結論與未來工作

第二章 機器視覺基本架構及誤差簡介

2.1 視覺系統架構之基本組成

視覺系統在自動化生產線的地位，等於一個能檢測產品並提供控制訊號的智 慧型感測器，一個視覺檢測系統的基本組成，大致可粗分為六大單元[16]如圖 2.1 所示：

圖 2.1 典型的視覺系統基本架構

本研究以此為藍本，發展一具實務性之渦卷用視覺檢測系統，將於後續章 節逐一介紹。

2.2 光源照明系統

影響機器視覺之效益可分為：光源、硬體以及軟體三大因素，光源照明的 主要目的乃利用適當光源突顯待測物的物體特徵，提高影像的對比及細節，將

重要的部分強調出來，將不需要的部分移除或使之模糊。光源照明系統若設計

(1) 前照式(Front lighting)：光源與攝影機在物體之同側，利用光線反射強 弱的不同，作為檢測物體表面特徵時之照明，常見的應用為：鎳幣面額辨 識、光學字元辨識…等。

(2) 背照式(Back lighting)：光源與在物體的不同側，利用背照式產生出對 比強烈的物體輪廓線，作為物體尺寸檢測之用，常見的應用為：導線架瑕 疵檢測、瓶中異物檢測…等。

(3) 側照式(Side lighting)：光源放在物體的側面，光源的照射方向與物 體平面近乎平行，利用側照光源的效果突顯待檢測物體之幾何性質，

常見的應用為：紙張表面瑕疵檢測、PCB 錫膏瑕疵檢測…等。

圖2.2 常見打光方式示意圖

Batchelor[18]整理出63種視覺照明系統及對應之取像方式，本研究將參 考這些打光技巧，並以前照式環型光源進行本研究的光源設計。

2.3 影像感測器

現今的影、音科技蓬勃發展，以滿足人們的視聽享受，其中尤以影像產品 大發利市，影像感測器(Image sensor)也連帶的日漸竄紅。

目前使用於數位相機中的影像感測器，可分為二大類：CCD感測器(Charge Coupled Device電荷耦合元件影像感測器)與CMOS感測器(Complementary Metal-Oxide Semiconductor互補性金屬氧化物半導體影像感測器)。

CCD 是一種陣列式的光電耦合檢像器,稱為“電荷耦合元件“，為一種矽 基固態影像感測元件，在擷取影像時，有點類似傳統像機底片的感光作用，但 是它的作用為轉換光的訊號成為電子的訊號並且能根據光的強弱送出適當的 電子訊號。使用CCD做影像用途時稱為CCD影像感測器，一般都只簡稱為CCD。

CCD元件是利用半導體的技術累積成二維面形的陣列，因其乃一為具高密

圖2.3 像素的組成

圖2.4 CCD 攝影機影像感測元件的成像原理

2.4 影像擷取卡

影像擷取卡是採用市售現成的影像介面卡，安裝於個人電腦的32位元的 PCI插槽，利用一條視訊傳輸線與CCD攝影機相連接，進行影像擷取的工作，讓 CCD攝影機所看到的影像能夠迅速的被程式所利用，完成工作。由於訊號線傳 入的為類比訊號，所以必須要藉由擷取卡轉成數位訊號，才可供電腦使用。影 像擷取卡除了擷取影像的功能外，還具有調整影像的功能。如對所擷取的影像 做明暗、對比等調整，可以補足或調整訊號進來時的缺失。

圖2.5 影像介面卡架構 2.5 影像處理系統之基本參數

在取像之前必須先設定好影像處理系統之參數，一般影像處理系統是由五 種基本參數構成的：解析度、視野、運作距離、感應器尺寸及景深，如圖2.6 所示。

(1) 解析度（Resolution）：影像處理系統可以分辨物體的最小呈現尺寸。

(2) 視野（Field of View）：攝影機可擷取到的偵測領域。

(3) 運作距離（Working Distance）：從攝影機鏡頭前方到受偵測的物體 距離。

(4) 感應器尺寸（Sensor Size）：感應器之活動區域的尺寸。

(5) 景深（Depth of Field）：可將物體保持在聚焦中的最大深度。

圖2.6 影像處理系統之基本參數 2.6 幾何誤差簡介

一般精密運動系統(precision motion system)對於精密加工及精密量測儀器 而言，是相當重要而不可或缺的一環，諸如CNC銑床、CNC磨床、綜合加工 機(machine center)及三次元量床(coordinate measuring machine, CMM)[1]，都必 須設法增加其運動系統的精確性，以減小機器及設備在使用時所造成的誤差。

工具機的誤差，一般可分為靜態誤差與動態誤差兩類，靜態誤差即是由工 具機的幾何誤差所造成，其誤差量的大小與位置有關，故被稱為「位置決定誤 差」(position dependent error)。而動態誤差包含了機電系統及控制器所造成的 誤差，此類誤差與進給速度有關，故被稱為「速度決定誤差」(feed-motion dependent error)。

若將工具機之任一軸向運動視為一剛體運動，則此運動體在空間中應具有 六個自由度，其中包括沿 X、Y、Z 三軸的移動(translation)，以及繞 X、Y、

Z 三軸的轉動(rotation)，如圖 2.7 所示。故對空間中的運動體而言，要描述 其移動狀態，必須要知道其相對於座標原點的三軸平移量及對三座標軸的角度 偏移量，亦即找出圖 2.7 中的 Oo＇向量(包含三軸平移量)及 O-XYZ 座標與 o＇-x＇y＇z＇座標之間的旋轉矩陣 R (包含三座標軸的角度偏移量)。而幾何 誤差便是由於在這六種型態之運動過程中的若干偏移量及 X、Y、Z 三座標軸本 身的正交性所構成的整體性誤差，其中包含 21 項靜態的誤差元素。

圖 2.7 空間中的剛體運動

空間中所包含的21項幾何誤差元素，分別包括在以下四種不同的類型之 中：

(1) 線性誤差(linear error)：

線性誤差又稱為定位誤差(positioning error)，是指運動體在對某一軸平移 時，其期望位移量與真實位移量之間的差值，例如我們希望運動體由X=0 的位置移動到X=10的位置，而其實際上只有移動到X=9.99的位置，其中這 0.01的誤差量便是我們所謂的X方向之線性誤差δx(x)，而Y、Z方向亦具有 相同型式之誤差，故線性誤差共包含

δ

δ

(z )

(2) 角度誤差(angular error)：

角度誤差是指運動體上的原三座標軸(與O-XYZ之方位一致)與在經過

(3) 直線度誤差(straightness error)：

直線度誤差是指運動體在對某一軸平移時，其對另外兩軸所產生的偏移

(4) 直角度誤差(squareness error)：

直角度誤差是指因X、Y、Z三座標軸本身之正交性所造成的誤差，理論 上三座標軸應該是兩兩互相垂直的，但可能因為某些因素而造成軸與軸 之間無法完全垂直，而產生微小的角度偏差量。αxy即代表X軸及Y軸之 間的角度偏差量，αyz及αxz則分別代表Y軸及Z軸與X軸及Y軸之間的角 度偏差量，故直角度誤差共包含αxy、αyz、αxz等三項幾何誤差元素。

以上四種不同的類型的誤差中，共包含三項線性誤差、九項角度誤差、六 項直線度誤差以及三項直角度誤差等，共21項的幾何誤差元素。經由這21項變 數，我們便可以清楚地描述出 CNC 工具機或三次元量床等精密設備的各主軸 在運動時所造成的幾何誤差量。

本章敘述了機器視覺之基本組成，接下來在下一章中，本研究將運用上述 視覺系統架構，規劃出本文所要進行之渦卷檢測機台各零件組成與運作流程。

第三章 實驗規劃及儀器介紹

3.1 理想實驗流程

一般自動光學檢測流程可分為線上（On Line）檢驗與離線（Off Line）

檢驗，本研究之最終應用為採用理想狀況下的 On Line 檢驗，即是指在自動 化生產製程中，在 CNC 銑床刀具庫裡將其中一把加工刀具的位置卸下來，裝 上 CCD 攝影機，如圖 3.1 所示，即工件加工完，即時更換刀具為 CCD 攝影 機，並同時利用數值程式控制 CCD 與 X-Y 機台移動距離取得待測物輪廓點資 料，但現階段之研究將先使用離線檢驗來驗證本研究設計系統及硬體組件的可 行性，期待本研究完成後，有機會實際達成應用於線上檢驗的最終目標。

更換刀具庫中之一把為影像感測器

圖3.1 整合於 CNC 加工技術線上檢驗之示意圖

3.2 系統架構

本文量測系統主要是應用影像處理技術，針對一般不規則待測物（渦卷）

為檢測對象架設離線自動化量測系統，其中採用互補式金屬氧化半導體影像感 測器（CMOS）擷取渦卷影像，並將獲取之影像資料傳送到電腦記憶體，然後利 用 X-Y 平台作動態尋邊（渦卷工件之內外緣），並同時使用影像處理技術取 出渦卷之內、外緣座標點。整體系統架構如圖 3.2 所示，而作動流程圖如圖 3.3 所示。本研究中需撰寫人機介面軟體功能以影像擷取，驅動 X-Y 平台移 動為主。而程式開發係採用較為廣用之圖形程式化語言 LabVIEW 8.2[19]。

圖3.2 整體系統架構 主電腦

X-Y TABLE

步進馬達 CMOS

光源控制器

運動控制卡

座標式平台移動

本實驗系統的架構是以 X-Y 平台及 CMOS 來做搭配，整個流程是在電腦 做好 X-Y 平台位移以及 CMOS 影像比對的程式,而本研究所建構之 X-Y 平台 定位模組控制系[20]，是以控制平台移動距離為主，所以使用者可以在個人電 腦上規劃機台(TABLE)移動的路徑和操作方式，此程式部分一般稱為編輯 NC (數值控制)程式。

而影像處理分析可分為：影像比對系統與影像量測系統。影像比對即是做 硬體上的定位校正，首先對攝影機作鏡頭誤差補償即是修正鏡頭的變形量；為 了要拍攝垂直度的平面，攝影機支撐架的垂直度與 X-Y 精密移動平台的水平 度必須事先要做好誤差補償，才能由 CMOS 擷取影像資料，透過軟體做影像處 理分析。

機台系統定位好後，啟動光源控制器並使用正向打光技巧，由上往下直接 照射渦卷以突顯輪廓特徵。這時開始進行影像量測部分，擷取影像再傳送到電 腦儲存影像於硬碟裡，以供後續之資料擷取動作。同時也對機台輸入渦卷線形 方程式，移動機台做自動光學追蹤，而機台也會輸出移動座標點，再利用影像 處理方法，對尋找出渦卷輪廓邊界，接續作程式處理動作，輸出渦卷座標點。

3.2.1 整體硬體系統 

本機器視覺離線檢測系統可分為影像擷取系統、光源系統及馬達控制系 統，如圖 3.4 所示。影像擷取系統包含 CMOS攝影機、鏡頭（lens）、攝影機 支撐架。光源部分採用正向光源方式。馬達部份係採用步進馬達搭配光學尺作 平台自動控制。本文所採用的是以 PC 為架構的影像處理系統，實驗所使用之

本機器視覺離線檢測系統可分為影像擷取系統、光源系統及馬達控制系 統，如圖 3.4 所示。影像擷取系統包含 CMOS攝影機、鏡頭（lens）、攝影機 支撐架。光源部分採用正向光源方式。馬達部份係採用步進馬達搭配光學尺作 平台自動控制。本文所採用的是以 PC 為架構的影像處理系統，實驗所使用之