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四川大学硕士学位论文 机器视觉在云母叠片叠台机中的应用 测试计量技术及仪器专业 研究生朱海英指导教师赵世平 机器视觉以其非接触测量及检测速度快、标准统一、精度适应性强等优点， 逐步深入应用于现代化工业生产中。尤其在现代自动化生产中，机器视觉系统 主要用来监测生产情况和检测产品质量，以提高现代生产的柔性和自动化程度。 由于现代自动化生产的产品种类繁多，因此实现工况监测和产品在线检测所需 要的机器视觉检测系统也是多种多样。由此可见，机器视觉检测系统都是根据 特定的检测对象而设计，以完成不同的检测任务。 在云母叠片叠台机中，机器视觉检测系统主要用来监测系统运行情况以及 完成被检测对象的参数测量。从云母叠片叠台机的系统技术要求和检测任务出 发，设计出了一套机器视觉检测系统，该系统能够完成对两种不同质地的被检 测对象的类型识别和几何参数的测量，以此提高云母叠片叠台机的自动化程度、 智能化水平和生产效率；节约工厂的生产管理成本。机器视觉系统在云母叠片 叠台机中的应用主要涉及到如下内容： 1 、分析机器视觉关键技术，结合仪器的设计要求和检测任务，论述云母叠 片叠台机中的机器视觉系统采用的关键技术，确定系统所需硬件，并重点分析 照明光源的选取和照明方案的设计。 2 、为了更好的完成系统检测任务，必须采用最优的图像处理技术，以便能 更好的对实时获取图像进行分析处理。抓住被检测对象的图像特征，重点介绍 如何从背景中提取被检测对象，以及采用何种滤波技术、增强技术、二值化以 及边缘增强技术。 3 、通过分析被检测对象的轮廓特征以及实时图像特征，确定被检测对象的 类型识别理论依据和几何参数测量思想，最后论述软件实现过程。 四川大学硕：l 学位论文 4 、分析机器视觉检测系统的检测结果的误差来源，重点介绍系统硬件误差、 图像处理误差和系统标定误差来源，并提出了减小误差的策略。 文中所论述的机器视觉系统顺利地运用在云母叠片叠台机中，实时监测系 统的运行情况，完成系统的检测任务。 关键词：云母叠片叠台机机器视觉照明光源图像处理微粒滤波类型识别 参数检测 t h ea p p li c a t i o no fm a c h i n ev i s i o n 工nt h em i c ac a p a c i t o ro fl a m i n a t i n gm a c h i n e m a j o r ：m e 2 l s u r e m e n tt e c h n o l o g ya i l di n s t n m l e n t g 瑚d 嘲t e ：z h uh a i y i n g a d v i s o r ：z h a os h i p i n g m a c h i n ev i s i o nw i t hn o n c o n t a c t m e a s u r e m e n t ， d e t e c t i o n f a s t e r ， s t a n d a r d s u n i f i e d ， s t r o n ga d a p t a b i l i t ya c c u r a c ya d v a n t a g e sf o r t h e g r a d u a lm o d e r n i z a t i o no fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n e s p e c i a l l yi nm o d e r n a u t o m a t e dp r o d u c t i o n ， m a c h i n ev i s i o n p r o d u c t io na n dp r o d u c tq u a lit yt e s t in g ， s y s t e m su s e dt om o n it o rm a j o r r a i s i n gp r o d u c t i o nf l e x i b i l i t y a n dt h ed e g r e eo fa u t o m a t i o n d u et ot h em o d e r na u t o m a t i o ni n d u s t r l ， p r o d u c em o r ea n dm o r e p r o d u c t s ， d i f f e r e n c em a c h i n ev i s i o n s v s t e m i sr e q u i r e dt of i n i s hm o n i t o rm a n u f a c t u r es i t u a t i o na n dp r o d u c t so n l i n e r e a l t i 脚e i n s p e c t t h i ss h o w st h a tt h em a c h i n ev i s i o n i n s p e c t i o n s y s t e m sa r eb a s e do nt h ed e t e c t i o no f s p e c i f i ct a r g e t sd e s i g n e dt o a c c o m p lis h d if f e r e n td e t e c t e dt a s k s 工nm i c ac a p a c i t o ro fl a m i n a t i n gm a c h i n e ，w eu s e m a c h i n ev i s i o ns v s t e m t om o n l t o r s y s t e mp e r f o r m a n c ea n d c o m p l e t i o nt h ed e t e c t e do b e c t p a r a m e t e rm e a s u r e m e n t a c c o r d i n gt ot h et e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t so fm i c a c a p a c i t o ro fl a m i n a t i n gm a c h i n ea n dt h ei n s p e c t i o nt a s ko fs y s t e m ，d e s i g n an e wm a c h i n ev i s i o n i n s p e c t i o ns y s t e m t h ei n s p e c t i o ns y s t e mc a nb e c o m p l e t e do nt w od i f f e r e n c et e x t u r ei nt h ed e t e c t i o no f t y p eo bj e c t r e c o g n i t i o na n df i n i s hg e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h em e a s u r e m e n t t h em i c a c a p a c i t o ro f 1 a m i n a t i n gm a c h i n ee n h a n c e st h ec o m p a n y s d e g r e eo f a u t o m a t i o n ， i n t e l l i g e n c ea n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y ：s a v i n gt h ec o s to f i i l 一 婴型_ 大堂堡主堂竺丝茎 - _ j _ - _ i _ _ _ - _ - _ _ _ i _ _ - - _ _ _ _ _ _ - _ - l l - _ - - 一一一。一 一一 d r o d u c t i o n t h ea p p l i c a t i o no fm a c h i n ev i s i o ni nt h em i c ac a p a c i t o ro f l a m i n a t i n gm a c h i n ei sr e f e r r i n gt on e x tc e n t r a l c o n t e n t s ： a n a l y s iso fk e ym a c h i n e v is i o nt e c h n 0 1 0 9 y ， ac o m b i n a t i o no f e q u i p m e n td e s i g n a n dt e s t i n gt a s k s ，d i s c u s s e dt h ek e yt e c h n 0 1 0 9 yo f m a c h i n ev i s i o ns y s t e m s ， d e t e r m i n et h es y s t e mh a r d w a r e 。 a n a l y s i st h e s e l e c t i o no fli g h t i n gs o u r c ea n dd e s i g nl i g h t i n gp r o g r a m t oc o m p l e t et h es y s t e md e t e c t i o nm i s s i o n ， i tm u s tt ob et h eo p t i m a l u s eo fi m a g ep r o c e s si n gt e c h n o l o g ya n da c c e s s t or e a l 一ti m ei m a g e p r o c e s s i n g s e i z et h ed e t e c t e do b j e c to fi m a g ef e a t u r e s ， f o c u s i n go nh o w t oe x t r a c td e t e c t e do b j e c tf r o mb a c k g r o u n d ， a n dd e t e r m i n e dt h et y p eo f f i1 t e r i n gt e c h n i q u e s ， e n h a n c et e c h n o l o g y ， a n dt h ev a l u eo ft e c h n o l o g y a n de d g ee n h a n c e m e n t b ya n a l y z i n gt h ed e t e c t e do b j e c tc o n t o u r sa n df e a t u r e sr e a l t i m e i m a g ec h a r a c t e r i s t i c s ， d e t e r m i n et h e t y p e o fo b j e c td e t e c t i o n t h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h e i d e n t i f i c a t i o na n dm e a s u r e m e n to ft h e g e o m e t r i cp a r a m e t e r so ft h i n k i n g ， i td i s c u s s e st h ep r o c e s so fs o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o n a n a l y s i so fm a c h i n e v i s i o ni n s p e c t i o ns y s t e md e t e c t e dt h e e r r o r s o u r c e s ，f o c u s i n go nt h eh a r d w a r es y s t e me r r o r ， i m a g ep r o c e s s l n ge r r o r a n ds v s t e mc a li b r a t i o ne r r o rs o u r c e ， a n dg i v eas t r a t e g yt or e d u c et h e e r r o r t h em a c h i n ev i s i o ni sr u n n i n gw e l l i nt h em i c ac a p a c i t o r o f 1 a m i n a t i n gm a c h i n e ， a n de f f i c i e n tm o n i t o rr u n n i n gs i t u a t i o no ft h ew h o l e s y s t e m ， a c c o m p li s h t h ed e t e c t i o nt a s k k e y w o r d s ： m i c ac a p a c i t o ro fl 鲫i n a t i n gm a c h i n e ， m a c h i n ev i s i o n ， i 1 1 u m i n a t i 。nl i g h ts o u r c e ，i m a g ep r o c e s s i n g ，p a r t i c l ef i l t e r ， o b j e c tr e c o g n i t i o n ， p a r a m e t e rd e t e c t i o n 。 i v 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 作者签名： 帆警封 7 l 翩签名饵 时间：兰：= 里：坚岁 四川大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 引言 云母电容器是以云母片作为介质，并以金属箔或烧渗在介质上的金属层作 为电极制成的电容器【i j 【2 j 。云母电容器具有优良的电性能，绝缘电阻高，损耗很 小，可靠性很高，并且其温度、频率特性稳定等优点，被广泛应用在对于电容 器的稳定性和可靠性要求很高的场合。云母电容器是航空发动机点火装置上重 要的储能元件，因此云母电容器的性能优劣直接影响到发动机的性能，更可能 导致航空设备不能够圆满完成预定任务。虽然云母电容器的性能在很大程度上 依赖于云母介质的性能，但是也决不能忽视结构和制造工艺对云母电容器性能 的影响。 1 2 课题背景 某仪表厂目前生产箔式电极云母电容器芯组成型的过程主要是由手工操作 完成，在进行叠片叠台之前，工人首先对焙烧干燥好的云母片进行选片和量片 分组，其次还要将电极裁剪成规定长度。前期工作准备好后，才能进行叠片叠 台操作。目前工厂生产云母电容器芯组大致可分两步进行： 1 云母叠片 先将几片薄云母片( 通常是具有不同厚度) 用有特制的黏合剂粘贴在一起， 形成一定厚度的云母单元，作为云母电容器的层间绝缘介质。在叠片过程中工 人依靠眼睛判断，手工调整来保证云母片之间的对准精度。 2 云母与铝箔叠台 按产品生产工艺要求，将云母片与铝箔电极用黏合剂间隔叠合，形成一个 电容器的芯组。为了保证云母电容器的精度和稳定性，在叠台过程中，不仅要 保证云母之间的对准精度，还要保证电极之间的对准精度和所有电极与云母叠 四川人学硕1 ：学位论文 合的面积必须一致。 目前该厂生产箔式电极云母电容器芯组的生产工艺存在以下问题： 1 ) 生产过程中没有合理利用生产时间； 2 ) 工人劳动强度大，产品生产效率不高： 3 ) 云母与铝箔选片判断标准不统一； 4 ) 产品质量受工人主观因素和工作态度影响较大； 5 ) 手工裁剪电极材料不仅费时、费力，还造成较大的原材料浪费； 6 ) 黏合剂中的二甲苯溶剂，危害工人身体健康； 7 ) 黏合剂的用量与工人操作的熟练程度有关。 因此，工厂急需一种能够代替人工操作的进行叠片叠台仪器，该仪器不仅 要能完成云母叠片和云母与铝箔电极叠台操作；还要能够自动识别云母和铝箔 的类型和保证产品质量；仪器还应具备提高生产效率和降低工人劳动强度，减 少工厂的生产管理成本等优点。 1 3 云母叠片叠台机概述 云母叠片叠台机是我们为某仪表厂特别研制的，它是专门用于云母叠片、 云母与铝箔叠台的仪器，该仪器能够代替人工叠片叠台操作。操作工人只需要 按照云母电容器的生产工艺要求，设置各项技术参数，准备云母片，以及将电 极材料铝箔安装在传送裁剪机构上，然后启动系统让仪器自动运行。系统在运 行中遇到问题时，会根据需要请求工人配合参与操作。 下面我们将介绍云母叠片叠台机的工作原理、云母叠片工作原理以及云母 电容器叠台工作原理，最后将会简单介绍云母叠片叠台机中几个主要模块的功 能。 1 3 1 云母叠片叠台机工作原理 云母叠片叠台机的工作原理结构框图如图1 1 所示。在图中右下方的两个 2 四川大学硕士学位论文 方向指向的箭头中，水平向左的箭头为x 轴，垂直向上的箭头为y 轴，垂直 x y 平面的为z 轴。沿着y 轴方向从下往上依次为叠台工位一、叠台工位二、 叠片工位三。该仪器采用三个独立龙门工作台( 图中的三个传动机构) ，每个工 位在x 、y 、z 工作范围约为6 0 0 m m x 5 0 0 m m x l o o m m 。吸盘( 操作机构) 垂直 安装在z 轴方向上，它可以在z 轴上做上下运动。该吸盘是我们自行研发的特 制的矩形外形吸盘，虽然它的工作原理和常规的吸盘是相同的，但是在关键结 构上还是具有独创性。吸盘在气动机构控制下，能够在z 轴上上下运动；并且 能够在运动系统的控制下，它可以在x 轴方向上的传动轴上左右移动，并根 据系统要求，可以准确停留在x 轴方向上的任一设定位置上。吸盘z 轴上向下 运动过程中，系统也同时开启气动机构产生负压，当产生的负压达到一定程度 时，吸盘就能够准确地吸起云母片( 或云母单元) 或金属铝箔。如果关闭负压 回路，云母片( 或云母单元) 和铝箔便可自动释放。通过前期反复试验表明， 该方法简单、可靠、易于实现，使用的压缩空气可以直接释放在外部环境中， 绿色环保。 成品工位 厂 i _ j凿困囡圈圈囡圈 园目口团固圉 图1 1 云母叠片叠台机的结构框图 四川大学硕士学位论文 1 3 2 叠片工位工作原理 云母叠片工位的工作原理结构示意图如图1 2 所示。从图中可以大致将云 母叠片工位的工作原理可分为以下步骤： 1 首先将筛选好的、并测量分组完毕的云母片分别按生产要求放入不同的 云母工位内； 2 系统或操作工人将根据成品的厚度要求和原材料厚度，计算并确定云母 片的组合策略； 3 系统根据确定好的云母片组合策略，控制吸盘运动到指定的云母工位内 进行吸片； 4 吸到云母片后，吸盘运动到图像检测工位上方做视觉检测； 5 根据第4 步视觉检测结果，吸盘运动到喷胶工位上方，随后涂胶( 这里 的胶指的是前面提到黏合剂，后面无特殊说明，都将“黏合剂 用“胶”代替) 系统进行挤胶喷涂操作； 6 吸盘运动到成品工位上方后，吸盘下移的同时系统关闭真空回路，完成 放料操作； 7 重复步骤3 6 ，直到完成设定的云母单元数时，系统提示任务完成，请 用户输入下一步工作计划。 成品工位 口凿图团圈国圜圈 图1 2 叠片工位结构框图 4 四川大学硕士学位论文 1 3 3 叠台工位工作原理 叠台工位的工作原理结构框图如1 3 所示。具体的操作步骤如下： 园目口团圈 图1 3 叠台工位结构框图 1 首先将铝箔正确安装在铝箔工位右端的裁剪机构上； 2 接着将预先筛选好的、并测量分组完毕的云母片或从云母叠片成品工位 取出的云母单元正确放在云母工位上； 3 根据生产要求设置好云母与铝箔的各项参数； 4 运行主程序，系统首先控制吸盘运动到云母工位进行吸片； 5 吸盘运动到图像检测工位正上方，进行视觉检测，主要的检测任务是类 型识别、缺陷、几何参数等是否满足技术要求； 6 根据第5 步的判断结果，将吸盘运动到涂胶工位上方，随后涂胶系统进 行挤胶喷涂操作； 7 系统随后控制吸盘运动到成品工位正上方，吸盘下移同时系统自动关闭 真空回路，完成放料操作： 8 完成放料后，系统控制吸盘运动到铝箔工位上进行铝箔片的吸片； 9 吸到铝箔后，吸盘运动到图像检测工位正上方，做视觉检测，主要是检 测任务是类型识别及缺陷、几何参数等是否满足要求技术要求； 1 0 根据第9 步的判断结果，吸盘运动到涂胶工位上方，随后涂胶系统进行 挤胶喷涂操作。 1 1 随后吸盘运动到成品工位正上方，吸盘下移同时系统关闭真空回路完成 放料动作； 1 2 重复步骤3 1 1 ，直到完成设定好的层数，系统提示任务完成，请用户输 四川大学硕士学位论文 入下一步工作计划。 1 3 4 云母叠片叠台机中主要模块的功能介绍 从云母叠片叠台机的工作原理可以得出：云母叠片叠台机主要由机械系统、 运动控制系统、视觉检测系统、软件系统等几个子系统构成。机械系统主要包 括叠片叠台机的主体构架、工作平台、三个龙门架、汽缸、吸盘、轴向运动机 构、喷胶机构、铝箔进料机构等；运动控制系统主要包括轴向运动的驱动控制、 i o 信号控制、图像触发采集控制等；视觉检测系统主要包括系统标定、被检测 对象的类型识别、尺寸测量、元件位置测量等：软件模块主要包括用户操作界 面软件管理、控制软件、视觉处理和检测软件以及用户数据库管理软件等。 云母叠片叠台机的机械系统主要是由工作平台、安装在工作平台上的三个 固定龙门架、龙门架上的丝杆副、以及与丝杆副配合使用的气缸、吸盘、平衡 结构等机械结构组成。其中与丝杆副配合使用的气缸、吸盘、平衡结构等相关 机构，能够通过伺服机构在龙门架上沿x 轴方向上左右运动，控制系统还能够 让吸盘根据系统要求，准确定位在x 轴上的任一位置。 由于云母叠片叠台机是一个复杂的机、电、气、光系统，它所要实现的各 项功能都是在系统软件的统一指挥下，根据具体的生产技术要求，由控制系统 协调完成的。因此，控制系统是整个云母叠片叠台机的核心所在。根据控制系 统所涉及到的被控制对象，从功能上可将控制系统分为两大块模块：运动控制 模块和i o 控制模块。运动控制模块主要以系统三个工位上的运动轴为控制对 象，主要包括伺服电机的速度、加速度以及运动轨迹等的控制；i 0 控制模块 主要是以各类传感器为控制对象，它通过获取各类传感器的信号完成对各种开 关、电磁阀等的控制，如运动轴上的限位开关、云母和铝箔工位上的原料检测 传感器信号的获取，气动阀的控制、空气压力的检测、以及c c d 相机图像触发 采集信号等的获取与控制。 云母叠片叠台机的机器视觉检测系统既可以看作是一个专门的机器视觉检 测系统，完成系统要求的各项视觉检测任务；也可以看作是整个控制系统中的 子反馈环节，配合系统其它功能模块一起工作。在本系统中，机器视觉检测系 6 四川大学硕士学位论文 统主要是作为控制系统中的重要反馈环节。该机器视觉检测系统通过获取仪器 工作过程的云母或铝箔实时图像，并运用图像处理技术，对实时图像进行分析 处理；再利用视觉检测技术完成各项检测任务：被检测对象的类型识别、几何 参数测量以及结果判断；然后将机器视觉检测的判断结果反馈给主控制系统； 最后由控制系统发出运行命令，来指挥吸盘的下一步动作是将被检测对象 送到涂胶工位上完成涂胶任务；还是将云母片( 或云母单元) 以及铝箔直接送 到指定的废料仓内；还是返回到本次操作的位置，重新吸取目标对象。因此， 从整个系统功能上来看，机器视觉检测系统在云母叠片叠台机中是运动控制系 统的一个极其重要的反馈环节。它不仅可以实时监测到吸盘的工作情况；还能 够及时将检测情况反馈给控制系统。因而控制系统可根据需要及时调整运动系 统的工作轨迹，让整个系统能够自动按照预先设定的任务进行操作，减少人工 主观因素的影响，提高系统的运行效率和和系统的自动化程度。 由于云母叠片叠台机的关键和重点部分是运动控制模块和视觉检测模块， 为了能够顺利完成仪器预期设计任务，我们进行了合理分工：我和同组的另一 位成员分别承担视觉检测模块和运动控制模块的设计任务。当然除了完成各自 的主要设计任务外，我们还需要共同协作完成系统的各项试验和调试工作。为 了突出工作重点，本文主要针对机器视觉检测系统进行详细论述。 1 4 机器视觉技术应用概述 机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机 器视觉产品( 摄像装置，主要有c m o s 和c c d 两种) 将获取到的目标信号转 换成图像信号，传递给专用的图象处理系统；图像处理系统对图像信号进行各 种运算来提取目标特征和识别判断，进而根据判断的结果来控制现场中其它设 备的运行动作。 机器视觉系统的主要特点是提高现代生产的柔性和自动化程度。在一些不 便于人工操作或人工视觉难以满足检测要求的场合，常常可用机器视觉来代替 人眼视觉。在大批量工业生产过程中，采用人眼视觉检测工业产品质量效率很 低，而且检测精度也不高，并且检测结果往往受检测者主观因素影响很大。如 7 四川大学硕士学位论文 果采用机器视觉检测的方法，就可以保证检测标准的一致性，提高生产效率和 自动化程度，降低生产管理成本。 在国外，机器视觉应用的普及主要体现在半导体及电子行业，其中大概 4 0 5 0 都集中在半导体制造行业中。机器视觉系统还在产品质量检测领域得 到了广泛应用，并且视觉产品在应用中起着举足轻重的作用。 在国外，机器视觉用于云母表面质量的检测，最早始于1 9 8 8 年。当时苏联 有两位工程师设计出采用电视技术来检测云母片的质量的装置。由于电视摄象 机的分辨能力比人眼的视觉分辨能力强得多，因此该系统的检测效率、精确度 和灵敏度都很高。不过在当时看来，该系统最大的缺点就是检测设备比较昂贵， 维修比较复杂p j l 4 j ，也没有进行大力推广。 而在国内，由于半导体及电子行业本身就属于新兴领域，加之机器视觉产 品技术的普及不够，导致其在这些领域中应用很少。目前在我国，随着各种配 套基础建设的完善，技术、资金的逐渐积累，各行各业对采用视觉检测技术的 工业自动化、智能化需求开始广泛涌现。国内有关大专院校、研究所和企业近 年也在图像和机器视觉技术领域进行了积极探索和大胆尝试，逐步开始了在国 内工业现场的应用。 在国内，采用机器视觉技术来检测云母表面质量及其几何参数的测量，由 于诸多原因，目前并没有查阅到相关报道，也没有比较详尽的应用示例。因此， 我们在云母叠片叠台机中采用机器视觉检测技术，实时在线识别云母和铝箔的 类型以及两者的参数测量，没有现成的经验可循，只能进行探索研究。 在未来的几年内，随着中国加工制造行业的不断发展，对于机器视觉的需 求也逐渐增多；随着机器视觉产品的增多和视觉产品生产技术的提高，国内机 器视觉机的应用状况将由初期的低端领域转向高端领域。由于机器视觉的引入， 生产自动化将朝着更智能、更快速的方向发展。另外，由于用户的需求的多样 化，且要求程度也不相同。因此个性化方案和服务在竞争中将日益重要，即采 用特殊定制的视觉产品来代替标准化的视觉产品也是机器视觉未来发展的一个 趋向。机器视觉的应用，也将进一步促进自动化技术朝向更加智能化发展。 四川大学硕士学位论文 1 5 课题研究的意义 目前工厂采用的人眼检测进行云母的选片，以及在生产过程中通过人眼判 断手工调整来保证产品质量的方法已经不能够满足现代化大生产的需要，急需 一种新型检测方法来代替人眼视觉检测。由于机器视觉技术的不断发展和完善， 用户可以根据自身需要，设计出个性化的视觉检测方案，满足不同的检测目的。 因此，结合云母电容器的生产要求，以及云母叠片叠台机的设计理念，我们将 机器视觉检测系统引入其中，完成检测任务。 机器视觉检测系统的引入，可以为云母叠片叠台机倍添如下性能： 1 ) 提高仪器的自动化和智能化水平； 2 ) 减轻工人劳动强度，降低生产的危险性，提高产品生产效率； 3 ) 统一检测判断标准，排除主观因素影响； 4 ) 极大地降低工厂生产管理成本。 1 6 课题研究的主要内容 本文综合分析了工厂目前的生产和检测情况，阐述了在云母电容器生产过 程中采用机器视觉检测技术的重要性。本文的研究目的在于为云母电容器的芯 组生产过程提供先进的检测设备。本文依据机器视觉系统的一般工业应用研究 情况，就云母叠片叠台机中的视觉检测系统的检测任务进行如下研究工作： 1 在介绍机器视觉关键技术的基础上，从课题的检测任务出发，设计出一 整套针对云母铝箔类型识别、几何参数测量的视觉检测系统。 2 分析机器视觉检测系统所获取的图像特征，确定视觉检测系统中的图像 处理技术。为了突出视觉检测系统的图像处理技术的亮点，重点介绍了对象的 提取技术和对象增强技术。 3 根据图像处理技术对被检测对象的图像的处理结果，结合被检测对象自 身特点，确定类型识别和几何参数测量的方法。 4 分析机器视觉检测系统的误差来源，重点论述了系统硬件误差、图像处 理误差和系统标定误差，并提出了减小误差的策略。 9 四川大学硕士学位论文 第二章机器视觉关键技术 机器视觉是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、 图象处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。机器视觉主要是用计算机来模拟 的视觉检测功能，但它并不仅仅是人眼功能的简单延伸，更重要的是具有人脑 的一部分功能从客观事物的图像中提取信息，进行图像处理并加以理解， 最终用于实际检测、测量和控制系统中。近年来，随着计算机技术尤其多媒体 技术以及数字图像处理分析理论的不断发展完善，加之大规模集成电路的飞速 发展及应用，机器视觉技术得到了较为广泛的研究和应用【5 】- 【8 】o 接下来将具体介绍通用的机器视觉系统的关键技术，以及本文所采用的机 器视觉检测系统结构、原理以及硬件选择。 2 1 机器视觉关键技术 一个典型的机器视觉系统是一项综合技术，其中包括数字图像处理技术、 机械工程技术、控制技术、光源照明技术、光学成像技术、传感器技术、模拟 与数字视频技术、计算机软硬件技术、人机接口技术等。光源、镜头、c c d 和 图像采集卡是机器视觉系统的硬件部分，而图像处理技术是机器视觉检测系统 的软件部分。 合理正确地选用照明光源、镜头、c c d ( 摄像机) 和图像采集卡，是为后 续图像处理软件打好基础。由于光学系统成像质量的好坏直接影响到视觉处理 软件的分析和处理难度，最终也影响着机器视觉系统实际运行的准确性、稳定 性和可靠性，因此获取高质量的图像是机器视觉的第一步。以下就光源的照明 技术( 光源技术) 、光学镜头、摄像机( c c d ) 、图像采集卡以及图像处理技术 等进行详细介绍。 l o 四川大学硕士学位论文 2 1 1 光源 在机器视觉系统中，照明光源的选取至是关重要的。优良的光源及照明方 案是机器视觉系统在实际应用中成败的关键因素。一个好的光源与照明方案应 当具备如下特点：尽可能突出物体的特征量；在物体需要检测的部分与那些不 重要部分之间尽可能产生明显的区别；增加对比度；保证足够的整体亮度；物 体位置的变化不应该影响成像的质量【9 】。光源设备的选择必须符合所要检测对 象的几何形状；同时，照明亮度、均匀度、发光的光谱特性也必须符合被检测 对象光学性能；同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命以及光源电路。表2 1 列出了集中主要光源的相关特性。 表2 1 各种光源对比 光源颜色寿命( 小时)发光亮特点 度 卤素灯白色，偏5 0 0 0 7 0 0 0很亮发热多，较便宜 黄 荧光灯白色，偏 5 0 0 0 7 0 0 0 亮较便宜 绿 l e d 妇4红、白、6 0 0 0 0 1o 0 0 0 0较亮发热少，固态，能够做成 绿、蓝不同形状 氙灯白色，偏 3 0 0 0 刁0 0 0 旯发热多，持续光 蓝 电致发光由发光频 5 0 0 0 7 0 0 0较亮发热少，较便宜 管率决定 从表2 1 中可以看出，l e d 灯具有显色性好、光谱范围宽( 可覆盖整个可 见光范围) 、发光强度高、稳定时间长、使用寿命长等特点。机器视觉系统稳定 工作的必要条件是：在外部条件不断变化( 外部光噪声，目标的倾斜，材质和 系统类型的变化) 的情况下，持续获得对比鲜明的图像，而l e d 光源则是满足 四川大学硕士学位论文 该条件较为理想的光源。 白色l e d 技术从1 9 9 8 年开发成功以来，基于白色l e d 的照明技术在国内 外迅速兴起【l u j l l 。白光是多种颜色混合而成的光，目前实现自光l e d 的技术 大抵可分为三种：一是用i n g a n 蓝色l e d 激发钇铝石( y a g ) 荧光粉或其它荧 光粉；二是利用三基色( r g b ，即红光、绿光、蓝光) 原理将红、绿、蓝三种 高亮度l e d 混合成白光；三是用紫外光l e d 激发三基色荧光粉或是其他荧光粉， 产生多色光混合成白光。三种技术均已实现产业化，其结构也从单芯片到多芯 片不等。目前单芯片l e d 适宜中较为成熟的产品。 目前虽然白光l e d 仍处于发展阶段，但与目前的光源设备比较，l e d 光源 有发光效率高、使用寿命长、可低电压驱动、无汞和紫外线污染等特点。由于 一个l e d 光源是由许多单个l e d 发光管组成，因而可以根据实际使用系统的需 要，将光源做成多种形状，如环形、长方形、点阵系列、莲蓬头形。另外，由 于l e d 是直流供电器件，可以根据使用的需要制成直流光源。 2 1 2 镜头 镜头是机器视觉系统中必不可少的成像部件，它的性能直接影响成像质量 的优劣，最终影响图像处理技术的算法实现和处理效果。光学镜头在机器视觉 系统的影响图像优劣程度可用像差的大小来衡量，常见的像差有球差、慧差、 像散、场曲、畸变、色差等六种p 儿川。 通常，光学镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头；从视场 大小分有广角、标准，远摄镜头；结构上分有固定光圈定焦镜头，手动光圈定 焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变 焦镜头，电动三可变( 光圈、焦距、聚焦均可变) 镜头等。对于相同等级的定 焦和变焦镜头而言，定焦镜头比变焦镜头的像差要小；因为对变焦镜头必须折 中考虑，使得各种在不同焦距下的成像质量都相对较好，不允许出现在变焦范 围内某个焦距成像下很差的情况。因此，在机器视觉应用系统中，在被测对象 性能已知的情况下，应优先选用定焦镜头以减小图像的像差。当然，对于光学 镜头的性能，还要综合考虑图像的放大倍率、视场大小、光圈大小、焦距、视 1 2 四川大学硕士学位论文 角大小等因素进行具体的选择：也不能忽视光学镜头和摄像机的安装接口。 2 1 3 摄像机( c c d ) 视觉图像获取有两种方式：主动视觉和被动视觉。主动视觉是只通过器件 本身发光来产生视觉图像；被动视觉则指有传感器被动接收目标对象和环境的 反射光来产生视觉图像。摄像机是常用的被动视觉传感器，其核心部件是电子 耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 。 c c d 是利用感光二极管( p h o t o d i o d e ) 进行光点转换，将图像转换成数字 信号。c m o s 传感器与c c d 传感器是类似，两者的主要差异在于对数字信号传 送的方式不同。c c d 传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到 下一个像素中，由低端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出； 而在c m o s 传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及a d 转换电路，用类似 内存电路的方式将信号进行输出。 造成两者这种差异的原因在于：c c d 的特殊工艺可保证数据在传送时不会 失真，因此各个像素的数据可汇集至边缘再进行放大处理；而c m o s 工艺的数 据在传送距离较长时会产生噪声，因此必须先放大，再整合各个像素的数据。 正是由于c c d 和c m o s 传感器的数据传送方式的不同，导致他们在效能上和 应用中也有诸多差异。但是c c d 传感器在影像品质等方面均优于c m o s 传感 器。为此，目前选择c c d 传感器的摄像机还是一种大趋势。 对于摄像机的选择，还需要根据系统的要求综合考虑镜头和图像采集卡的 情况来选择摄像机的参数。摄像机的选择除了考虑黑白彩色、数字模拟、面阵 线阵、精度、速度外，还需要考虑的因素有：摄像机与图像采集卡之间的数据 传输接口、摄像机与镜头之间的连接接口等。 2 1 4 图像采集卡 在机器视觉系统中，图像采集卡是图像采集部分和图象处理部分的接口。 四川大学硕士学位论文 该条件较为理想的光源。 白色l e d 技术从1 9 9 8 年开发成功以来，基于白色l e d 的照明技术在国内 外迅速兴起【l u j l l 。白光是多种颜色混合而成的光，目前实现自光l e d 的技术 大抵可分为三种：一是用i n g a n 蓝色l e d 激发钇铝石( y a g ) 荧光粉或其它荧 光粉；二是利用三基色( r g b ，即红光、绿光、蓝光) 原理将红、绿、蓝三种 高亮度l e d 混合成白光；三是用紫外光l e d 激发三基色荧光粉或是其他荧光粉， 产生多色光混合成白光。三种技术均已实现产业化，其结构也从单芯片到多芯 片不等。目前单芯片l e d 适宜中较为成熟的产品。 目前虽然白光l e d 仍处于发展阶段，但与目前的光源设备比较，l e d 光源 有发光效率高、使用寿命长、可低电压驱动、无汞和紫外线污染等特点。由于 一个l e d 光源是由许多单个l e d 发光管组成，因而可以根据实际使用系统的需 要，将光源做成多种形状，如环形、长方形、点阵系列、莲蓬头形。另外，由 于l e d 是直流供电器件，可以根据使用的需要制成直流光源。 2 1 2 镜头 镜头是机器视觉系统中必不可少的成像部件，它的性能直接影响成像质量 的优劣，最终影响图像处理技术的算法实现和处理效果。光学镜头在机器视觉 系统的影响图像优劣程度可用像差的大小来衡量，常见的像差有球差、慧差、 像散、场曲、畸变、色差等六种p 儿川。 通常，光学镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头；从视场 大小分有广角、标准，远摄镜头；结构上分有固定光圈定焦镜头，手动光圈定 焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变 焦镜头，电动三可变( 光圈、焦距、聚焦均可变) 镜头等。对于相同等级的定 焦和变焦镜头而言，定焦镜头比变焦镜头的像差要小；因为对变焦镜头必须折 中考虑，使得各种在不同焦距下的成像质量都相对较好，不允许出现在变焦范 围内某个焦距成像下很差的情况。因此，在机器视觉应用系统中，在被测对象 性能已知的情况下，应优先选用定焦镜头以减小图像的像差。当然，对于光学 镜头的性能，还要综合考虑图像的放大倍率、视场大小、光圈大小、焦距、视 1 2 四川大学硕士学位论文 角大小等因素进行具体的选择：也不能忽视光学镜头和摄像机的安装接口。 2 1 3 摄像机( c c d ) 视觉图像获取有两种方式：主动视觉和被动视觉。主动视觉是只通过器件 本身发光来产生视觉图像；被动视觉则指有传感器被动接收目标对象和环境的 反射光来产生视觉图像。摄像机是常用的被动视觉传感器，其核心部件是电子 耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 。 c c d 是利用感光二极管( p h o t o d i o d e ) 进行光点转换，将图像转换成数字 信号。c m o s 传感器与c c d 传感器是类似，两者的主要差异在于对数字信号传 送的方式不同。c c d 传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到 下一个像素中，由低端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出； 而在c m o s 传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及a d 转换电路，用类似 内存电路的方式将信号进行输出。 造成两者这种差异的原因在于：c c d 的特殊工艺可保证数据在传送时不会 失真，因此各个像素的数据可汇集至边缘再进行放大处理；而c m o s 工艺的数 据在传送距离较长时会产生噪声，因此必须先放大，再整合各个像素的数据。 正是由于c c d 和c m o s 传感器的数据传送方式的不同，导致他们在效能上和 应用中也有诸多差异。但是c c d 传感器在影像品质等方面均优于c m o s 传感 器。为此，目前选择c c d 传感器的摄像机还是一种大趋势。 对于摄像机的选择，还需要根据系统的要求综合考虑镜头和图像采集卡的 情况来选择摄像机的参数。摄像机的选择除了考虑黑白彩色、数字模拟、面阵 线阵、精度、速度外，还需要考虑的因素有：摄像机与图像采集卡之间的数据 传输接口、摄像机与镜头之间的连接接口等。 2 1 4 图像采集卡 在机器视觉系统中，图像采集卡是图像采集部分和图象处理部分的接口。 四川大学硕士学位论文 由于图像的传输需要很高的传输速度，通用的传输接口不能满足传输要求，这 就是需要图像采集卡的主要原因。图像采集卡一般具有如下功能： ( 1 )图像的接收和d 转换模块，负责将图像信号放大和数字化； ( 2 ) 摄像机控制输入输出接口，主要负责协调摄像机进行同步或是异步 重置拍摄、定时拍摄等； ( 3 ) 总线接口，负责通过计算机内部总线高速传输输出数据，一般采用 p c i 接口，传输速率可高达1 3 0 m b p s ，完全能胜任高精度图像的实时 传输，且占用较少的c p u 时间； ( 4 ) 显示模块，负责高质量的图像实时显示； ( 5 ) 通讯接口，负责通讯。 其中显示模块、通讯接口是一些图像采集卡的附加增强功能。一些高档的 图像采集卡还带有d s p 数字处理模块，能进行高速