浅谈视觉测量在计量检测中的发展和应用

天津市计量监督检测科学研究院电子仪表实验所□姬 伟

天 津 理 工 大 学 中 环 信 息 学 院□王亚丽

1 引言

在当今自动化生产中，一些不断发展进步中的大、中、小型企业越来越注重对产品及工件的快速高效的测量，涉及到各种检查、测量和零件识别等。视觉测量除了能够帮助企业提高产品检测的效率，还能够实现更科学的自动化检测链。这里我们再谈视觉检测技术，它是一种基于计算机视觉研究的检测技术，与计算机视觉测量研究不同，视觉检测更着重于物体几何形状的测量和位置测量。例如三维尺寸的检测等，其更多的可以应用于计量检测领域。因此将视觉测量应用于计量检测，可以解决机械动态参数的检测与溯源的问题，以新兴的检测方式来保证机械设备中动态参数的准确性。

2 关于视觉测量的认识

从计算机视觉概念和方法出发，将计算机视觉应用于空间几何尺寸的精确测量和定位，从而产生一种新的计算机视觉应用概念，即视觉测量。

现代工业自动化生产中涉及到各种各样的检验、生产监视和零件识别应用，如汽车零配件批量加工的尺寸检查和自动装配的完整性检查、电子装配线的元件自动定位、IC上的字符识别等。通常这种带有高度重复性和智能性的工作是由肉眼来完成的，但在某些特殊情况下，如对微小尺寸的精确快速测量、形状匹配以及颜色辨识等，依靠肉眼根本无法连续稳定地进行，其他物理量传感器也难以胜任。我们开始考虑用CCD照相机抓取图像后送入计算机或专用的图像处理模块，通过数字化处理，根据像素分布和亮度、颜色等信息来进行尺寸、形状、颜色等的判别。这种方法是把计算机处理的快速性、可重复性与肉眼视觉的高度智能化和抽象能力相结合，由此产生了机器视觉测试技术的概念。

3 视觉测量与视觉检测的区别

视觉测量与视觉检测都属于非接触式测量，其共同点是在不接触被测物体的前提下进行精准测量；不同点在于视觉测量多用于制造厂对大批量及特殊产品的非接触式快速测量和检查，而预开发的视觉检测系统则是为了解决计量器具的动态几何量的角度、位移、速度及加速度的检测问题，其检测精度高于前者，其检测原理更符合计量器具的检测特性。

4 视觉检测的市场前景分析及经济效益

近几年来，随着技术的发展，中国计算机视觉行业发展迅速，尤其是2016年下半年，1:N人脸识别、视频结构化等计算机视觉相关技术在安防领域的实战场景中突破工业化红线，敲响了计算机视觉行业市场大规模爆发的前奏。2017年下半年，数家计算机视觉公司单笔融资上亿美元，再次将计算机视觉推向人工智能领域最受关注的方向。

根据前瞻产业研究院发布的《2017~2022年中国机器视觉产业发展前景与投资预测分析报告》对多个权威机构的数据汇总，目前全球机器视觉市场规模在45-70亿美元之间：2016年全球机器视觉市场规模约为62亿美元，2002年~2016年市场年均复合增长率为12%左右；而根据Automated Imaging Association发布的统计数据，2015年全球机器视觉系统及部件市场规模是42亿美元，2016年这一数字约为46亿美元，预计2017年，全球机器视觉系统及部件市场规模将达到50亿美元。

近日，艾瑞咨询发布了《2017年计算机视觉行业研究报告》 （以下简称“研究报告”）。研究报告认为，计算机视觉行业在医疗影像、工业制造、批发零售等现阶段的创新领域将逐步解锁，将成为行业整体快速发展的重要支撑。

从2017年全球机器视觉应用分布来看，目前国外机器视觉的应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中大概40%~50%都集中在半导体行业。另外，机器视觉系统还在质量检测的各个方面得到了广泛应用，并且其产品在应用中占据着举足轻重的地位。

从地区分布来看，机器视觉发展早期，主要集中在欧美和日本，随着全球制造中心向中国转移，中国机器视觉市场正在继北美、欧洲和日本之后，成为国际机器视觉厂商的重要目标市场。目前机器视觉在发达国家早已发展成熟，行业进入稳定增长期。

以上数据证明视觉测量在生产链中的应用和发展前景非常可观。同样，如果将视觉检测系统用于检测/校准领域，不管是创新技术领域，还是经济收益都是值得期待的。视觉检测技术可以作为标准器对计量器具进行检测校准开展检测活动，另外该系统还可以作为产品销售给有需求的检测机构或企业。据统计，天津目前注册的检测机构约326所，如每所机构有两项检测任务，每年的检测量就将近700余项。这仅是保守估计的检测任务，如果能够销售该系统到各检测机构和企业，那么收益将极为可观。

综上所述，计量级视觉检测系统能够抓住机遇、开拓市场，不管在技术创新领域、经济效益方面还是在社会影响力方面都会有巨大的收获。

5 开展视觉检测的重要意义

开展视觉检测可解决企业大、中、小型机械设备动态参数测量的困难。随着我国计量能力的不断提高，精密测试项目也在不断发展。近几年测试领域中客户对仪器的动态检测要求越来越多，而利用我国现有的计量设备无法满足检测要求。比如设备运动中的角度、位移、速度和加速度的检测都无法实现。因此，我们开始关注动态测量的相关信息。据了解，目前在全国没有能进行动态测量的检测机构，即使有对动态测量的产品（视觉测量设备），也都用于企业产品的大批量快速检查。这类视觉测量系统仅适用于生产线对产品的优劣性的辨别，并不适用于计量检测机构的长度、角度和距离的精密测试。

综上所述，我们将视觉测量与计量检测相结合，就是计量视觉检测系统。目的是将视觉测量技术中融入计量检测概念，以满足计量设备在运动中的角度、位移、速度和加速度的检测要求，使其可以在动态测量中发挥作用，满足计量器具的检测和校准要求，使其可在计量检测领域有所贡献，填补计量领域的非接触式视觉检测的空白。

6 视觉检测系统的设计原理

视觉检测系统的基础源于视觉测量技术。视觉成像系统主要由相机（CCD/CMOS）、镜头和光源组成，是视觉检测的基础。成像系统的设计目的就是获取合格的原始图像，并且一个好的成像系统要保证系统运行期间图像质量的稳定，稳定的图像抓取是视觉检测稳定性的基本保证。利用CCD采集变焦镜下计量器具的影像，再配合比例尺、标志点及自动变焦镜，运用影像分析原理，通过计算机处理影像信号，对计量器具进行精密的几何数据检测，并可进行数值的分析，出具检测结果。

7 视觉检测系统的市场优势

使用高分辨率单反相机通过不同角度拍摄多幅二维照片，基于工业近景摄影测量原理，重建测量对象的关键点（检测点）三维坐标，可用于对微、中、大型物体的关键点三维快速测量。与传统三坐标测量机相比，没有机械行程约束，不受被测物体大小、体积和外形的限制，能够有效减少累计误差，提高整体三维物体测量精度，解决微、中型设备检测问题。

8 结语

视觉检测系统较大的特色就是非接触式测量，具备高精度和高速率的特点，非接触式检测无磨损，消除接触检测中形成的二次损伤隐患。常见的测量应用包含齿轮、接插件、汽车零部件以及机械电气设备中动态参数检测等。当然这种新兴的检测方式还不成熟也不够完善，存在很大的改进空间。只有我们计量检测人员不断的创新和探索，才能解决广大企业检测的需求和技术难题。因此，正确认识和利用视觉检测系统能够使其在计量检测领域发挥重大作用。