機器視覺的起步從20世紀(jì)80年代開始，到目前為止，從技術(shù)發(fā)展的角度講，已經(jīng)經(jīng)歷了大約3個發(fā)展階段。第一階段是色差傳感器階段；第二階段是各種視頻卡紛起階段；第三階段是嵌入式視覺系統(tǒng)和視頻卡并存的階段。根據(jù)這幾年的發(fā)展來看，在今后的幾年是視覺發(fā)展的重要階段，而嵌入式系統(tǒng)也將扮演越來越重要的角色。
目前全球整個視覺市場總量大概在60~70 億美元，主要集中在歐美和日本，在中國大約有1~2億美元的市場。按照我國的GDP增長速度8％來說，其中工業(yè)增長的份額為20％~30％，按照保守的估計，視覺的增長速度不應(yīng)該低于10％~15％。
首先我們來了解一下機器視覺和機器視覺系統(tǒng)的定義。顧名思義，機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將要檢測的目標(biāo)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號，這些數(shù)字量信號再傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)（分嵌入式和視頻卡方式），圖像處理系統(tǒng)根據(jù)要檢測的任務(wù)要求來設(shè)置檢測任務(wù)。然后根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。
機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)線自動化程度。尤其是在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人眼難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。
西門子機器視覺系統(tǒng)屬于嵌入式視覺系統(tǒng)，分為VS100系列和VS700系列。VS100系列是專用型視覺產(chǎn)品，SIMATIC VS 100 系列視覺系統(tǒng)用于特定的圖像處理任務(wù)。SIMATIC VS 110用于輪廓檢測、SIMATIC VS 120目標(biāo)查找和搜索、SIMATIC VS 130二維碼的檢測。傳感器通過“示教”而非編程進(jìn)行和配置，因而不需要專門的圖像處理知識且價格低廉。
SIMATIC VS 700 系列通用視覺系統(tǒng)主要用于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測和質(zhì)量控制。這種通用系統(tǒng)可以通過編程完成圖像采集、圖像處理、負(fù)載驅(qū)動以及聯(lián)網(wǎng)通訊（通過PROFIBUS或工業(yè)以太網(wǎng)）等所有功能－非常適宜于在一個測試循環(huán)中完成許多的測試任務(wù)。正是由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，人們將機器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。在中國，這種應(yīng)用也在逐漸被認(rèn)知，且?guī)碜钪苯拥姆磻?yīng)就是國內(nèi)對于機器視覺的需求將越來越多。
西門子視覺系統(tǒng)在煙草行業(yè)的應(yīng)用
煙草行業(yè)在中國是一個很大的行業(yè)，每年都可以為政府創(chuàng)造大量的稅收和就業(yè)機會。云南是中國煙草行業(yè)中最重要的省份，在該省有許多大的煙草企業(yè)，例如曲靖煙廠、玉溪煙廠、紅河煙廠等。這些企業(yè)的管理層高度重視產(chǎn)品的質(zhì)量，他們也愿意選用最好的自動化設(shè)備來提升他們產(chǎn)品的質(zhì)量。而煙機是自動化領(lǐng)域中最復(fù)雜的機器之一，同時香煙的生產(chǎn)速度又非常快。例如，軟包線的生產(chǎn)速度是360包/分鐘，由于生產(chǎn)速度很快且產(chǎn)品的包裝又非常軟，所以，在生產(chǎn)過程中有許多不合格品產(chǎn)生。及時發(fā)現(xiàn)不合格品并將其剔除是非常重要的，否則不合格品將會流到下一道工序并被包裝和裝箱并流入市場。對于不合格品，盡管它不影響使用，但它會降低用戶的滿意度，用時也會削弱品牌價值和產(chǎn)品信譽度，而所有這些絕對是管理層所不愿意看到的。對于香煙的包裝檢測，主要有以下3類：
■ 軟包檢測
■ 硬包檢測
■ 條盒檢測
由于軟包的外包裝比較軟，容易變形，所以檢測軟包是所有檢測中最難的。對于軟包，一個最主要的問題是表面破損。而檢測主要包含商標(biāo)打印（是否漏印，方向是否正確，位置是否正確） ；頂部小花（是否漏印，方向是否正確，位置是否正確）；頂部和底部的內(nèi)部包裝質(zhì)量 ，內(nèi)包裝和外包裝的相關(guān)位置檢測等。
因為生產(chǎn)線的速度非常快（6包/秒）而檢測任務(wù)又非常復(fù)雜和緊急，因此用人工在生產(chǎn)線上發(fā)現(xiàn)不合格品并將其剔除是不可能的。
目前的檢測方式是人工抽檢。也就是說，實際上無法在線檢測。而結(jié)果就是有很多的不合格品流入市場，但管理層卻無法控制也無法知道具體數(shù)量。
對于高速的應(yīng)用場合，機器視覺是唯一的解決方案。我們提供西門子新一代機器視覺VS720系列。
該系統(tǒng)使用智能視覺傳感器替代人眼來完成檢測任務(wù)和邏輯運算工作，該視覺傳感器在0.4毫秒內(nèi)捕捉圖像并將其發(fā)送到內(nèi)部處理器中。經(jīng)處理器數(shù)字化后，該機器視覺系統(tǒng)就可以評估其顏色、表面和尺寸等。根據(jù)其計算結(jié)果，通過外部接口信號我們就可以實現(xiàn)設(shè)備對煙盒的自動檢測和剔除。
選用機器視覺系統(tǒng)，我們可以做到：
■ 減少產(chǎn)品周轉(zhuǎn)費用
■ 縮短機器停工期
■ 提升產(chǎn)品質(zhì)量
對于煙包檢測，我們使用兩個視覺傳感器分別對煙包的前部、后部、左部、右部和頂部5個面進(jìn)行圖像捕捉，然后用定位分析“軟傳感器” (VS720系列軟件Spectation 功能)確定軟包的邊緣，根據(jù)確定邊緣后的實際位置來進(jìn)行檢測任務(wù)。例如，對于頂部的圖像，我們采用諸如密度、特征值計數(shù)、模板匹配、測量等“軟傳感器”來實現(xiàn)檢測任務(wù)。檢測結(jié)果輸出到S7 300 PLC，該控制器進(jìn)行編程來完成對剔除裝置的控制，輸出信號到執(zhí)行系統(tǒng)-氣閥來剔除不合格品。
經(jīng)過在線調(diào)試后，我們獲得了滿意的結(jié)果。幾乎全部標(biāo)記過不合格品被全部剔除。現(xiàn)在，實際的不合格率并不高，估計在1%或更低。在正常生產(chǎn)過程中，每秒可生產(chǎn)6包煙，以每天12小時生產(chǎn)計算，每天可生產(chǎn)約265000包，所以說每天的不合格品數(shù)量還是比較高。
應(yīng)用該系統(tǒng)可保證不合格品不流入市場，這樣就可以提升產(chǎn)品等級，用戶的滿意度和潛在的品牌價值，當(dāng)然也可以降低回收的費用。該項目成功應(yīng)用后，我們有理由期待機器視覺在煙草行業(yè)有更多的應(yīng)用。
西門子視覺系統(tǒng)在汽車行業(yè)的應(yīng)用
在汽車行業(yè)，產(chǎn)品的精度和質(zhì)量都必須滿足要求的這種需求正在與日俱增。因此，現(xiàn)在汽車行業(yè)生產(chǎn)的特點是越來越快的生產(chǎn)周期和大量原材料和零部件的供應(yīng)。這就給機器視覺系統(tǒng)提供了用武之地，機器視覺正逐步被看作任何自動化解決方案中的一個完整的組成部分，成為自動化技術(shù)領(lǐng)域中的一個標(biāo)準(zhǔn)學(xué)科。
今年紐倫堡舉行的SPS/IPC/DRIVES展示會以機器視覺系統(tǒng)為展示的中心，這一點同樣表明了機器視覺與日俱增的重要性。通過VS100和VS720圖像傳感器，西門子自動化和驅(qū)動集團(tuán)展示出大量的可用于制造工業(yè)的各個領(lǐng)域的視覺系統(tǒng)。機器視覺正快速的進(jìn)入各個領(lǐng)域，占據(jù)一個又一個的工業(yè)部門。在電子工業(yè)中，特別是像高精度的晶片位置識別或位置校正以及用于SMT（表面安裝設(shè)備）裝配零件檢測這樣的領(lǐng)域，幾年來已經(jīng)形成了這樣的共識: 現(xiàn)在要滿足高質(zhì)量和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的唯一方式就是使用靈活的圖像處理方法。不管怎樣，機器視覺目前已經(jīng)是不可缺少了，即便是擁有能夠提供最佳精度級別的三維自動裝配和適應(yīng)大量不同種類和改進(jìn)種類裝配線的汽車行業(yè)也不例外。
■ 一個通用的標(biāo)準(zhǔn)的重要性
從前，機器視覺系統(tǒng)只是局限于少數(shù)專家人員使用。自從引進(jìn)了很容易集成到自動化解決方案中的智能圖像系統(tǒng)后，圖像處理在自動化技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用以難以置信的速度增長。西門子的服務(wù)范圍從適合一般應(yīng)用的通用系統(tǒng)，擴展到了所有的專用系統(tǒng)，提供幾乎適合所有需求的最優(yōu)解決方案。
汽車工業(yè)在發(fā)動機和變速箱的制造中，使用西門子視像系統(tǒng)檢測零部件，記錄裝配零件的制造日期。零部件供應(yīng)商用它檢測零件尺寸精度，校正汽車零部件的壓力，還可用于正確安裝安全帶及其他類似的安全配件。
■ 對質(zhì)量的考慮
改進(jìn)質(zhì)量和增加產(chǎn)量是世界領(lǐng)先的汽車制造巨頭選擇投資機器視覺的主要原因。一個例子就是汽車工業(yè)使用光學(xué)設(shè)備來檢查彈簧裝配的完整性。位于Erlangen的Heitec AG作為西門子自動化解決方案的提供者，為此定制系統(tǒng)，提供了包括裝卸系統(tǒng)和機器視覺系統(tǒng)的完整解決方案。
檢測裝置是用光學(xué)方法檢測彈簧裝配得是否正確。彈簧裝配包括1個金屬軸，內(nèi)插一個陶瓷圓柱，10個曲片彈簧墊圈和1個終端片。為了能夠檢查正確裝配，將彈簧安裝在一個輪軌上通過傳送帶傳送經(jīng)過一個攝像機，任何攝像機識別出來不合格的“壞品”都被氣壓缸噴出，而“正品”被運送到一個緩沖站，在這里它們會被拿去做深加工。
所使用的圖像處理系統(tǒng)包含1個西門子VS110視像傳感器和1個紅外光的照明設(shè)備；處理系統(tǒng)由自動傳送設(shè)備（能夠支持10個彈簧組）和1個剔除“壞品”的自動噴射裝置組成。整個檢測設(shè)備由西門子S7-200控制。
使用該裝置可以顯著提高質(zhì)量和增加產(chǎn)量。實際上，在Heitec工程師們滿懷信心的認(rèn)為它能夠使“我們的客戶不用多久就能收回他們的投資”。
西門子視覺系統(tǒng)的特點
■ 西門子VS100--智能實施方案
隨著西門子VS100套件的出現(xiàn)，西門子已經(jīng)步入一個全新的設(shè)備范疇。該范疇包括檢查小零件的形式、型號和位置，也包括按ECC200閱讀2維代碼。并以此為目的設(shè)計了VS110、VS120和VS130視圖傳感器，它是一個完整的器件，包括照明單元、控制單元、傳感器和電纜線。
所有VS100范圍內(nèi)的視圖傳感器都是即插即用的，簡單易學(xué)，無需專門的培訓(xùn)指導(dǎo)。由于該系統(tǒng)是“示教”而不用編程，因此即便是非專業(yè)人士也可毫不費力地掌握圖像處理。使用掉電保護(hù)可以保存多達(dá)15種不同的檢測程序，并可以快速轉(zhuǎn)換到其他型號或類型。得益于系統(tǒng)傳感器工藝設(shè)計的緊湊，使得西門子VS100家族的產(chǎn)品可以與多種傳輸系統(tǒng)，諸如振蕩傳輸系統(tǒng)、傳送帶或者卡具相連。此外，一些標(biāo)準(zhǔn)接口如RS232、Profibus、工業(yè)以太網(wǎng)使得視圖傳感器能夠靈活、簡便地集成到復(fù)雜的自動控制環(huán)境中。
■ 西門子VS720--為專門需求量身定做
新型VS720生產(chǎn)線專門用于處理更為復(fù)雜的任務(wù)，是西門子VS700通用攝像套件的完美補充，增強了西門子在靈活，通用系統(tǒng)領(lǐng)域中的地位。所有功能，比如圖像捕捉、圖像加工、最終結(jié)果的生成以及通信都是結(jié)合在一個緊湊的過程中的，是在一個檢測周期進(jìn)行幾種檢測任務(wù)的理想方案。
新套件目前包含有6個智能攝像機滿足機器視覺的不同需求，例如自動檢測、生產(chǎn)監(jiān)視和零件識別。VS721 CMOS和VS722基本型代表了適用于大批"常規(guī)"任務(wù)、較為經(jīng)濟(jì)的解決方案。而帶有CMOS攝像頭的VS721，特別適用于精度要求不是非常高而價格比較經(jīng)濟(jì)的場合。VS723是一臺用于高速攝影的攝像機，例如包裝技術(shù)領(lǐng)域，以及眾多需要執(zhí)行性能檢測任務(wù)的領(lǐng)域，例如表面檢測。VS724是高分辨率攝像機，提供高達(dá)130萬像素，能拍攝非常詳細(xì)的圖像，因此非常適合需要高精度的檢測任務(wù)。VS725彩色專門用于另外的應(yīng)用領(lǐng)域。由于該系統(tǒng)具備分析色彩和檢測特定色彩值的能力，因此可以通過彩色碼，安全、可靠地區(qū)分零部件，檢測標(biāo)簽的打印色或是識別膠珠。
■ 面向自動化世界
VS720系列中的攝像機提供1個集成以太網(wǎng)接口和8個可自由配置的數(shù)字輸入、輸出端。攝像機可以很容易地通過以太網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)上，并接受幾乎任何一臺PC機的訪問，因此極大地簡化了設(shè)備的維護(hù)和診斷。VS鏈接接口模塊可以在一臺監(jiān)視器顯示幾個攝像機所拍攝的圖像。也可以通過Profibus與連接模塊相連，這樣可以省去用做監(jiān)測功能的另外的PC機。而且，由工業(yè)以太網(wǎng)提供的帶寬，能使質(zhì)量數(shù)據(jù)和故障圖像快速在外部設(shè)備上做備份。
Simatic組態(tài)軟件由于具有很多檢測功能，它能提供用戶友好的方法來建立定制的圖像處理解決方案，即在無攝像機連接時，可以使用仿真器來進(jìn)行組態(tài)。
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