前言

計(jì)算機(jī)視覺(jué)的應(yīng)用大致上可以分成定位、量測(cè)、識(shí)別、缺陷檢測(cè)四大類(lèi)，其中以定位的應(yīng)用最為廣泛。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以用來(lái)檢視主機(jī)板上的電子組件，也可以用來(lái)控制機(jī)械手臂，在機(jī)械手臂上加裝CCD，利用影像辨識(shí)的定位，帶動(dòng)機(jī)械手臂來(lái)做病毒研究、藥物混合等一些高危險(xiǎn)性的醫(yī)療研究。除了精準(zhǔn)之外，對(duì)人類(lèi)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(duì)的函數(shù)庫(kù)（Library）很多，使用者可以自行選用合適的函數(shù)庫(kù)。以下所提的系統(tǒng)采用Euresys公司開(kāi)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(kù)，速度非常快，而且能夠達(dá)到次像素（sub-pixel）精度的匹配結(jié)果。對(duì)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(duì)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

公式：X2 = X1 + ΔX

Y2 = Y1 + ΔY

圖1 坐標(biāo)位移示意圖

● 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)

（1）將（X1，Y1）轉(zhuǎn)換成極坐標(biāo)→ （X1，Y1） = （R1，θ1）

其中，R1 = √X12 + Y12

θ1 = arctan（ Y1 / X1 ），即反正切函數(shù)

（2）θ2 = θ1 + θ，其中，θ= 表示旋轉(zhuǎn)角度

得出 X2 = Cos （θ2） * R1

= Cos （arctan（Y1/X1）+θ） *

√X12 + Y12

Y2 = Sin（θ2） * R1

= Sin（arctan（Y1/X1）+θ） * √X12 + Y12

圖2 坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的示意圖

● 坐標(biāo)位移+旋轉(zhuǎn)

遇到同時(shí)發(fā)生坐標(biāo)位移和旋轉(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。

下面介紹如何設(shè)計(jì)出結(jié)合“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”與“計(jì)算機(jī)視覺(jué)”的自動(dòng)化定位系統(tǒng)。

基本架構(gòu)

● GEME-3000主控制器：含HSL控制卡，安裝Windows XP操作系統(tǒng)

● 3-Axis定位平臺(tái)：三菱伺服馬達(dá)+滾珠螺桿

● 運(yùn)動(dòng)控制器：HSL-4XMO控制模塊

● 計(jì)算機(jī)視覺(jué)組件：使用IEEE 1394 CCD采集影像，利用Euresys eVision的

EasyMatch進(jìn)行影像比對(duì)（Pattern Match），作定位偏移的補(bǔ)正計(jì)算。

完整的實(shí)際系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)機(jī)圖

系統(tǒng)校正

● Mitsubishi驅(qū)動(dòng)器調(diào)校：10 000 pulse/roll，即運(yùn)動(dòng)控制卡送出10 000個(gè)脈波，馬達(dá)會(huì)轉(zhuǎn)一圈。

● 滾珠螺桿的螺距vs. Pulse/Roll：如，螺距=10mm/roll，10 000 pulse/roll意味著1μm/pulse，即每發(fā)出一個(gè)脈沖，螺桿會(huì)前進(jìn)1μm。

● F.O.V.（Field of View）的選定：F.O.V.要大于定位點(diǎn)的大小，太小則導(dǎo)致可接受的“初步定位”誤差變小；太大則導(dǎo)致因定位點(diǎn)影像太小，影像定位誤差大。

● CCD工作距離的選定：工作距離要大于打孔頂針，以免對(duì)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，即求出鏡頭和延伸環(huán)。

教導(dǎo)作業(yè)

● 啟動(dòng)系統(tǒng)3軸回到初始位置，待3軸回定位后，再由人工將工件置于3軸之定位平臺(tái)上并作“初步定位”；

● 手動(dòng)控制Z軸緩慢下降，使其接近定位平臺(tái)上方（約0.5～1.0mm）；

● 手動(dòng)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(dòng)移動(dòng)工件，使其定位更準(zhǔn)確。

● 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)行圖4所示的流程圖。

圖4 圖像處理軟流程圖

自動(dòng)定位

● 由人工將工件置于3軸定位平臺(tái)上，作“初步定位”后并啟動(dòng)本系統(tǒng)；

● 系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)3軸定位平臺(tái)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)”的標(biāo)準(zhǔn)影像做“影像比對(duì)”作業(yè)；

● 計(jì)算出“初步定位”的偏移量（Shift X/Y）及旋轉(zhuǎn)角度 （Rotation Angle）；

tx = GoldeXY［CCD_Find］［1］ - m_Find.GetCenterX（）;

ty = GoldeXY［CCD_Find］［0］ - m_Find.GetCenterY（）;

if （CCD_Find==0） { //第一次定位

shiftx = ZeroX - tx*Calibration;

shifty = CCD_Y - ty*Calibration;

} else { //第二次定位

dx = CCD_Locate［1］［0］ - tx*Calibration;

dy = CCD_Y - ty*Calibration;

angle = atan2（ dy - shifty， shiftx-dx）;

CalNewLocate（angle， shiftx， shifty）;

}

● 通過(guò)“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）。

void CalNewLocate（F64 angle， F64 shiftx， F64 shifty）

{

int i;

F64 P［TOTAL_POINT*2］;

F64 t;

for （i=0; i《TOTAL_POINT; i++） { //極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

P［i*2］ = sqrt（ OrgLocate［i*2］ * OrgLocate［i*2］

+ OrgLocate［i*2+1］ * OrgLocate［i*2+1］）;

P［i*2+1］ = atan2（ OrgLocate［i*2］，

OrgLocate［i*2+1］）+ angle;

}

for （i=0; i《TOTAL_POINT; i++） {

t = P［i*2］*sin（P［i*2+1］）;

NewLocate［i*2］ = （shiftx + t）*SCALE_X;

t = P［i*2］*cos（P［i*2+1］）;

NewLocate［i*2+1］ = （shifty + t）*SCALE_Y;

}

}

結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)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。使用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以保護(hù)人眼的健康和提高檢測(cè)精度，而機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)能24小時(shí)不停頓地工作，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)。

此外，在危險(xiǎn)工作環(huán)境中，在需要快速處理的軍事武器操控，實(shí)時(shí)、大量的生產(chǎn)線上，在量測(cè)、定位、對(duì)象判別等高精確性工作中，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)也都有很好的應(yīng)用前景。

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