機器計算機視覺的應用－打孔機影像定位系統設計
http://www.moduwu.com 2006-07-10 17:36 來源：凌華科技（中國）有限公司
連錦湮/凌華科技自動化產品事業部
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 
1. 將 (X1,Y1) 轉換成極坐標 à (X1,Y1) = (R1, θ1)
其中, R1 = √ X12 + Y12
θ1 = Tan-1( Y1 / X1 ) 反正切函數
2. θ2 = θ1 + θ, 其中, θ = 表示旋轉角度
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
l GEME-3000主控制器： 含HSL控制卡, 安裝Windows® XP操作系統
l 3-Axis定位平臺：三菱伺服馬達+滾珠螺桿
l 運動控制器：HSL-4XMO控制模塊。
l 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。 
[圖1] 系統架構實機圖
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
l Mitsubishi 驅動器調校：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.要大于定位點的大小，太小à可接受的“初步定位”誤差變小；太大à因定位點影像太小，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
l 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” ；
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。
l 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
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；
l 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，
l 計算出“初步定位”之偏移量(Shift X/Y) 及 旋轉角度 (Rotation Angle)； 
l 通過“極坐標轉換” ，重新計算工件上所有孔位的新坐標 (Point Table)。 
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
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