機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)重要分支，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、信號(hào)處理、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)域。自起步發(fā)展至今，已經(jīng)有20多年的歷史，其功能以及應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中特別是目前的數(shù)字圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機(jī)、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，大大地推動(dòng)了機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展。
簡(jiǎn)而言之，機(jī)器視覺(jué)就是利用機(jī)器代替人眼來(lái)作各種測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào);圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。
在生產(chǎn)線上，人來(lái)做此類測(cè)量和判斷會(huì)因疲勞、個(gè)人之間的差異等產(chǎn)生誤差和錯(cuò)誤，但是機(jī)器卻會(huì)不知疲倦地、穩(wěn)定地進(jìn)行下去。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對(duì)于每一個(gè)應(yīng)用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運(yùn)行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機(jī)、檢測(cè)目標(biāo)的尺寸還是檢測(cè)目標(biāo)有無(wú)缺陷、視場(chǎng)需要多大、分辨率需要多高、對(duì)比度需要多大等。從功能上來(lái)看，典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運(yùn)動(dòng)控制部分。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué);同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺(jué)易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。正是由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)*部件
一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括：光源、鏡頭、 相機(jī)(包括CCD 相機(jī)和COMS相機(jī))、圖像處理單元(或圖像捕獲卡)、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊 / 輸入輸出單元等。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)*系統(tǒng)構(gòu)成
機(jī)器視覺(jué)技術(shù)用計(jì)算機(jī)來(lái)分析一個(gè)圖像，并根據(jù)分析得出結(jié)論。現(xiàn)今機(jī)器視覺(jué)有兩種應(yīng)用。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以探測(cè)部件，在此光學(xué)器件允許處理器更精確的觀察目標(biāo)并對(duì)哪些部件可以通過(guò)哪些需要廢棄做出有效的決定;機(jī)器視覺(jué)也可以用來(lái)創(chuàng)造一個(gè)部件，即運(yùn)用復(fù)雜光學(xué)器件和軟件相結(jié)合直接指導(dǎo)制造過(guò)程。
盡管機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用各異，但都包括以下幾個(gè)過(guò)程;
圖像采集：光學(xué)系統(tǒng)采集圖像，圖像轉(zhuǎn)換成模擬格式并傳入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。
圖像處理：處理器運(yùn)用不同的算法來(lái)提高對(duì)結(jié)論有重要影響的圖像要素。
特性提取：處理器識(shí)別并量化圖像的關(guān)鍵特性，例如印刷電路板上洞的位置或者連接器上引腳的個(gè)數(shù)。然后這些數(shù)據(jù)傳送到控制程序。
判決和控制：處理器的控制程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出結(jié)論機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)方案。例如：這些數(shù)據(jù)包括印刷電路板上的洞是否在要求規(guī)格以內(nèi)或者一個(gè)自動(dòng)機(jī)器如何必須移動(dòng)去拾取某一部件.
光源：光源和影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。由于沒(méi)有通用的機(jī)器視覺(jué)照明設(shè)備，所以針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。許多工業(yè)用的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)用可見(jiàn)光作為光源，這主要是因?yàn)榭梢?jiàn)光容易獲得，價(jià)格低，并且便于操作。常用的幾種可見(jiàn)光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的一個(gè)最大缺點(diǎn)是光能不能保持穩(wěn)定。以日光燈為例，在使用的第一個(gè)100小時(shí)內(nèi)，光能將下降15%，隨著使用時(shí)間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實(shí)用化過(guò)程中急需要解決的問(wèn)題。另一個(gè)方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護(hù)屏的方法,減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問(wèn)題，在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對(duì)于某些要求高的檢測(cè)任務(wù)，采用X射線、超聲波等不可見(jiàn)光作為光源。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)*原理
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的目的就是給機(jī)器或自動(dòng)生產(chǎn)線添加一套視覺(jué)系統(tǒng)，其原理是由計(jì)算機(jī)或圖像處理器以及相關(guān)設(shè)備來(lái)模擬人的視覺(jué)行為，完成得到人的視覺(jué)系統(tǒng)所得到的信息。人的視覺(jué)系統(tǒng)是由眼球、神經(jīng)系統(tǒng)及大腦的視覺(jué)中樞構(gòu)成，計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)則是由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及信息綜合分析處理系統(tǒng)構(gòu)成。
機(jī)器視覺(jué)需要用到1、圖像處理技術(shù)，2、彩色圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)，3、圖像分割技術(shù)，4、模式識(shí)別技術(shù)，5、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，6、專家系統(tǒng)及人工智能技術(shù)，7、視覺(jué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，8、小波分析技術(shù)，9、分形學(xué)方法等技術(shù)方法。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)*工作過(guò)程
1、工件定位檢測(cè)器探測(cè)到物體已經(jīng)運(yùn)動(dòng)至接近攝像系統(tǒng)的視野中心，向圖像采集部分發(fā)送觸發(fā)脈沖。
2、圖像采集部分按照事先設(shè)定的程序和延時(shí)，分別向攝像機(jī)和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)脈沖。
3、攝像機(jī)停止目前的掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機(jī)在啟動(dòng)脈沖來(lái)到之前處于等待狀態(tài)，啟動(dòng)脈沖到來(lái)后啟動(dòng)一幀掃描。
4、攝像機(jī)開始新的一幀掃描之前打開曝光機(jī)構(gòu)，曝光時(shí)間可以事先設(shè)定。
5、另一個(gè)啟動(dòng)脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時(shí)間應(yīng)該與攝像機(jī)的曝光時(shí)間匹配。
6、攝像機(jī)曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出。
7、圖像采集部分接收模擬視頻信號(hào)通過(guò)A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機(jī)數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。
8、圖像采集部分將數(shù)字圖像存放在處理器或計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中。
9、處理器對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析、識(shí)別，獲得測(cè)量結(jié)果或邏輯控制值。
10、處理結(jié)果控制流水線的動(dòng)作、進(jìn)行定位、糾正運(yùn)動(dòng)的誤差等。
從上述的工作流程可以看出，機(jī)器視覺(jué)是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象都是運(yùn)動(dòng)物體，系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)物體的匹配和協(xié)調(diào)動(dòng)作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動(dòng)作時(shí)間和處理速度帶來(lái)了嚴(yán)格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機(jī)器人、飛行物體導(dǎo)制等，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會(huì)有嚴(yán)格的要求。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)*優(yōu)點(diǎn)
1、非接觸測(cè)量，對(duì)于觀測(cè)者與被觀測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
2、具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見(jiàn)的紅外測(cè)量，擴(kuò)展了人眼的視覺(jué)范圍。
3、長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，人類難以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行觀察，而機(jī)器視覺(jué)則可以長(zhǎng)時(shí)間地作測(cè)量、分析和識(shí)別任務(wù)。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂(lè)等等行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，可以說(shuō)已經(jīng)深入到我們的生活、生產(chǎn)和工作的方方面面。
機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的具體應(yīng)用案例：
1、手機(jī)接口電路板機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)
該系統(tǒng)由光源、鏡頭、攝像頭、圖像采集卡、精密XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、計(jì)算機(jī)和專門開發(fā)的應(yīng)用軟件組成，用于檢測(cè)手機(jī)接口電路板質(zhì)量，其中包括檢測(cè)每個(gè)接口電路板中的三個(gè)器件的位置和尺寸等參數(shù)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大批量電路板組件質(zhì)量的快速準(zhǔn)確檢驗(yàn)。
被檢測(cè)的大電路板上包含有30 個(gè)接口電路板，為了保證測(cè)量精度，每次檢測(cè)只針對(duì)一個(gè)接口電路板。因此，必須通過(guò)XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)電路板。電路板檢測(cè)完后才進(jìn)行分割，并淘汰不合格產(chǎn)品。
系統(tǒng)采用美國(guó)NI公司先進(jìn)的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，還有數(shù)據(jù)記錄和分析的功能。該系統(tǒng)具有測(cè)量準(zhǔn)確、快速、擴(kuò)展性強(qiáng)和性價(jià)比高等特點(diǎn)。該技術(shù)可適用于其他小型的電子和機(jī)械零部件的幾何尺寸測(cè)量。
2、生物醫(yī)學(xué)微粒檢測(cè)與分析系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要任務(wù)是利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)粒子的檢測(cè)和分析。是用于微小(幾十至幾百納米直徑)顆粒的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，主要任務(wù)是測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)小管內(nèi)的微粒的數(shù)量和每個(gè)粒子的粒徑，并對(duì)顆粒大小分布狀態(tài)進(jìn)行分析。
系統(tǒng)配置了激光光源、顯微鏡頭與高分辨率數(shù)字?jǐn)z像頭。此外還配置了電動(dòng)輸液器，用來(lái)驅(qū)動(dòng)載有微小粒子的液體的流動(dòng)。
3、機(jī)器視覺(jué)定位激光切割機(jī)
在激光切割機(jī)工作過(guò)程中，由于加工對(duì)象通常無(wú)法準(zhǔn)確放置在特定的位置上，因此必須先做加工對(duì)象的定位工作。該設(shè)備采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)解決精確定位問(wèn)題，其主要技術(shù)特點(diǎn)是采用兩級(jí)定位的方式，設(shè)備頂部安裝了一臺(tái)相機(jī)，視場(chǎng)比較大，用于粗定位;而在激光頭旁邊有安裝有另一臺(tái)相機(jī)，視場(chǎng)小，用于精確定位。為準(zhǔn)確加工奠定基礎(chǔ)。
4、在商業(yè)上的應(yīng)用：自動(dòng)巡視商店或其他重要場(chǎng)所門廊，自動(dòng)跟蹤可疑的人并及時(shí)報(bào)警。
5、在遙感方面：自動(dòng)制圖，衛(wèi)星圖像與地形圖對(duì)準(zhǔn)，自動(dòng)測(cè)繪地圖;國(guó)土資源管理，如森林、水面、土壤的管理等，還可以對(duì)環(huán)境、火警自動(dòng)檢測(cè)。
6、醫(yī)學(xué)方面：對(duì)染色體切片，癌細(xì)胞切片，X攝線圖像、超聲波圖像的自動(dòng)檢查，進(jìn)而自動(dòng)診斷等。
7、軍事方面：自動(dòng)巡視軍事目標(biāo)，自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，自動(dòng)巡航目標(biāo)和確定距離。
8、殘疾人引路：如為盲人帶路的“帶路機(jī)器狗”。
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)*發(fā)展趨勢(shì)
(1)技術(shù)方面的趨勢(shì)是數(shù)字化、實(shí)時(shí)化、智能化
圖像采集與傳輸?shù)臄?shù)字化是機(jī)器視覺(jué)在技術(shù)方面發(fā)展的必然趨勢(shì)。更多的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，更寬的圖像數(shù)據(jù)傳輸帶寬，更高的圖像處理速度，以及更先進(jìn)的圖像處理算法將會(huì)推出，將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。這樣的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)將使機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)向著實(shí)時(shí)性更好和智能程度更高的方向不斷發(fā)展。
(2)基于嵌入式的產(chǎn)品將取代板卡式產(chǎn)品
從產(chǎn)品本身看，機(jī)器視覺(jué)會(huì)越來(lái)越趨于依靠PC技術(shù)。且基于嵌入式的產(chǎn)品將逐漸取代板卡式產(chǎn)品，這是一個(gè)不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。主要原因是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，尤其是其具備低功耗技術(shù)的特點(diǎn)得到人們的重視。另外，嵌入式操作系統(tǒng)絕大部分是以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)的，使用高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)是可以提高工作效率，縮短開發(fā)周期，更主要的是開發(fā)出的產(chǎn)品可靠性高、可維護(hù)性好、便于不斷完善和升級(jí)換代等。
(3)價(jià)格持續(xù)下降，市場(chǎng)份額迅速擴(kuò)大
目前，在我國(guó)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還不太成熟，主要靠進(jìn)口國(guó)外整套系統(tǒng)，價(jià)格比較昂貴。隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，價(jià)格下降已成必然趨勢(shì)，這意味著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)將逐漸被接受。另外，機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)將不斷增大。一方面已經(jīng)采用機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品的的依賴性將更強(qiáng);另一方面機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品將應(yīng)用到其他更廣的領(lǐng)域。
