2022年全国职业院校技能大赛高职组 机器视觉系统应用赛项模拟赛题（Word版）

这是一份2022年全国职业院校技能大赛高职组 机器视觉系统应用赛项模拟赛题（Word版），文件包含任务书3-机械零件平面尺寸综合测量docx、任务书6IC和连接器引脚测量docx、任务书1-PCB图像拼接及尺寸测量docx、任务书11-智能仓库docx、任务书2-七巧板创意造型摆拼docx、任务书4-PCBAAOIdocx、任务书5-大豆分选docx、任务书8-体液试管识别及分拣docx、任务书10-胶水识别与测量docx、任务书7-印刷综合检测docx、任务书9-物流包裹测量及分拣docx等11份试卷配套教学资源，其中试卷共289页， 欢迎下载使用。


2022年全国职业院校技能大赛

机器视觉系统应用
——七巧板创意造型摆拼

（总时间：480 分钟）

工
作
任
务
书


场次号： 赛位号：


注意事项
一、本任务书共 26 页，包括附录七项（分别为视觉硬件及参数列表，相机的接线定义，分辨率及焦距计算公式，光源控制的接线说明，光源控制器通讯协议，旋转轴的安装及接线说明，相机、镜头、光源的选型计算报告）。如出现缺页、字迹不清等问题，请及时向裁判示意，进行任务书的更换。
二、在比赛前务必对各机器视觉组件和图形化编程软件平台熟悉，掌握C#软件编程及OpenCV库的调用。
三、在完成工作任务的全过程中，严格遵守光学或电气组件的相关操作要求，接线前一定要看清引脚定义和电压要求。
四、不得擅自更改设备已有器件位置和线路。
五、竞赛过程中，参赛选手认定竞赛设备的器件有故障，可提出更换，更换下的器件将由裁判组进行现场测试。若器件经现场测试是功能齐全，且没有故障的情况下，每次扣参赛队 1 分。若因人为操作损坏器件，扣 5 分。
六、所编的机器视觉程序必须保存到本机的“C:\全国技能大赛\Product\场次号-赛位号”文件夹下，赛位号以现场抽签为准。
七、参赛选手在完成工作任务的过程中，不得在任何地方标注学校名称、选手姓名等信息。
八、比赛结束后，参赛选手需要将任务书以及现场发放的图纸、资料、草稿纸等材料一并上交，不得带离赛场。

请按要求在 8 个小时内完成以下工作任务：
一、根据本任务提供的视野大小要求、工作距离要求、被测物的检测要求，从设备提供的一组机器视觉相机、镜头和光源中选择型号，完成选型并在合理的位置完成安装和接线。完成选型设计报告，并记载安装结果。
二、根据七巧板样品的尺寸和初始状态的区域要求完成视野调焦和镜头对焦。
三、在开始配置摆拼流程前，创建配置文件名称：”场次号-赛位号” 。
四、通过标定板，完成单幅视野的标定，并保存标定结果。
五、选择合理的手眼标定工具，完成图像坐标与运动坐标的统一，并保存在配置文件中。
六、将任务书实验要求用程序实现，通过图像化编程软件完成流程配置并对每个工具合理化设置参数。
七、七巧板（由七块小板组合成）初始状态为无序杂乱状态，通过视觉工具识别并定位每个小板的形状，并分别计算出不同形状小板的位置坐标及角度，引导吸嘴吸起各个小板并摆拼成指定图案。
八、通过网口通讯，把每个小板定位出来的位置信息发送到客户端（另一台电脑），并在软件指定的位置进行显示。
九、在客户端完成C# 代码编程，实现图像边缘检测算法和图像直方图统计算法，并显示结果图像。
注1：本次工作任务请在机器视觉应用设备上完成，比赛前要熟悉设备使用说明书和软件用户手册。操作过程中，须遵守安全操作规程和职业素养要求的相关规定。
注2：考试过程中不允许带入U盘或其他可储存设备。
注3：程序复杂的情况下每完成部分编程需要记得先保存配置。

竞赛工作任务说明书
一、平台硬件、软件组成说明
竞赛任务平台的硬、软件说明详见平台技术说明书及视觉软件使用手册。完成竞赛工作任务书所需的全部硬件，都包含在工作台所提供设备内，选手要使用的全部器件，只能在本工作台提供的设备内选择。
1、工控机
设备中包含一台工控机，另有一台用于接收通讯数据和视觉算法代码编程的客户端计算机由承办单位提供，比赛所需的软件和驱动均已经提前预装。
2、视觉硬件
1）相机
可选择相机共四个，编号分别为相机A， 相机B，相机C， 3D相机（3D相机工作距离要求大于350mm），具体参数见附录一。
依据七巧板拼图实际大小、测量精度要求（在四、竞赛任务描述中给出）选择好相机。
2）镜头
可选择镜头共四个，分别为：定焦12mm镜头，定焦25mm镜头,定焦35mm镜头，放大倍率为0.3倍的远心镜头，具体参数见附录一。
依据被测物尺寸、相机安装位置，在满足工作距离，视野范围，分辨率的要求下选择镜头。
3）光源
可选择光源共五个，编号分别为：小号环形光源、中号环形光源、大号环形光源、同轴光源、背光光源。注意，三个环形可以组合成AOI光源。具体参数见附录一。
依据任务书的需要，在安装方式和安装空间位置允许的情况下，可根据实际需要，选择多个光源同时组合使用。
4）标定板
依据相机视野范围选择合适尺寸的标定板，具体参数见附录一；
依据检测需求选择标定方式，选择标定板；
为满足检测要求，可以选择多种标定方式和标定板组合使用，完成系统的标定要求。
3、线缆
相机线缆：2D相机USB数据线一根、3D相机数据线一根、GigE电源线（含触发和输出信号）一根、千兆网相机通讯线一根（带锁）、网络通讯线一根（3米扁线）、光源延长线一根；（注意：RS232通讯线默认已经与PC连接）。
4、运动控制硬件
PLC：控制运动平台运动，控制光源亮灭；
运动平台：X轴、Y轴、Z轴、θ轴。（注意：旋转轴θ是扩展轴，放置在机器视觉工具箱中，需要选手按附录六：旋转轴的安装及接线说明完成平台的搭建）。
5、气动硬件
提供三种吸嘴，规格为：SP-06、SP-08、SP-10，根据实验需求正确选择吸嘴。
二、软件功能及编程说明
在视觉编程软件中，请参赛选手采用图形化编程软件，需要选手根据检测要求完成软件流程的设计。
图形化编程首先需要根据需求完成工具的选择，基本的流程如下图所示，为了使配置的流程相对简洁采用了子模块、工具组模块多模块组合的配置方法，具体流程配置方法详见《视觉软件使用手册》（说明：本流程示意图图1仅说明视觉软件的流程设计编程方式，与本任务书描述的具体任务无直接关系）。

图1 程序流程示意图
主要的工具列表：
类型
工具
系统类
服务器客户端通讯工具、串口工具、PLC读写工具、机器人控制工具、信号源工具
图像源类
图像源工具、相机工具、保存图片工具
定位类
仿射变换工具、斑点分析工具、找圆工具、找线工具、边缘点查找工具、形状匹配工具、灰度匹配工具
测量类
圆卡尺工具、夹角工具、边缘卡尺工具、线交点工具、线间距工具、点间距工具、矩形卡尺工具、点线距离工具、坐标转换工具、标定工具
图像处理类
图像转换工具、通道分离工具、颜色提取工具、图像剪切工具、图像处理工具、阈值化工具、轮廓提取工具
识别类
2维码工具、字符识别工具、条码检测工具、缺陷检测工具
对位类
位移计算工具、坐标计算工具、对位平台工具
数据处理类
累加工具、分类工具、保存表格工具、格式转换工具、列表工具、逻辑运算工具、字符串截取工具、用户变量工具
客户端电脑上提供以下编程工具和图像处理库：
1、Microsoft Visual Studio 2015编程软件，使用C#编程。
2、基于C#的OpenCV图像处理库OpenCvSharp。
3、客户端软件及二次开发工程框构。，详细说明见《二次开发说明》文件。
图2 C#代码编程界面

三、标定说明及运动位置校准


图3 图像标定板

选择合适的标定工具，利用图像标定板使用多点标定方式，对相机进行标定，把图像坐标转成设备坐标系统，并得出像素当量；选择合适的手眼标定工具，统一设备坐标系统与相机坐标系统。
四、竞赛任务描述------七巧板创意拼图
本次竞赛完成七巧板的创意拼图，七巧板及料盘数量1套，规格：彩色，大小：83mm x 83mm；平台料盘分为两个区域分别为检测区和拼图区，料盘总尺寸长:260mm，宽：220mm，视野大小要求：195mm*135mm（视野范围允许一定正向偏差，最大不得超过20mm），工作距离要求：370mm（视野范围允许一定正向偏差，最大不得超过25mm），必须采用彩色相机，检测区必须在光源范围内，创意拼图如下图4所示：






七巧板


拼图区
检测区









图4 七巧板及创意拼图
（一）检测任务
七巧板初始位置由参赛选手随意放置在检测区；检测区七巧板初始位置放置规则：小板位置随机不重叠，不超出检测区域范围。检测任务为：
1） 识别七巧板每个小板的形状、位置及颜色；并记载形状、位置及颜色信息。摆拼两个形状，摆拼每个形状的时，定位到每个小板的坐标保存到各自的CSV文件中，比如摆拼正方形，每个小板的坐标保存到：“C:\全国技能大赛\场次号-赛位号\摆拼正方形位置数据.csv。”文件中。
（二）创意拼图
正方形
六边形






图5 创意拼图式样
编写视觉和运动控制程序，控制运动吸嘴将七巧板从检测区吸起，按照图案放置到拼图区；要求分2次将检测区七巧板按创意拼图如图5所示的样式，拼出2种不同的图案。
（三）客户端电脑C#代码编程
1、在客户端电脑上打开客户端软件建立与主控电脑的TCP/IP通讯连接。
2、客户端与主控电脑实现控制指令、数据、图像传输功能。
3、使用Microsoft Visual Studio 2015软件打开对应工程文件，利用OpenCVSharp图像库的算法，在指定文件中的现有声明函数体内实现如下图像处理算法，具体需求如下：
（1）在Function1()函数体内实现图像边缘检测算法，开放边缘检测的参数，可手动实时调试参数；显示边缘检测结果图像，结果图像可随调试参数的变化而实时动态变化。
（2）在Function2()函数体内实现图像直方图统计算法，显示直方图图表。
4、工程编译成功后，系统生成新的测试工具，把生成的动态链接库文件拷贝到客户端软件所在目录的ToolGroup文件夹下面。
5、打开客户端软件，添加指定工具到流程图中，完成参数配置，实现图像边缘检测算法和图像直方图统计算法。
五、竞赛任务流程步骤参考
1、硬件选型安装接线
完成相机、镜头、光源的选型，输出选型计算报告。
将相机、镜头、光源、治具等在合理位置安装（注意工作距离），保证安装稳固，镜头与相机连接螺纹圈须拧紧；镜头调试好之后，用顶丝锁紧对焦环及光圈环；记录硬件的安装参数等结果。
完成相机、光源、旋转轴、通讯网络等电路接线，完成气路的连接，走线正确规范、整洁、牢固；物理接口选择正确。
2、视觉软件的PLC控制工具运行测试
控制X,Y轴移动料盘，设置检测区的拍照位置；
控制X,Y轴移动料盘，示教摆放区七巧板摆放位置，示教位置与七巧板的摆放图案相关；
输出I/O电信号正常。
3、光源控制工具运行测试
光源与其控制器正常，能控制所有光源亮灭，且能设置各光源亮度值；
4、相机工具运行测试
测试相机，保证相机正常工作；
确定图像对焦清楚（七巧板边缘清晰，正面颜色清晰可见），视野大小合适；
协同光源控制器的光源调节功能，设置合适的相机参数（包括曝光，增益等参数）。
5、相机标定工具运行测试
放置标定板，在图像中观察标定板大小位置是否合理，确定合理后，设置标定参数，完成相机标定；
保存标定数据结果到配置文件；
正确移动及摆放标定板，完成手眼标定过程，保存标定数据到配置文件。
6、模板匹配工具运行测试
设置合适的参数创建模板并保存模板；
设置合适的参数查找模板。
7、七巧板外形检测工具运行测试
设置七巧板外形板检测工具参数，识别七巧板的形状及位置，配置2种七巧板图案摆放配置；
8、颜色检测工具运行测试
设置颜色检测工具参数，区分同形状不同颜色的小板。
9、数据处理类运行测试
设置数据表格工具参数，并生成七巧板每个小板位置报表；
摆拼两个形状，摆拼每个形状时，需将此形状中每一块小板的坐标保存到此形状的CSV文件中，比如摆拼正方形的组合图案（见4-2创意拼图的图案）时，将该形状中各小板的坐标保存到：C:\全国技能大赛\场次号-赛位号\摆拼正方形位置数据.csv。”文件中。
10、界面布局及数据显示
界面主窗口显示当前相机采集图像；
定位结果显示到图像上；
测试数据在界面左侧显示。

图6 界面及结果显示
11、客户端界面显示
1）打客户端软件，与主控电脑建立通讯连接，添加“主控电脑取图”工具和指定工具。并做好参数配置设置。

图7 客户端参考显示图

2）点击界面上的“Function1”按钮，弹出窗口，窗口顶部可以看到“HighThr”和“LowThr”两个参数设置滑块，滑动滑块可设置对应参数，图像也会动态变化，图像处理效果如图8所示。

图8 客户端C#代码编程-----图像边缘检测算法示意图
3）点击界面上的“Function2”按钮，弹出窗口，显示直方图统计图表，其效果如图9所示。
图9 客户端C#代码编程-----图像直方图统计算法

4）数据通过网口通讯发送给另一台客户端电脑，客户端软件接收服务器发送的数据并实时显示，客户端配置的名称为“数据接收”。客户端数据显示在软件界面的下方的结果数据栏中。
六、工作流程参考
1、编写视觉程序流程前主要准备工作
相机镜头已安装调试完成，相机可正常采集到图像，工作距离符合要求，相机视野合适，视野范围覆盖检测区内的七巧板；图像清晰，曝光设置合理；
光源安装调试完成，光源开关，亮度调好；
X,Y,Z各轴可正常控制，速度合理，拍照检测区位置示教合理；
相机标定，手眼标定已完成。
2、图案摆放流程
在主要准备工作完成后，开始七巧板的摆放流程，主要流程如下：
1）选手把七巧板放置到检测区，七巧板各小板的位置随机、不重叠；
2）调用正方形图案配置；
3）移动平台到检测区拍照位置；
4）光源触发点亮，同时触发相机拍照，关闭光源；
5）标注检测区内随机摆放的七巧板各小板的颜色，并在软件图形显示区显示；
6）获取检测区内七巧板各小板的精确坐标位置及角度，并在软件图形显示区显示；
7）依据正方形图案配置，摆拼每个形状的时候，需将此形状中每一块小板的坐标保存到此形状的CSV文件中，比如摆拼正方形图案时，将该形状中各小板的坐标保存到：“C:\全国技能大赛\场次号-赛位号\摆拼正方形位置数据.csv。”文件中；
8）控制运动机构，依坐标位置开始摆放正方形图案；
9）正方形图案摆放完成，重复第1步开始下一个图案的摆放，保存各图案的坐标数据到各自的csv文件中，直到2个图案摆放完成。

七、附件
附录一、视觉硬件及参数列表
工业相机
类别
编号
分辨率
帧率FPS
曝光模式
颜色
芯片大小
接口
2D相机
相机A
1280x960
>90
全局
黑白
1/2”
USB3.0
2D相机
相机B
2448x2048
>20
全局
黑白
2/3”
GigE
2D相机
相机C
2592x1944
>10
滚动
彩色
1/2.5”
GigE
3D相机
3D相机
1920x1080x2
>10
滚动
彩色
2/3”
USB3.0

工业镜头
类别
编号
支持分辨率
（优于）
焦距/倍率
最大光圈
工作距离
支持芯片大小
工业镜头
12mm镜头
500万像素
12mm
F2.0
>100mm
1/1.8”
工业镜头
25mm镜头
500万像素
25mm
F2.0
>200mm
2/3”
工业镜头
35mm镜头
500万像素
35mm
F2.0
>200mm
2/3”
远心镜头
远心镜头
500万像素
0.3X
F5.4
110m
2/3”
镜头接圈
0.5mm、1mm、2mm、5mm、10mm、20mm、40mm一组

LED光源
类别
编号
主要参数
颜色
备注
环形光源
小号环形光源
直射环形，发光面外径80，内径40mm
RGB
三者可以合并成AOI光源
环形光源
中号环形光源
45度环形，发光面外径120，内径80mm
G
环形光源
大号环形光源
低角度环形，发光面外径160，内径120mm
B
同轴光源
同轴光源
发光面积60x60mm
RGB

背光源
背光源
发光面积169x145mm
W

注：R=红色、G=绿色、B=蓝色、W=白色

标定板
类别
外框尺寸
mm
圆/格间距
mm
外圆环直径mm
内圆环直径mm
精度mm
标定板A
100x100
20
5
3
±0.01
50x50
10
2.5
1.5
±0.01
20x20
4
1
0.6
±0.01

类别
外框尺寸mm
方格边长mm
方格数量
精度mm
标定板B
180x120
15
11x7
±0.01


附录二、相机的接线定义

一、USB3.0相机 （注意USB3.0通过USB线供电，不要另外插电源，否则会烧相机）


二、GigE相机











附录三、分辨率及焦距计算公式


简单视觉系统的计算，主要包括视场（FOV）、分辨率（Resolution）、工作距离（WD）和景深（DOF）等。
分辨率我们通常指的是像素分辨率，（默认选用的镜头分辨率高于相机的分辨率）。因此
分辨率就等于视野FOV/相机的像素数，假如我们FOV尺寸是16mmx12mm，选用的相机是200万像素（1600x1200），那么像素分辨率就是16mm/1600 or 12mm/1200=0.01mm。
下表分别表示的是英制的芯片尺寸，真实的芯片大小和焦距的计算公式。


附录四、光源控制的接线说明
硬件触发：用户可以通过PLC、相机的输出外部触发信号来控制每一路输出的开关。需要外部触发功能时需将外部触发信号线连接到“REMO”端子上。触发信号高电平时打开，低电平时关闭。
软件触发：用户也可用软件实现触发功能，即使用串口对各输出通道进行控制，使各输出通道按照预先的设置打开或关闭其输出。

REMO端子
引脚号
信号名称
信号定义
1
TR1＋
1通道触发信号＋
2
TR1-
1通道触发信号－
3
TR2＋
2通道触发信号＋
4
TR2-
2通道触发信号－
5
TR3＋
3通道触发信号＋
6
TR3-
3通道触发信号－
7
TR4＋
4通道触发信号＋
8
TR4-
4通道触发信号－
附录五、光源控制器通讯协议

硬件规范
波特率：9600 bps
每帧字节数：8字节
每帧数据格式
1字节
1字节
1字节
3字节
2字节
特征字
指令字
通道字
数据
异或和校验字
注: 所有通讯字节都采用ASCII码
² 特征字 ＝ $
² 指令字 ＝ 1，2，3，4，分别定义为：
1：打开对应通道电源
2：关闭对应通道电源
3：设置对应通道电源参数
4：读出对应通道电源参数
当指令字为1，2，3时，如控制器接收指令成功，则返回特征字$；如控制器接收指令失败，则返回&。
当指令字为4时，如控制器接收指令成功，则返回对应通道的电源设置参数（返回格式跟发送格式相同）；如控制器接收指令失败，则返回&。
² 通道字 ＝ 1，2，3，4。分别代表4个通道。
² 数据 ＝ 0XX（XX为00～FF内的任一数值），对应通道电源的设置参数，高位在前，低位在后。
² 异或和校验字 ＝ 除校验字外的字节（包括：特征字，指令字，通道字和数据）的异或校验和，校验和的高4位ASCII码在前，低4位ASCII码在后。
例：将第2通道亮度设为56，则以ASCII码向下写“$320381E”
$ 3 2 0381E
异或和校验字
亮度值，数据字节为038，以十六进制表示
通道值
指令字，3表示为亮度设置
特征字

异或校验字运算过程如下：


字符串
ASCII码
ASCII码以十六进制表示
将高4位和低4位分别以8421码表示
特征字
$
36
24
0010 0100
指令字
3
51
33
0011 0011
通道字
2
50
32
0011 0010
数据
0
48
30
0011 0000
3
51
33
0011 0011
8
562
38
0011 1000
异或和

0001 1110
异或校验字
1 E
注：打开对应通道电源、关闭对应通道电源和读出对应通道电源参数3个功能的异或校验字的运算过程中，数据的3个字节的值对异或结果无影响，保证格式为0XX（XX=00～FF内的任一数值）即可。

以下为几组指令数据
关闭2通道：$220381F

字符串
ASCII码
ASCII码以十六进制表示
将高半字节和低半字节分别以8421码表示
特征字
$
36
24
0010 0100
指令字
2
50
32
0011 0010
通道字
2
50
32
0011 0010
数据
0
48
30
0011 0000
3
51
33
0011 0011
8
56
38
0011 1000
异或和

0001 1111
异或校验字
1 f

打开2通道：$120381C

字符串
ASCII码
ASCII码以十六进制表示
将高半字节和低半字节分别以8421码表示
特征字
$
36
24
0010 0100
指令字
1
49
31
0011 0001
通道字
2
50
32
0011 0010
数据
0
48
30
0011 0000
3
51
33
0011 0011
8
56
38
0011 1000
异或和

0001 1100
异或校验字
1 C

读取2通道电源参数：$4200012
字符串
ASCII码
ASCII码以十六进制表示
将高半字节和低半字节分别以8421码表示
特征字
$
36
24
0010 0100






附录六、旋转轴的安装及接线说明


θ轴如上图所示，共有四根线需要接入控制面板。


接线分别为A+ A- B+ B-，将对应接线端子接入到控制面板上。





附录七
相机、镜头、光源的选型计算报告
场次号 赛位号______________