有效減少累計(jì)誤差，提高整體三維物體測(cè)量精度，解決微、中型設(shè)備檢測(cè)問(wèn)題。

8 結(jié)語(yǔ)

視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)較大的特色就是非接觸式測(cè)量，具備高精度和高速率的特點(diǎn)，非接觸式檢測(cè)無(wú)磨損，消除接觸檢測(cè)中形成的二次損傷隱患。常見(jiàn)的測(cè)量應(yīng)用包含齒輪、接插件、汽車(chē)零部件以及機(jī)械電氣設(shè)備中動(dòng)態(tài)參數(shù)檢測(cè)等。當(dāng)然這種新興的檢測(cè)方式還不成熟也不夠完善，存在很大的改進(jìn)空間。只有我們計(jì)量檢測(cè)人員不斷的創(chuàng)新和探索，才能解決廣大企業(yè)檢測(cè)的需求和技術(shù)難題。因此，正確認(rèn)識(shí)和利用視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)能夠使其在計(jì)量檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮重大作用。