自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

0自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)自動(dòng)光學(xué)檢測是指使用光學(xué)成像技術(shù)（通常使用攝像頭）從測量目標(biāo)圖像，并通過高速數(shù)據(jù)處理和圖形識別算法從圖像中接收目標(biāo)的大小、位置、方向、光譜特性、結(jié)構(gòu)和錯(cuò)誤。此外，還可以進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量分析、裝配線上零件的鑒定和定位、過程監(jiān)控中的測量、過程控制的反饋、分類和組件等任務(wù)。自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)是機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。近幾年來,隨著半導(dǎo)體、LCD、PCB、光通信以及精密組裝等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)發(fā)展非常迅速。目前已經(jīng)在半導(dǎo)體業(yè)、電子業(yè)、工業(yè)機(jī)器人、汽車零件制造子系統(tǒng)、印刷、鋼鐵、紡織、醫(yī)療與醫(yī)藥等諸多行業(yè)得到不同程度的廣泛應(yīng)用。例如自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)可以成功地代替檢驗(yàn)員檢測集成電路板和多晶硅,可以用于汽車車身裝配的在線測量。在醫(yī)藥行業(yè)可以對液體制劑的灌裝液位、瓶體內(nèi)雜質(zhì)及封蓋質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測,對各種藥品實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分選等。在包裝行業(yè)對外包裝打碼效果,對外包裝的滿箱及數(shù)量進(jìn)行檢測等。一個(gè)自動(dòng)光學(xué)檢測系統(tǒng)通常包括照明光源、光學(xué)成像、精密機(jī)械傳動(dòng)、圖像采集與預(yù)處理、圖像處理與圖形識別等部分。文中重點(diǎn)從光源照明、成像技術(shù)、圖像預(yù)處理、圖像處理與圖形識別幾個(gè)方面介紹自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題。1led照明水源在自動(dòng)光學(xué)檢測中,光源照明技術(shù)涉及到照明方法與打光技巧,它決定了自動(dòng)光學(xué)檢測系統(tǒng)能夠攝取目標(biāo)的信息種類,例如在缺陷檢測中,照明的改變(如光強(qiáng)與方位的變化)會嚴(yán)重影響攝像機(jī)對缺陷信息的靈敏度與分辨能力,尤其是檢測曲率變化較大的且具有較強(qiáng)光學(xué)反射率的復(fù)雜表面(如BGA封裝中的半球形引腳),光源的選擇與打光技巧更為重要。在自動(dòng)光學(xué)檢測中,常用的照明方式有結(jié)構(gòu)照明與均勻照明、明場照明與暗場照明、直接照明與散射照明、傾斜照明與同軸照明、偏振照明等,另外每種照明光源發(fā)出的光還有顏色、色溫等參數(shù)。采用合理的照明方式,才能在攝像機(jī)獲取的圖像中得到所需的目標(biāo)信息。在自動(dòng)光學(xué)檢測中,常用照明光源種類有LED、鹵素?zé)?光纖導(dǎo)管、熒光、激光等。這幾種光源各有特色,熒光燈的亮度差和穩(wěn)定性差,在許多機(jī)器視覺系統(tǒng)中用得越來越少,鹵素?zé)?光纖導(dǎo)管價(jià)格昂貴,并在實(shí)際應(yīng)用中使用壽命太短,使用者要定期更換燈泡來保證亮度;LED具有穩(wěn)定性好和壽命長的優(yōu)勢,但亮度沒有鹵素?zé)?光纖導(dǎo)管好。因此,在不同的自動(dòng)光學(xué)檢測場合,需要根據(jù)不同的需求選擇光源。但是,由于LED穩(wěn)定性好、壽命長和顏色豐富,通過多個(gè)LED的組合可以產(chǎn)生各種照明方式,選擇合適的LED光源顏色在復(fù)雜的顏色背景中可以突出被檢特征,消除干擾,因此LED光源目前在自動(dòng)光學(xué)檢測系統(tǒng)中用得最多。當(dāng)前用于自動(dòng)光學(xué)檢測的商品化的LED照明光源模組生產(chǎn)廠家有:日本的Moritex,SCS,美國的Ai,PhotonscopeInc.德國的Schott,新加坡的OrientalsystemEngneeringPteLtd等。但是,購買商品化的LED光源模組有時(shí)難以適應(yīng)組裝線的特殊要求,而要根據(jù)組裝線的空間大小、被檢測的物體特性等要求設(shè)計(jì)合適的專用LED照明光源。2圖像的高精度處理自動(dòng)光學(xué)檢測中常用的成像方法有:基于掃描技術(shù)的高速點(diǎn)掃描、光電二極管或光電倍增管采集掃描點(diǎn)散射光成像的方法;采用線陣傳感器掃描成像的方法和采用面陣傳感器成像的方法。最常用的光學(xué)成像傳感器是線陣和面陣CCD或CMOS傳感器,一般來說CCD傳感器線性好、信噪比高,CMOS動(dòng)態(tài)范圍大、速度快,至于哪種傳感器更適合,需根據(jù)具體情況來定。比如對于精密測量來說,使用CCD傳感器比較好,但對于成像物體表面有較強(qiáng)的反射或散射光的場合,使用CMOS傳感器更好。對于大范圍高精度成像,常采用顯微與掃描相結(jié)合的方法,但是要得到高精度的圖像需要高精度移動(dòng)機(jī)臺。就目前的技術(shù)來看,在較短的時(shí)間內(nèi)迅速拍攝幾幅在不同的燈光照射下的清晰圖像,或用幾臺在不同位置的攝像機(jī)拍攝的圖像,沒有難度,因?yàn)楫?dāng)前CCD和CMOS器件的發(fā)展已相當(dāng)成熟,用這些器件組裝成的攝像機(jī)在精度、清晰度、速度等方面都已達(dá)到很高的水平。用固定的光照,基本相同的距離拍攝出一幅幅清晰的圖像在攝像技術(shù)上比較容易做到。用X、Y絲杠、精密導(dǎo)軌、交/直流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)按預(yù)定預(yù)先編排好的程序,使被攝的目標(biāo)和攝像機(jī)做相對運(yùn)動(dòng),按照運(yùn)動(dòng)-拍攝-運(yùn)動(dòng)的掃描成像規(guī)律拍攝圖像,這種機(jī)械結(jié)構(gòu)與自動(dòng)控制技術(shù)目前也是比較成熟的技術(shù)。但是這種大范圍的掃描機(jī)臺的定位精度一般在微米級以下,若要得到亞微米或納米級精度,目前還有許多問題需要解決。在上述提到的幾種成像方法中,一般得到的是二維圖像,若要攝取三維圖像,往往需要用2個(gè)或更多的裝在不同位置的攝像機(jī)攝制不同的多幅圖像,或改變燈光照射角度,用同一攝像機(jī)分別攝取不同的多幅圖像,再經(jīng)綜合分析得出真實(shí)的立體表述;或采用激光三角法得到物體的三維重構(gòu)圖像。遺憾的是,在許多場合,如精密組裝和微裝配中,若要準(zhǔn)確地獲得目標(biāo)的三維信息(如高度、形貌、三維物體的方位等),只是簡單地采用前面所說的方法難度很大,因此需要借助其他途徑,如把共焦顯微、白光干涉技術(shù)或其他顯微成像技術(shù)與大范圍掃描成像技術(shù)結(jié)合起來。采取這種方法可以解決檢測精度問題,但共焦與白光干涉在高度方向上通常也需要掃描,因此如何在實(shí)現(xiàn)高精度的情況下,滿足高速的生產(chǎn)線的要求,實(shí)現(xiàn)高速成像,就成了自動(dòng)光學(xué)檢測中一個(gè)難題。3玻璃底板圖像的處理在許多生產(chǎn)線上,對于目標(biāo)的定位,目標(biāo)的高度、形貌、方位、缺陷的在線檢測和對裝配機(jī)械(如機(jī)器手)的視覺引導(dǎo)需要多個(gè)攝像機(jī)才能完成,圖像的數(shù)據(jù)量非常大,如某型號的TFT-LCD玻璃底板表面缺陷的視覺檢測設(shè)備,由14臺9126像素的HS-80-08K80CameraLink線陣掃描攝像機(jī)組成,單個(gè)攝像機(jī)的最高數(shù)據(jù)速率為640MHz,掃描檢測7.5代的玻璃底板表面得到的圖像大小達(dá)584.76GB,總的圖像處理時(shí)間要求小于84.55s。為了實(shí)現(xiàn)前述的高速數(shù)據(jù)處理能力,目前自動(dòng)光學(xué)檢測設(shè)備開發(fā)廠家采用如下方法:圖像采集采用CameraLink、1394或GigabitEthernet接口的數(shù)碼攝像機(jī),每個(gè)攝像機(jī)輸出的圖像通過(預(yù)處理)接口板自動(dòng)地分配給一臺甚至多臺CPU去處理,圖像預(yù)處理采用多圖像處理卡和多處理器分布式并行預(yù)處理的架構(gòu)方式,如采用Dalsa-coreco的Anaconda、Matrox公司的Odyssey和GiDEL公司的PROCStarII實(shí)時(shí)圖像處理卡組成的多計(jì)算機(jī)分布式實(shí)時(shí)處理系統(tǒng),處理能力可以達(dá)到420MB/sec左右。目前通用PC機(jī)CPU處理能力越來越強(qiáng),鑒于通用工控CPU可靠性好、成本低、構(gòu)建系統(tǒng)的研發(fā)周期短等特點(diǎn),可把一幅圖像自動(dòng)分塊(比如2塊或4塊),各塊分別交給一個(gè)工控CPU去并行處理的高速處理技術(shù),工控CPU之間可以進(jìn)行信息交換,各個(gè)處理結(jié)果由一臺主控機(jī)合成,這樣就可以大幅度地提高圖像預(yù)處理速度,甚至可以達(dá)到640MB/sec。4旋轉(zhuǎn)不變性方面的應(yīng)用圖像處理與圖形識別牽涉到從預(yù)處理后的圖像中辨別零部件、檢查零部件的品質(zhì)、判別零部件的位置和方向等高端圖像處理算法。20世紀(jì)90年代前的Cognex公司在自動(dòng)光學(xué)檢測行業(yè)的輝煌,主要得益于該公司開發(fā)出的“歸一化相關(guān)”(normalizedcorrelation)模板匹配方法,這種算法既不受圖像攝取時(shí)的絕對光照強(qiáng)度影響,也不受被測物體(場景)的光照對比度的影響,它能夠以亞像素精度給出最佳匹配結(jié)果。甚至在目標(biāo)場景(如裝配零件)有缺損或有污染等條件下,也能準(zhǔn)確地給出匹配結(jié)果。但它沒有縮放功能,很難實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)不變性。Cognex,在1998年進(jìn)一步改進(jìn)了“歸一化相關(guān)”匹配算法,研究出了基于遺傳算法的模板匹配方法PatMax,該方法除了具有“歸一化相關(guān)”匹配方法的優(yōu)點(diǎn)外,還具有旋轉(zhuǎn)與縮放的不變性。后來其他公司,如Matrox,NationalInstuments,Coreco,Germany’sStemmerImaging和MVTecHalcon等,也競相開發(fā)了類似的算法。雖然這些模板匹配法解決了目標(biāo)的識別、定位與裝配機(jī)械的運(yùn)動(dòng)控制問題,但是生產(chǎn)過程中,自動(dòng)光學(xué)檢測的更重要任務(wù)是執(zhí)行在線檢測,如在食品與藥品的玻璃瓶封裝時(shí),檢測瓶蓋是否裝緊和密封性是否達(dá)到要求等;在PCB板的組裝過程中,元器件放置在板上的方向是否正確,器件引腳是否準(zhǔn)確對上焊盤等。又如在許多精密的微機(jī)電系統(tǒng)精密組裝過程中,零部件的表面非常光滑,成像后圖像中的特征對比度非常小,特征可能淹沒在復(fù)雜的背景中,這就牽涉到低對比度下的目標(biāo)特征提取問題。這些問題不僅牽涉到圖像處理的本身,還牽涉到打光技術(shù)。照明光源設(shè)計(jì)得合理,光照方向合理對比度就會提高,就會減小圖像處理的難度;方位(尤其是在三維空間的方位)的判別與成像方法密切相關(guān),在低對比度下又必須首先解決圖像中的特征提取問題。雖然目前已經(jīng)開發(fā)了許多高級算法,但是每種算法只適用于特定場合與特殊任務(wù),且在某些高度限制的場合才有效,這也是到目前為止限制自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)進(jìn)步的重要因素。5組建自動(dòng)光學(xué)檢測系統(tǒng)的難點(diǎn)文中從照明方法與打光技巧、高精度成像方法、高速圖像預(yù)處理技術(shù)、圖像處理與圖形識別的算法4個(gè)方面介紹了自動(dòng)光學(xué)檢測技術(shù)的發(fā)展