在過去幾年裡，使用機器視覺做為關鍵元件的運動控制系統漸漸普及。越來越多工程師和科學家發現，結合目前的機器視覺和運動控制技術，可以在解決困難的應用問題時提供許多優勢。軟體及硬體技術方面的進步亦有助於推動這種趨勢，拜它們所賜，結合運動控制和機器視覺的系統更加容易實現，成本也較低。在設計這一類的系統時，應該留意目前的技術進步、方法，以及設計用來幫助佈署系統的工具。

在建立視覺導引運動控制系統時，有幾件事情要考慮。首先要考慮的事情之一就是要如何設定系統。就拿一個在行動電話上加上蓋子的視覺導引運動系統而言，電話每次的位置和方向未必都相同。為了讓它容易操作，可以把行動電話放在一個X-Y-Theta平台上，用來同時修正位置及方向。在此可以使用視覺來定位蓋子，並測量需要進行多大的動作，才能正確地放置蓋子及改變其走向。在建立這一類系統時，必須考慮多項問題，包括視覺如何與運動通訊，以便正確地將零件移到位置上。要讓運動和視覺元件之間能夠進行通訊，需要使用一種校準方式。如(圖一)所示，在校準視覺導引運動系統時，必須考慮幾個步驟如下。

要從影像中的距離轉換成運動控制系統中的距離，視多項參數而定，包括攝影機與被移動之物體之間的距離，以及透鏡類型。在攝影機上使用不同的縮放程度，會從攝影機的角度改變物體的大小，結果對該物體進行的測量都會和移動攝影機之前獲得的測量結果不同。圖一為簡單的視覺及運動系統流程顯示圖。

《圖一　視覺及運動系統流程顯示圖》

常見扭曲形式的校正

在校正於2D平面上移動的視覺導引運動控制系統時，理想中應該確定攝影機與對著攝影機做相對移動的平面或平台呈完全垂直的角度。如果攝影機未呈垂直，就會得到方向扭曲，而最接近攝影機的部份平面會顯得比遠離攝影機的平面來得大，即使兩個部份一樣大其結果也相同。有些軟體套件例如Vision軟體可以在校準過程中使用特殊的校準功能，進行角度扭曲的修正。

透鏡扭曲則是在校準系統時的另一個錯誤來源。透鏡扭曲的原因是透鏡靠近邊緣的地方有瑕疵。這樣可能會導致靠近影像邊緣的直線顯得像曲線。這問題就和角度扭曲一樣，使用部份影像處理套件也可以在校準過程中使用特殊的校準功能，對透鏡鈕曲進行修正。

建立影像單元與運動控制單元的關聯

要校準視覺導引運動控制系統，可以用多種方式達成。最簡單的方法之一是使用從機器視覺和運動控制元件中取得的資料，實驗性地校準系統。運用這種方法，可將運動控制系統移到多個位置上，並使用機器視覺系統記錄轉譯距離。利用收集到的資料，就可以決定一個方程式，用來將攝影機的像素單位轉譯成平台可以使用的單位，例如編碼器上的次數。回到行動電話的拾取及置放範例中，假設在X方向上將平台移到1公分，使用顯微鏡時，將觀察到平台在X方向上移動了100個像素。隨後可以建立一個校準常數，即0.01cm/pixel，表示所測量到的每個像素相當於平台上的0.01公分。

《圖二　使用軟體建立影像單元與運動控制單元關聯的簡單程式碼》

建立視覺座標系統與運動座標系統的關聯

消除或修正影像中的扭曲效果之後，在設計系統時，應該考量的另一個預防措施就是確保攝影機的座標系統與運動控制元件的座標系統同步。根據應用的方式以及想獲得的準確度，若要獲得最大的效能，這一點可能非常重要。沒有和運動控制座標系統完全同步的攝影機會導致由它指揮移動的位置產生錯誤。舉例來說，如果使用平台，而攝影機沒有和平台同步，那麼可能僅將平台朝著X方向移動，攝影機卻記錄了平台在X及Y方向上的移動。座標系統未對準的問題可以透過座標轉換（coordinate transformation）加以校正。座標轉換可以將一個座標系統的座標（例如平台）改變成另一個座標系統（例如攝影機）。機器人應用需要這種座標轉換來判斷要採用何種關節值，才能移動到要前往的位置。在(圖三)中，黑色的座標系統供攝影機使用，綠色座標系統（角度略有轉動）則供平台使用。

《圖三　運動控制和視覺之間的座標系統可能沒有校準，導致在系統之間傳送距離資訊時產生不正確》

接著必須決定的第一件事，就是兩個座標系統之間的角度有多大。這個角度稱為位移角度（offset angle）。只需將平台朝著已知的向量移動（最好是相當簡單的東西），然後使用機器視覺系統測量開始和結束的位置。命令平台移動的距離，和使用攝影機的影像測量而得的移動距離之間的差異可以幫助判斷旋轉角度為何。舉例來說，假設讓平台在X軸上移動2000個單位（0,0至2000,0）。由於只在X軸上移動，因此影像中任何在Y軸上的移動都可以協助判斷位移角度。如果來自攝影機的影像顯示平台在X軸上移動了173個像素，在Y軸上移動了100個像素，那麼可以用Y值在X值上的反正切（inverse tangent），計算旋轉的角度，所以可以取100/173的反正切來計算位移角度，也就是30度。

在決定位移角度之後，接下來必須決定視覺單位和運動控制單位之間的轉換。將影像中測量而得的移動長度和運動控制上測量而得的移動長度做比較。要決定影像中的移動長度，請使用置放X向量與Y向量所造成的三角形斜邊。因此，使用畢氏定理，就可以計算長度Z＝sqrt（X2＋Y2）。

以此計算影像中測量而得的移動長度＝sqrt（1002＋1732）＝200像素。

現在知道，就以上的範例而言，視覺單位與運動控制單位的比例是200：2000或1:10。在校準時必須留意的問題之一是，校準時的取樣越多，最後的校準會越準確。另外一個要留意的問題是，運動控制系統可能有一些不完全之處，將會導致它在移動過程中有一點點不同。為了提高可重複性，應該從不同點上取得多個樣本，以找出轉換比例。同時，利用這個比例，可能會注意到，為了在影像中觀察到一個像素的移動，必須將平台移動至少10個單位。在這類的系統中，經常會發現平台的移動解析度比攝影機的解析度大得多，表示影像中的小變化可能導致動作的大變化。

如果經常檢查平台位置，以確定它在那裡，可能會發現它在目標位置四週跳來跳去。若是發生這種情形，可能也必須考慮採用一個死頻帶（deadband area），這樣當平台移到已經很接近目標位置的位置上時，運動控制就不會再繼續進行調整。

座標轉換

下一個必要步驟是使用系統的資訊來決定如何將攝影機座標系統上一個點的位置轉換成平台的座標系統。為了更清楚說明如何了解轉換方式，假設要將平台從位置（0,0）移到攝影機座標系統上的新位置X1及Y1（如藍色線所標示），X1及Y1在正象限中，如(圖四)所示。

《圖四　平台座標系統轉換方式》

要進行座標轉換時，必須知道的資料是點在平台座標系統中的X及Y座標（以圖四中的紅色虛線表示）。已經知道的資料是攝影機座標系統中的X及Y座標，利用這些資料，便可以找到攝影機座標系統中的位移角度。要在平台座標系統中找到向量的角度，只需要從向量在攝影機座標系統中的角度減去已知位移角度即可。利用直角三角形，如果知道一邊的長度和一個角，就可以找到另外兩邊的長度。因為在平台座標系統中找到角度的值，因此可以使用正弦定律和餘弦定律來找到另外兩邊。結果是：

sin(theta3)＝Y2/H becomes H*sin(angle in stage frame)＝Y2

cos(theta3)＝X2/H becomes H*cos(angle in stage frame)＝X2

《圖五　使用LabVIEW進行簡單座標轉換的程式碼》

利用這個簡單的方程式，可以決定從影像中的已知座標轉換至平台的未知座標。在採用這種方法時，必須注意的是當向量落在其它象限中時，算式會不同。但是，決定其它象限算式的方式和以上介紹的方式非常類似。

在特定的應用中，可以使用封閉迴圈控制來進行運動視覺校準。這個方法背後的想法是利用影像中某個定點的理想位置和觀察得到的位置之間的差異，作為驅動控制迴圈的錯誤信號。舉例來說，該定點可以是所欲置放零件上的刻痕位置，一般均希望能將這個刻痕和影像中的某個理想位置對齊。當控制迴圈連續反覆調整零件或攝影機時，錯誤會漸漸變小，直到理想位置和觀察得到的位置之間沒有差異為止。利用這個方法可以方便將攝影機對齊平台座標系統。接著可以將這個方法再進一步應用，利用估計運算法，可在控制元件的同時，將系統的不完全性也納入考量，例如光線的變化以及影像擷取的低頁框率。

結論

視覺導引運動控制系統適用於多種應用，從自動化細胞集落分析到簡單的拾取及置放應用皆可。設計這樣的系統可能很具挑戰性，但是可以打開新的機會，使生產力達到最大。當然，校準只是建立完整系統的一部份，但它是非常重要的一部份。排除視覺系統中的扭曲影響、建立運動單元與視覺單元的關聯，以及進行座標轉換，都是提高視覺導引運動系統的準確性、可重覆性及整體價值時必須考量的重要因素。

市場動態

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