本文從機器視覺概念與原理出發，介紹了機器視覺檢測系統的分類與應用以及機器視 覺技術在我國電子秤行業的最新應用案例。并以"數字、綠色〃為主旋律，闡述了我國自動衡器行業 中機器視覺智能技術的發展方向。

前言

在剛剛過去的代表中國工業風向標的2013中國國際工業博覽會上，以“數字、綠色”為主旋律 的“智能制造”已成為我國制造業的發展趨勢和轉型方向。在國際上隨著德國政府在2013年4月確 定未來工業生產過程推出“工業4.0”的“第四次工業革命”，上一次工業革命的標志是以數控和PLC為 代表，而本次工業革命將以CPS (Cyber Physical Systems信息物理系統）作為創新的驅動力。我國 工業控制自動化行業也紛紛推出了自動化產業鏈“智慧工廠1.0”的解決方案，所謂的“智慧工廠”就是 把大量的現場數據轉化為可執行的信息，通過自動化與信息化的融合，以期提高生產率并實現可持 續發展。“智慧工廠1.0”的目標是裝備制造電子化、數字化、網絡化，進而達到智能化，由常規 的工業資源驅動轉變為工業信息驅動。

作為智能制造的一大組成部分，在2013中國國際工業博覽會上涌現出一大批的工業自動化“機 器視覺”技術應用系統。國際工業自動化機器視覺領先企業如美國邁思肯（MICROSCAN)、意大利 DATALOGIC、美國邦納（BANNER)、德國施克（SICK)、日本OPTEX、中國科瑞等公司在機器視 覺領域推出了各自最新的機器視覺應用產品及系統集成。我國目前機器視覺已經作為一個產業在進 行推進。最新成立的中國機器視覺產業聯盟，旨在于推動中國機器視覺技術在國民經濟各領域中的 推廣應用，并促進中國機器視覺行業企業和國際企業的合作交流。

目前機器視覺技術在我國電子秤行業中，除了個別有超前意識的外資企業已有應用外，總體上來 說應用還是比較少，大家對于機器視覺技術的了解還是比較陌生或者不夠全面。本文試圖從機器視 覺技術的概念、原理開始介紹該技術在我國衡器行業中的一些最新應用。

一、概念與原理

機器視覺系統顧名思義就是采用機器代替人眼、用智能機器視覺處理代替人眼觀察并思維判斷。從 通過光學部件（例如CMOS或CCD相機或激光鏡頭）把抓拍圖像并把數據傳送至數字化處理單元， 根據像素分布和亮度、顏色等信息，來進行尺寸、形狀、顏色等的判別，進而控制現場的設備動作， 其特點是提高生產的自動化程度。機器視覺系統可廣泛地用于工況監視、成品檢驗和質量控制等領域。

機器視覺技術，是一門涉及人工智能、計算機、圖像處理、模式識別、神經生物學等諸多領域 的交叉學科。目前在我國工業產品的包裝生產檢測線上大量使用的是人工或稱重等傳統檢測技術， 但是機器視覺技術由于在智能化檢測精度和操作自動化方面的巨大優勢，相信在不遠的未來將替代 上述傳統的檢測技術。

機器視覺系統設備構成一般包括如下部分：光源、光學部件（包括鏡頭，工業高速照相機或激 光發生器）、圖像采集/處理卡、圖像數據處理單元及軟件、監視器、通訊/輸入輸出單元等。在 整個機器視覺系統中計算機系統是其核心部分，由圖像采集系統、圖像處理系統及信息綜合分析處 理系統構成。

下面分別簡要介紹機器視覺系統各組成部分的功能特點：

1.光源

光源的主要功能是產生光學信號，光源不能太暗或太亮。否則會影響視覺系統的質量。光源的 種類：熱輻射光源、氣體放電光源、固體放電光源、激光器。產品主要有LED、螢光燈、鹵素燈（光 纖光源）、特殊光源。

2.光學系統

光學系統由鏡頭（低通濾波器，完成信號傳遞）及配件（反光鏡、棱鏡、分光鏡、聚光棒、光源、偏光片、濾光片等）組成。

3.工業照相機

工業照相機按芯片分類為CCD攝像機（電荷耦合器件）、CMOS攝像機（互補金屬氧化物半導 體）。按像素排列方式劃分：面陣攝像機、線陣攝像機。

4.圖像采集/處理卡

圖像采集卡的主要功能：A/D轉換、圖像傳輸、圖像采集控制、圖像處理（FPGA、DSP)。

數字量圖像采集卡主要有：IEEE1394卡、RS-644 LVDS、Channel Link LVDS、Camera Link LVDS、千兆網圖像傳輸卡/傳輸器。

5.圖像處理系統

圖像處理系統或計算機的作用是執行圖像處理及分析，調用根據檢測功能所特殊設計的一系列 圖像處理及分析算法模塊，對圖像數據進行復雜的計算和處理，最終得到系統設計所需要的信息， 然后通過與之相連接的外部設備以各種形式輸出檢測結果及響應。其外部輸出設備可以包括顯示 器、網絡、打印機、報警器及各種控制信號。

圖像處理系統主要有：嵌入式圖像處理系統：DSP、FPGA、CPU;基于PC的視覺系統；小型 機器視覺系統；可二次開發的視覺系統：PPT、DVT、VC、Halcon等。

機器視覺的特點是自動化、客觀、非接觸和高精度，與一般意義上的圖像處理系統相比，機器 視覺強調的是精度和速度，以及工業現場環境下的可靠性。

二、分類與基礎部件應用

機器視覺檢測系統在工業在線檢測的各個應用領域按照檢測性質可分為定量和定性檢測兩大 類。定性檢測如：電子線路板及電子元器件的檢測、包裝物缺陷檢測、字符識別檢測；定量檢測如 加工型工件平行度和垂直度測量、容器容積或雜質檢測和幾何尺寸測量、包裝數粒等。

機器視覺檢測系統的基礎部件的應用主要體現在智能相機、視覺傳感器、嵌入式系統的三方面 的應用上。

1.智能相機的應用

智能相機為嵌入式識別和檢測應用提供可靠的視覺性能，可讀取一維和二維碼、光學字符識別 (OCR)、動態零件定位、裝配驗證、尺寸測量等信息。

普通智能相機或高速3D相機可根據實際應用選擇外接光源。

單機式智能相機視覺方案中具有可快速實施穩健檢測、可應用于產品批號驗證、光學字符識別 (讀取產品序列號）、精確重復測量（測量集成電路觸點）、塑料成型缺料檢測（載帶檢查）、模 式查找（定位和識別產品方向）和彩色驗證以及分揀（彩色瓶蓋檢測）等功能。

2.視覺傳感器的應用

視覺傳感器結合了光電傳感器和智能相機的功能，內置照明和集成光學組件，可提供強大的檢 測能力。內置照明光源可分為白光、紅外、紫外等多種形式。一般視覺傳感器具有多種相機單元， 如彩色樣式匹配相機單元、測量型相機單元和彩色OCR相機單元。通過觸摸屏和直觀的界面，可以 輕松快捷的設定檢測參數。彩色樣式匹配相機單元用于監控部件的顏色和形狀、輪廓圖、微分圖像、 全彩匹配、顏色像素總和、污點像素總和等；測量型相機單元用于監控部件的測量邊緣之間的距離、 測量引腳的間距、邊緣計數等；彩色OCR相機單元用于檢查日期、時間和文本是否正確。

3.嵌入式（Embeded)視覺系統的應用

嵌入式系統通過靈活的多相機提供最全方位的強大圖像處理功能。可在同一時間同時連接多個 格式的標準視覺相機（如面陣、線陣、高分辨率、3CCD等智能相機連接到同一處理器）。可用于 高分辨率圖像分析、高速產品檢測、多相機檢測、線掃應用、圖像展開、高分辨率彩色分析等檢測 功能。

各種不同的機器視覺軟件中的視覺程序管理控件可完成圖像過濾、定位、缺陷查找、測量、數 據通訊、編碼讀取、色彩檢測等軟件功能。嵌入式系統的控制面板管理器控件具有圖像控件、檢測 結果數據、應用軟件開發支持、通訊及安全控件等。

三、機器視覺在電子秤行業的應用

由于機器視覺在我國是一個逐漸崛起的新興技術，在過去的幾年里在工業電子以及半導體行業 應用較廣，例如PCB板缺陷檢測、IC芯片缺陷檢測。隨著我國工業自動化、智能化需求的廣泛出現， 各行各業對圖像和機器視覺技術的采用已經提到了“智慧工廠”配套基礎建設的議事日程。與自動衡 器相關的生產物流中的物品分揀，如包裝品、藥品檢測分檢分裝檢測、印刷質量檢測等需求大增。 機器視覺的應用正越來越多地代替人去完成許多工作，這無疑在很大程度上提高了生產自動化水平 和檢測系統的智能水平。

在現代包裝工業自動化生產中，飲料瓶蓋印刷質量檢查；產品包裝條碼和字符識別；微小尺寸精確測量、形狀、顏色辨識；對飲料PET容器或玻璃容器的封蓋、空瓶、液位、標識碼、標貼、裝 箱狀況的檢測均可以采用機器視覺技術。

基于目前我國衡器行業在物流動態稱重檢測中通常僅限于傳感器稱重技術，對于非電阻應變式 稱重技術的“機器視覺檢測技術”并非要求電子秤企業生產或研制機器視覺基礎部件，那是機器視覺產 業要做的事情，對于電子秤企業來說主要是系統集成與應用，應主要應用于換算重量、計數、尺寸檢 測、噴碼或貼標質量檢測、不良品缺陷檢測、X光異物檢測、動態監控等功能；加速機器視覺和圖 像處理技術在在稱重領域中的推廣，并在稱重應用領域有突破性的應用研發，趕上國際機器視覺的 先進水平。

1.成品包裝檢測流水線上的機器視覺

成品包裝視覺檢測系統利用相機捕捉通過檢測站的產品圖像。該系統軟件可處理和分析各種 圖像的貼標和包裝缺陷是否超出系統管理員預先設定的容差范圍。與手動檢測相比，使用機器視覺 檢測系統能提供更高的準確度，并且不再需要手動檢測人員，從而減少勞務成本，避免缺陷產品進 入市場。實施視覺檢測解決方案以監控飲料包裝的質量和安全性是一種快速實現投資回報的有效質 量控制方法。

梅特勒-托利多公司在玻璃瓶異物檢測（確保灌裝量、封蓋、容器污染物、芯片、標簽和印刷 質量)、塑料容器檢測（確保污染物、密封表面、橢圓度、標簽、螺紋質量)、托盤和平板包裝檢測 (確保標簽、印刷、密封食品的質量控制）、內含物檢測（確保紙箱、盒包裝內容完整性、標簽和 印刷質量）推出了不同的機器視覺產品的解決方案。

2.包裝數粒系統的機器視覺

上海大和2012年推出了一款即時數粒補償的數粒稱重一體機，主要解決現有糧食種子采用稱 重方法計算粒數的數粒和重量不對應，取樣物料和實際包裝物料有較大差異的技術問題，而該產品 可以即時進行數粒稱重補償，大大提高設定粒數包裝精度。主要應用于：種子、食品、醫藥等行業。 系統構成：具有圖像處理功能的光學攝像數粒機、數粒計量斗、定量秤三大部分組成。原理：經攝 像數粒機數粒的物料在數粒計量斗稱重，計算出單位重量后，根據包裝規格（包裝粒數）修改包裝 秤（組合秤/4斗秤）的目標重量。

3.倉儲自動化管理上的機器視覺

近來世界各工業國又開始把自動重量分選秤的功能進一步擴展到了倉儲裝箱自動化管理。一種 集重量分選、裝箱幾何尺寸檢測、射頻自動識別編碼、外形圖像識別等技術于一身的集成化輸送檢 測設備已經用于物流、運輸管理的物聯網系統。該倉儲裝箱自動化管理系統目前已應用在國內的航 空快遞行業。較有代表性的是常州梅特勒托利多（Mettler Toledo)及上海碧彩（Bizerba)公司的產 品，目前已應用在國內的航空快遞行業。該系統有進一步朝所有快遞、倉儲、物流行業擴展的趨勢。

四、我國電子秤行業中機器視覺相關技術的發展方向

1.自動識別與機器視覺的融合

條碼數據采集系統具有使各種產品制造信息具有規范、準確、實時、可追溯的特點，系統采用 高檔文件服務器和大容量存儲設備，快速采集和管理現場的生產數據。基于圖像處理技術的機器視 覺能自動驗證包裝袋上的日期代碼信息和生產批號信息，還能驗證包裝罐罐底的日期代碼信息和生 產批號信息，但凡產品未打上代碼或打上的代碼有誤，剔除系統都會將其移除。

美國邁思肯公司為工業自動化控制的應用提供了一整套條形碼和二維碼讀取產品、機器視覺系 統和機器視覺光源。使用可靠的條形碼傳感器以及機器視覺系統，可以建立一個穩定的數據搜集系 統或整合實現效率、安全性和利潤率最大化所必須的各種控制手段。

用于自動分揀與稱重流水線上的意大利DATALOGIC公司的MATRIX大視場圖像型條碼閱讀 器讀取區域大、大視場、大景深，動態讀取速度高達3.2米/秒，掃描區彩色光斑指示，具有一維碼、 二維碼、堆疊碼、郵政碼解碼功能，可組網用于診斷或報告持續圖像傳輸、保存等。

還有一種紅外熱像儀配以激光自動對焦技術，可實現快速、精確對焦，輕松捕獲被測目標，可 同步應用多臺紅外熱像儀檢測目標區域，適用于高溫狀態的自動識別場合。

上述自動識別系統已可以完全與執行其他信息功能的機器視覺系統無縫鏈接與融合。

2.柔性多功能一體化及基礎技術的發展

迫于加強監管和提高盈利能力的壓力，不同行業的制造商們正越來越多地采用多功能技術，以 滿足提高安全性、可追蹤性和生產力的目標。感覺檢測、缺陷檢測、表面檢測通過同一機器視覺平 臺解決。通用軟件構架支持的機器視覺系統是當前很多包裝生產線檢測的重要組成部分。機器視覺 技術可同時用于檢查、缺陷檢測、瓶蓋擰緊力檢測、指導校準和幾何尺寸測量等定量和定性檢測方 面。目前機器視覺產品已從單機延伸到基于PC的柔性多功能一體化的機器視覺系統。為促進我國 機器視覺系統應用研宄的發展，目前國產機器視覺系統的兩大技術指標一一動態范圍（像元灰度質量）和空間分辨率（識別物體的臨界幾何尺寸）的技術有望突破，以期機器視覺基礎產品的全面國

產化。

3.通訊數據傳輸接口標準與一致性

作為數據采集設備的工業相機可以將采集到的數據很容易傳送到控制器的各個層面，無論傳輸 協議Ethernet/IP Profinenet/Profibus均可完成此項任務。但是由于各種通訊協議接口的不統一，對 于一個自動化控制集成系統來說，會帶來諸多的不便。一種統一的工業標準OPC技術在前幾年應 運而生。OPC 是 OLE (Object Linking and Embedding) for Process Control 的縮寫。米用這項軟件接口技術后，OEM硬件廠商只要支持統一的OPC接口程序，使得軟件應用開發者避免為了實現在特 定硬件平臺上的特定應用功能，而需要編寫硬件驅動程序的麻煩，大幅提升系統的開放性和可互操 作性，給應用者帶來了極大的方便。

在工業自動化領域最新推出基于開放式標準數據通信的跨協議的數據通信的OPC應用不斷增 長，2013中國國際工業博覽會上Matrikon公司又最新推出了平臺獨立和可擴展性的OPC UA通用 協議。該協議與常規的OPC相比最大的優點是可將數據采集及傳輸功能內置于底層設備，使得貫 穿最底層的安全性能得到保障；該協議具有強大的可擴展性，使得無平臺依賴的PC與嵌入式兼容; 采用DMZS與IT友好的數據訪問，具有開放式標準OPCUA數據通信與工業總線現場眾多的設備 通信的兼容。新一代的OPC標準由于支持跨操作平臺，統一接口，實現了從嵌入式到企業級應用 的解決方案，為工業用戶帶來的智能與綠色的價值。

4.基于非接觸原理的機器視覺技術代替稱重技術

基于常規稱重傳感器技術的連續累計自動衡器由于受物料輸送皮帶張力、振動、沖擊、跑偏的 影響，無法達到長期穩定可靠的應用。目前急需研發一種不受皮帶張力、沖擊振動影響的、基于激 光（或超聲）傳感的非接觸原理，采用激光（或超聲）傳感的圖像采集系統、圖像處理系統及信息 綜合分析處理系統，能夠達到實際應用的高可靠性激光（或超聲波）自動皮帶秤。

該皮帶稱重系統結構主要由體積測量圖像處理系統、密度、速度及數據處理系統組成。目前體積測量圖像處理模塊由于高速高精度激光傳感器的技術比較成熟，如德國SICK公司的VMS測量系統對 于單個物體的輪廓尺寸的測量精度最高可達5mm、DME激光傳感器測距重復精度最高可達0.5mm。目 前密度數據還僅停留在物料非在線的密度測量數據上或基于Y射線的核子測量技術上，還沒有有效的在 線測試物料水分、密度的比重儀產品。雖然核子測量技術可以做到較高的精度和安全保障，但是人們 對于核子輻射的恐懼心理還是難以推廣，最近在2013上海國際工業博覽會上有關替代X光人體安檢的 無輻射傷害太赫茲人體安檢儀技術的誕生，或許會對核子測量的替代帶來新的信息。該系統一旦技術 突破應使得皮帶秤具有長期穩定可靠0.5級甚至0.2級的動態稱量準確度，不受周邊環境條件的影響， 這將是革命性的技術突破。

實施目標如下：

1）首先以大專院校研宄機構為依托，聯合生產企業、科研單位等，自主研發具有準確在線測 試物料水分、密度的比重儀或更先進的在線測試方法；激光或超聲波體積測量與掃描器件的國產化 研發。

2）研發具有自主知識產權的圖像處理技術，大幅度提高動態稱量準確度，首先在電力行業的原 料煤的連續累計自動稱重上得到突破性的推廣應用，滿足我國電力工業“智能電網”與降低單位GDP 能源消耗、大規模脫硫改造的發展要求。

結尾

從上述機器視覺概念與原理的介紹，機器視覺檢測系統的分類與應用，進一步論述了在電子秤行 業在成品包裝檢測流水線上的機器視覺、包裝數粒系統的機器視覺、倉儲裝箱自動化管理上的應用 案例，并引伸到我國電子秤行業中機器視覺的發展方向，可以預見衡器相關的機器視覺技術將會與我 國自動化產業鏈一樣，順應“數字、綠色”為主旋律的“智慧工廠1.0”的發展趨勢，通過自動化與信息 化的融合，使裝備制造電子化、數字化、網絡化，進而達到智能化，由常規的工業資源驅動轉變為 工業信息驅動，以期提高我國工業生產率并實現可持續發展。筆者相信在不遠的將來機器視覺技術

必將會在我國自動衡器行業出現越來越多的應用案例，使得該項技術進一步得到普及并遍地開花結果。