連錦湮/淩華科技自動化產品事業部 

   前言 
   計算機視覺的應用大致上可以分成定位 (Location)、量測 (Measurement)、識別（Recognition）、缺陷檢測 (Defect Inspection)四(si)大(da)類(lei)，其(qi)中(zhong)以(yi)定(ding)位(wei)的(de)應(ying)用(yong)最(zui)為(wei)廣(guang)泛(fan)，機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)係(xi)統(tong)同(tong)時(shi)涵(han)蓋(gai)了(le)多(duo)項(xiang)功(gong)能(neng)，例(li)如(ru)檢(jian)視(shi)主(zhu)機(ji)板(ban)上(shang)的(de)電(dian)子(zi)組(zu)件(jian)。機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)來(lai)控(kong)製(zhi)機(ji)械(xie)手(shou)臂(bi)，在(zai)機(ji)械(xie)手(shou)臂(bi)上(shang)加(jia)裝(zhuang)CCD，利用影像辨識的定位，帶動機械手臂來做一些高危險性的醫療研究
，例如：病毒研究、藥物混合等
，都可以用這種方式來做控製
，除了精準之外，對人類的生命也比較有安全保障。 

   影像定位後的坐標轉換 
   市麵上影像比對的函數庫(Library)很多，使用者可以自行選用合適的函數庫。本文以下所提的係統采用Euresys公司開發的 eVision EasyMatch，這是一種基於灰度相關性的圖像匹配函數庫
，速度非常快
，而且能夠達到次像素(sub-pixel)精度的匹配結果。對於旋轉、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。故本文僅對影像定位後的二維坐標產生的“位移”與“旋轉”做探討。 
坐標位移

坐標旋轉

1.       將 (X1,Y1) 轉換成極坐標 à (X1,Y1) = (R1, θ1)
其中,       R1 = √ X12 + Y12
θ1 = Tan-1( Y1 / X1 ) 反正切函數
2.       θ2 = θ1 + θ, 其中, θ = 表示旋轉角度
à X2  = Cos ( θ2 ) * R1
          = Cos ( Tan-1( Y1 / X1 ) +θ ) * √ X12 + Y12
  Y2  = Sin ( θ2 ) * R1
          = Sin ( Tan-1( Y1 / X1 ) +θ ) * √ X12 + Y12
坐標位移+旋轉
   遇到同時發生坐標位移&旋轉時
，先計算位移，再套用旋轉的公式

，即可算出最後的結果。

係統架構
   本係統為介紹如何設計出結合“機械運動”與“計算機視覺”的自動化定位係統。

基本架構
l          GEME-3000主控製器： 含HSL控製卡, 安裝Windows® XP操作係統
l          3-Axis定位平台：三菱伺服馬達+滾珠螺杆
l          運動控製器：HSL-4XMO控製模塊。
l          計算機視覺組件：使用IEEE1394 CCD采集影像
，利用Euresys eVision的EasyMatch   進行影像比對(Pattern Match)
，作定位偏移的補正計算。

[圖1] 係統架構實機圖

係統流程
   本係統為介紹如何設計出結合“機械運動”與“計算機視覺”的自動化定位係統。

係統校正
l          Mitsubishi 驅動器調校：10,000 pulse/roll
l          滾珠螺杆的螺距vs. Pulse/Roll：
l          如，螺距=10mm/roll
，10,000 pulse/roll à 1um/pulse
l          F.O.V. (Field of View) 的選定：F.O.V.要大於定位點的大小，太小à可接受的“初步定位”誤差變小
；太大à因定位點影像太小
，影像定位誤差大。
l          CCD工作距離的選定：工作距離要大於打孔頂針
，以免對焦時打孔頂針撞到工件。當F.O.V.及工作距離確認後，即求出 LENS & Ext. Ring。

教導作業
l          啟動係統3軸回Home，待３軸回定位後
，再由人工將工件置於3軸之定位平台上並作“初步定位” ；
l          手動控製Z軸緩慢下降
，使其接近定位平台上方 (約0.5~1.0mm)；
l          手動控製X/Y軸
，使打孔頂針剛好在工件第一個孔位上方；再將Z軸緩慢下降，使其插入第一個孔位內。如定位不準


，可以手動移動工件，使其定位更準確。
l          精確定位後

，將Z軸上升至CCD的實時影像可看到完整“定位點”後
，執行下列“流程圖” 。

自動定位
l          由人工將工件置於3軸定位平台上，作“初步定位”後並啟動本係統；
l          係統會驅動3軸定位平台將CCD移至定位點上方 (2個不同位置)，取像並利用已 “教導” 之標準影像做“影像比對”作業，
l          計算出“初步定位”之偏移量(Shift X/Y) 及 旋轉角度 (Rotation Angle)；

l          通過“極坐標轉換” ，重新計算工件上所有孔位的新坐標 (Point Table)。

結語
機器視覺係統應用在現今的工業上，不但大幅的提升了工業的生產力
，而且增加了使用者的能力。機器視覺係統適用在哪些領域中：
1.          需要顯微鏡或放大鏡配合的工作，長期使用放大工具對視力將會造成很大的損害，且操作人員的素質也成為檢驗上不定的因素。
2.          高危險工作環境
，例如高溫、低溫
、真空、高壓、高噪音、高量輻射、高電壓、大電流的工作環境。
3.          重(zhong)複(fu)性(xing)工(gong)作(zuo)，一(yi)成(cheng)不(bu)變(bian)的(de)工(gong)作(zuo)容(rong)易(yi)造(zao)成(cheng)操(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)的(de)倦(juan)怠(dai)

，容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)疏(shu)忽(hu)而(er)受(shou)傷(shang)，或(huo)有(you)怠(dai)工(gong)的(de)現(xian)象(xiang)，而(er)機(ji)器(qi)視(shi)覺(jiao)能(neng)二(er)十(shi)四(si)小(xiao)時(shi)無(wu)休(xiu)止(zhi)的(de)工(gong)作(zuo)，且(qie)能(neng)在(zai)高(gao)速(su)下(xia)執(zhi)行(xing)檢(jian)查(zha)，而(er)檢(jian)視(shi)的(de)準(zhun)確(que)度(du)也(ye)能(neng)控(kong)製(zhi)在(zai)較(jiao)穩(wen)定(ding)的(de)程(cheng)度(du)之(zhi)內(nei)。
4.          需要快速處理的狀況，如軍事武器操控，實時、大量的生產線。
5.          高精確性工作
，如量測、定位、對象判別。

參考數據
[1] ADLINK PMC-7852 user manual
[2] ADLINK HSL-4XMO user manual
[3] Euresys eVision user manual