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机器视觉及其在医药工业中的应用
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机器视觉展厅
工业相机, 镜头, 视觉传感器, 图像采集卡, 视觉光源, ...
机器视觉(Machine Vision或Machine Visual Perception)是自动化产品中正在崛起的一类产品,需求量逐年增加,而且有很大的发展空间,近十年来引起了人们的广泛重视。

视觉作为人类最主要的获得信息的来源,约占五官由外界获得信息量的70%以上,视觉或图像所提供的直观作用,不是语言和文学描述所能达成的。我们所谈到的机器视觉,是从一般照像机、摄像机、视频图像技术(一般电视、工业电视、用于更多行业的视频监控系统)之外,发展起来的用于科学技术及工业生产的一门技术。同时,与之相伴的图像处理技术也得到了发展,它是模式识别和智能控制的分支科学。在上世纪60年代太空探测时开始,它们相继在遥感技术、生物医学工程、军事及工业上得到了应用,它们研究图像数字化和图像编码化,图像的增强,复原与重建,图像的分割与描述等。而且从黑白发展到彩色,静态到动态及实时快速响应,从二维发展到三维等,它们覆盖了条形码、二维码及指纹等生物识别技术,它们在机器人领域也是不可或缺的一门技术,即机器人视觉(Robot Vision)。机器人视觉技术,它完成了识别对象物,测定它的位置和姿态……,最终达到图像理解的目标。

机器视觉技术的发展,得益于视觉传感器的发展,原来的模拟成像由于CMOS应用较少或CCD半导体器件而进入数字化成像阶段。电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device),它像传统的照像机的底片一样,是感应光线的电路装置,CCD上分布的微小感光像元在光照射时,在设定的积分时间内将光的强弱转换为各像元电荷的多少,然后电荷转移到相应移位寄存器单元中,再在时钟的驱动下将电信号顺次输出,进入电路处理,实现光电转换、信息存贮和延时功能,而且集成度高、功耗小。

3CCD即有3个CCD-chip,并且R、G、B(红、绿、蓝)3原色分别由3个芯片(成像光学系统及滤色器分别对应3个CCD)来处理,将电信号传送到控制部分,并合成为图像中相应像素点的彩色数据。从工业应用出发,对目标物图像特征值提取,需要分析颜色模型,RGB即为常见的数字化的颜色模型,另外就是HIS模型(H色调、S饱和度即颜色的浓度纯度、I亮度),从人心里感知来说,它比RGB更容易接受。所以有时就需要进行模型(或称空间)转换。

机器视觉、机器视觉系统或统称机器视觉技术,它的定义可以作如下描述:它是用图像采集设备扫描目标物并提取信息进行处理,然后将处理结果作为控制信息传递给执行元件,从而实现对目标操作的一种技术。它包括摄像头、控制器、光源及相关配件和图像处理等软件。

我国机器视觉产品市场发展迅速,但用户认知程度还很有限。国内厂商在系统集成、开发应用市场方面进步较快,但硬件、软件的开发创新较差,镜头、光源等生产能力尚可,而相关集成电路、传感器等核心生产技术还很落后,距离形成自主的产业还有很长的一段路要走。

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机器视觉和机器视觉系统

机器视觉作为工业自动化仪表的一个分支,进入国内的外商有邦纳、迈思肯、康耐视、堡盟等公司,国内厂商有凌华、信捷、研拓等公司。

美国邦纳工程国际有限公司针对包装行业推出了iVuPLUS系列经济型视觉,它无需连接电脑进行设置,可直接通过自身的触摸屏快速完成程序设置。它集Match、Area、Blemish、Sort功能于一身,可满足用户大多数场合的检测需要,同时具有以太网通讯和RS232通讯,可传输图像和检测数据。可保存30个检测程序,通过外部指令进行快速切换。支持读码器产品,包括QR码在内的常见一维码和二维码的快速识别。它的软件功能有二值化检测、边缘检测、几何定位、模板比对、字符识别、涂胶检测、条码检测和颜色查找等。

美国迈思肯(Microscan)公司是一维码、二维码、机器视觉技术整体解决方案供应商。2011年推出了Auto VISION?机器视觉系列产品,包括Vision HAWK和Vision MINI智能相机,及Auto VISION?机器视觉软件。该软件缩短了用户学习时间,具有易学性,而且有编程和设备配置时的实时反馈功能,做到易用性。Vision MINI为内嵌式识别与检测应用提供了可靠性能,通过全面集成光源和自动聚焦镜头,其娇小外形(25.4mm*45.7mm*53.3mm)为促狭空间内的灵活定位提供了条件。采用广角光学系统,适合近程机器视觉任务,如部件识别、色彩配比、Data Matrix码读取和部件定位。Vision HAWK适合多种检测应用,是工业智能视觉系统。采用可实现无线自动聚焦的先进液态镜头技术,易于配置和操作。含有集成光学部分和光源、工业通讯协议和即插即用的连接。除可采用上述软件外,还可采用更先进的软件Visionscape®。

同时,Vision HAWK和QX HAWK读码器推出了C-mount镜头配置,这种转角C-mount镜头是自动识别和机器视觉产品组合的一项重要补充,它成功解决了广泛的工业条形码与视觉应用综合问题,而且对需要外部照明,在狭小空间内的直角安装或内置镜头不能解决的视觉应用来说是理想的选择。

康耐视公司机器视觉相关的智能芯片(VSOC),用在Data Man500系列读码器上,视觉功能得到了大幅提升,甚至超过了激光读码器。

堡盟公司在系统集成,提供防护等级高、抗干扰能力强的产品,对比较特殊的环境提供解决方案方面也很有特色。

2011年,凌华科技发布了小型机器视觉系统EOS-1200,该系统搭载第二代Intel®CoreTMi7四核处理器,提供四通道POE(Power over Ether)端口,数据传输率高达4GB/s。支持IEEE1588精密时间同步协议,让多工业相机可达到同步取像。支持多通道Gig E Vision相机与图像分析软件,用户无须额外安装程序,可轻易整合相机和开发程序,有效缩短客户的开发周期。该公司在整合运动控制与机器视觉技术用于半导体电子行业及高清医疗成像分析、激光切割和雕刻行业、汽车制造行业等方面,有一定成绩。

机器视觉在医药工业的应用:

机器视觉在医药工业中应用较广,首先是在外观、包装方面得到应用。邦纳与知名制药厂有着良好的合作,无论是药品的泡罩包装、液体的灌装,还是后端的压盖、贴标、喷码,以及最后的装盒检测,邦纳公司都有成熟的解决方案。如iVu图像传感器可进行包装盒内物体检测;在包装线上方安装iVu图像传感器来确保每个包装盒内都附带有说明书,通过设定Match工具用来进行检测,Match工具可以360度范围对被测物进行查找,因为药盒内的说明书的摆放可以是任意角度的,但表面必须朝上。当检测到药盒内没有说明书时,传感器会给生产线发出“错误”信号,从而将药盒剔除。邦纳还为中国市场提供了体型精小、功能强大、不需要PC进行设定的传感器P5iVu,尤其适用于普通光线传感器不能解决问题的场合。

为了给医药工业自动化技术人员提供应用机器视觉的思路,特举出如下应用实例:

◆凌华科技公司在机器视觉和运动控制结合方面的成果用于智能机器人,做到在机器视觉 取得相关定位影响后,将影像进一步传输到运动控制卡,卡片具备的DSP数字信号处理器可得出辨识物体的三维空间坐标位置,之后再将空间坐标转换成多轴机器人系统坐标,驱动机器人开始工作,从而完成取代人工定位和人工检测,实现辨识、量测、回溯(追溯)、跟踪,在与管控一体化系统中EMS系统整合后,应用于物料管理,零件条码管理和成品检测。该公司供应了与IPC(工业PC机)的连接。

◆迈思肯公司智能相机一个硬件可以同时完成条码阅读和视觉检测功能,如在药品生产企业可以同时读取条形码和OCR。又如在饮料厂可以除了读取条形码,同时检查瓶盖是否对齐。又如在电子工厂(PCB)既可以读取芯片上的Data Matrix码,还可以确保电路板上元件位置正确。该产品提供与PLC的连接。由于一机多功能,追溯跟踪更易实现。

◆注射治疗和临床营养全球领导者Fresenius Kabi公司需要一种能有效解决小型血清瓶检验难题的特殊机器。经康耐视合作伙伴Edge Vision的推荐与集成,IPF为他们提供了一套配备康耐视In-Sight视觉系统的机器。在此应用中,安装的In-Sight摄像头不仅可以检测血清瓶中的液位,而且还可以以每小时10,000瓶的速度检测瓶中的杂质。

◆制药厂中过程控制系统较多,浓度测量是个难题,制药、食品、制糖和化工电力等行业中,水质铁离子分析可以利用CCD颜色传感器替代人类视觉,结合图像检测技术实现铁离子含量测量。

结语

通过上述应用实例,制药行业应顺应人力成本提升,产业结构改组,安全环保要求苛刻的形势,加快机器视觉的应用步伐。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (9/9/2013)
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