機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

秦亞航　蘇建歡　余榮川

【摘 要】機(jī)器視覺(jué)可以理解為基于視覺(jué)技術(shù)的機(jī)器系統(tǒng)或?qū)W科。機(jī)器視覺(jué)是一個(gè)不斷發(fā)展的研究領(lǐng)域，其主要工作是對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。機(jī)器視覺(jué)在智能開發(fā)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用。研究智能開發(fā)系統(tǒng)的主要目標(biāo)就是開發(fā)有能力感知，移動(dòng)，并能進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)的機(jī)器。而伴隨著圖像處理等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)該技術(shù)也同時(shí)處于上升期。本文對(duì)機(jī)器視覺(jué)的主要技術(shù)做了簡(jiǎn)單的介紹，其中主要包括光源、攝像機(jī)及圖像采集卡、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，并論述了其主要的應(yīng)用領(lǐng)域以及存在的一些問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器視覺(jué)；圖像采集；圖像處理

Development of Machine Vision and Applications

QIN Ya-hang1 SU Jian-huan2 YU Rong-chuan1

（1.College of Electrical and Information Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545006，China；

2.He Chi Universiry，Yizhou Guangxi 643006，China）

【Abstract】Machine vision can be understood as the machine system based on vision technology or discipline. Machine vision is a growing area of research， the main work is image data processing and analysis. Machine vision system in the intelligent development plays a key role. The study of main goal is to develop intelligent development system that has the ability to perceive， move， and to experience learning machine. But with the development of related technologies， such as image processing， machine vision technology is also rising. In this paper the main technology of machine vision made simple introduction， mainly introduced the light source， camera and image acquisition card， actuators， etc.， and discusses its main application field and some problems.

【Key words】Machine vision； Image acquisition； The image processing

0 前言

簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)機(jī)器視覺(jué)就是讓計(jì)算機(jī)能夠“看到”。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)使用一個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)，模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、數(shù)字信號(hào)處理（DSP）等將所得的數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)或機(jī)器人控制器，然后完成指定的任務(wù)。

機(jī)器視覺(jué)通常被認(rèn)為是一個(gè)智能的自動(dòng)化解決方案，利用專門設(shè)計(jì)的自動(dòng)化制造過(guò)程進(jìn)行相關(guān)控制。機(jī)器視覺(jué)是基于使用智能相機(jī)和圖像捕獲技術(shù)的，換句話說(shuō)機(jī)器視覺(jué)就是“照相機(jī)機(jī)器人”，能夠利用視覺(jué)自動(dòng)進(jìn)行檢查，最終實(shí)現(xiàn)利用機(jī)器來(lái)代替人眼進(jìn)行測(cè)量跟判斷，從而實(shí)現(xiàn)智能化[1]。

1 機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展歷史

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)自20世紀(jì)50年代起，經(jīng)過(guò)不斷的開拓創(chuàng)新，主要經(jīng)歷了如下幾個(gè)具有代表性的關(guān)鍵時(shí)期：

20世紀(jì)50年代二維圖像的統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別技術(shù)開始研究。

60年代Roberts開始進(jìn)行三維機(jī)器視覺(jué)的研究。

70年代中期，MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室正式開設(shè)了“機(jī)器視覺(jué)”的相關(guān)課程。

80年代開始，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)迅速發(fā)展，新技術(shù)，新知識(shí)層出不窮，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，機(jī)器視覺(jué)作為自動(dòng)化界的高智能化新型產(chǎn)品，正蓬勃發(fā)展[2]。

機(jī)器視覺(jué)在中國(guó)的發(fā)展歷史：

在中國(guó)，視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用開始于20世紀(jì)90年代，但在各行業(yè)的應(yīng)用幾乎一片空白。到21世紀(jì)，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中開始得到應(yīng)用，其中華中科技大學(xué)取得了突破性的進(jìn)展，其自主研發(fā)的印刷在線檢測(cè)設(shè)備與浮法玻璃缺陷在線檢測(cè)設(shè)備，使得歐美在此行業(yè)的壟斷地位被打破。目前，國(guó)內(nèi)視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)日益成熟，真正高端的應(yīng)用也正在逐步發(fā)展。

2 機(jī)器視覺(jué)的關(guān)鍵技術(shù)

典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般如下幾個(gè)重要部分組成：光源、光學(xué)鏡頭、圖像捕捉系統(tǒng)、圖像信號(hào)處理技術(shù)、智能圖像處理與決策、以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1光源

為了能夠更好的了解光源，需要對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)工作的執(zhí)行過(guò)程做個(gè)簡(jiǎn)單的介紹： 首先需要進(jìn)行取像，其次需要對(duì)取像的結(jié)果進(jìn)行分析，最后將結(jié)果輸出。取像不僅僅作為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的第一步，也是十分關(guān)鍵的一步，取像的質(zhì)量對(duì)接下來(lái)的分析工作起著至關(guān)重要的作用，而想要取得效果良好的圖像就必然需要采取好的光源，可以說(shuō)光源的好壞直接影響系統(tǒng)的工作能否成功進(jìn)行。光源的作用主要是將待測(cè)區(qū)域與背景區(qū)分開從而突出待測(cè)區(qū)域的特征和邊緣清晰度。為了滿足以上的要求，高質(zhì)量的光源應(yīng)具備具有如下特點(diǎn)：物體的特征能被明顯觀測(cè)，物體待檢測(cè)部分與其他部分有明顯區(qū)別，增加物體的對(duì)比度、亮度和穩(wěn)定性；成像的質(zhì)量不受物體變化而變動(dòng)[3]。

圖1 典型工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)

但是迄今為止還沒(méi)有一個(gè)機(jī)器視覺(jué)照明設(shè)備能滿足所有情況的需求，因此需要具體情況具體分析，從而找到適合特定情形的合適的照明光源。表1給出了幾種主要光源的基本性質(zhì)。

目前在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中應(yīng)用的主要是LED光源，從上表也可以看出，LED光源具有顯色效果好，顏色豐富，穩(wěn)定性好，使用壽命長(zhǎng)，光譜覆蓋范圍寬，體積小，發(fā)光亮度強(qiáng)，價(jià)格低廉，成本和普通節(jié)能燈相當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)，所以其憑借諸多優(yōu)勢(shì)在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域成為了最主要的光源。

2.2 光學(xué)鏡頭

鏡頭的選擇直接影響成像的質(zhì)量。鏡頭選擇應(yīng)注意：焦距的長(zhǎng)短、目標(biāo)以及影像的高度、放大倍數(shù)、中心點(diǎn)、影像至目標(biāo)的距離等。機(jī)器視覺(jué)光學(xué)鏡頭選擇的恰當(dāng)與否，不僅能為接下來(lái)的圖像處理打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)而且可以減少設(shè)備成本。

2.3 CCD攝像機(jī)及圖像采集卡

CCD攝像機(jī)及圖像采集卡用來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像采集和圖像數(shù)字化。CCD攝像機(jī)由于其具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、壽命長(zhǎng)、畸變小、體積小、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的使用。

圖像采集卡的功能是用于傳輸圖像視頻信號(hào)的。其主要模塊組成及功能如下：①A/D轉(zhuǎn)換模塊，將圖像信號(hào)放大和數(shù)字化；②相機(jī)控制模塊，負(fù)責(zé)提供相機(jī)的設(shè)置及實(shí)現(xiàn)異步重置拍照、定時(shí)拍照；③PCI總線接口及總線控制模塊，利用PCI總線完成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的傳輸；總線控制器應(yīng)用了burst模式，傳輸速率逼近132Mbytes/s。④顯示模塊，使圖像的實(shí)時(shí)顯示盡可能清晰；⑤數(shù)字輸入/輸出模塊，主要負(fù)責(zé)與外部裝置的通信功能[4]。

2.4 圖像信號(hào)處理技術(shù)

圖像信號(hào)處理技術(shù)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的核心部分，圖像處理效果直接影響接下來(lái)的執(zhí)行。在機(jī)器視覺(jué)中，圖像處理方法主要包括圖像獲取、圖像預(yù)處理、圖像分割、圖像的特征提取、圖像識(shí)別等。近年來(lái)DSP芯片及專用圖像信號(hào)處理卡等大規(guī)模集成硬件的出現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，大大提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性[5]?？梢?jiàn)，伴隨著圖像信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)必將崛起。

2.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的最后一環(huán)，系統(tǒng)的功能的實(shí)現(xiàn)最終還需它來(lái)完成。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，可以選擇不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，比如機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等。執(zhí)行過(guò)程中，除了要使其加工制造和裝配的精度外滿足要求外，還應(yīng)滿足一定的動(dòng)態(tài)特性，尤其是快速性和穩(wěn)定性。

3 機(jī)器視覺(jué)的典型應(yīng)用

由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有人眼所具有的優(yōu)勢(shì)，能夠快速獲取大量信息并進(jìn)行分析處理，因此，機(jī)器視覺(jué)被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，包括工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制造業(yè)、交通業(yè)、航空航天領(lǐng)等領(lǐng)域。其中主要應(yīng)用如下：

3.1 工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線

工業(yè)上應(yīng)用主要有以下幾方面：（1）引導(dǎo)和定位：利用機(jī)械手臂完成準(zhǔn)確抓取如自動(dòng)組裝、包裝、焊接等。（2）外觀檢測(cè)：檢測(cè)生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量是否合格，具有準(zhǔn)確性高、速度快的特點(diǎn)。（3）物體測(cè)量：避免了接觸式測(cè)量的二次損傷。（4）圖像識(shí)別：圖像數(shù)據(jù)的追溯和分析處理，目前廣泛使用的二維碼的識(shí)別就應(yīng)用了機(jī)器視覺(jué)里的圖像識(shí)別技術(shù)。機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用使自動(dòng)化的生產(chǎn)水平得到了顯著的提高。

3.2 制造業(yè)

隨著中國(guó)紅利的消失，傳統(tǒng)制造業(yè)必然面臨著成本提高、競(jìng)爭(zhēng)激烈的現(xiàn)象。為了提高生產(chǎn)效率，制造業(yè)正進(jìn)行著用機(jī)器替代人力的轉(zhuǎn)型升級(jí)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)不僅能在大量重復(fù)性工作中具有較大優(yōu)勢(shì)，還能夠替代人類在各種危險(xiǎn)的環(huán)境中實(shí)施作業(yè)。

3.3 交通

智能交通監(jiān)控領(lǐng)域中，在重要的十字路口安放攝像頭，就可以利用攝像頭的快速拍照功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)違章、逆行等車牌的車牌進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、存貯，以便相關(guān)的工作人員進(jìn)行查看。

3.4 軍事

伴隨信息化時(shí)代的到來(lái)，將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用于軍事武器將大大提高我國(guó)的軍事力量。其中具體應(yīng)用于排雷、防爆、制導(dǎo)、定位、無(wú)人機(jī)、自動(dòng)檢測(cè)軍事目標(biāo)等，不僅減輕軍人傷亡率還能提高作戰(zhàn)效率。

4 機(jī)器視覺(jué)面臨的問(wèn)題

雖然經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，但是機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域仍然存在諸多問(wèn)題，其存在的主要問(wèn)題如下：

（1）如何準(zhǔn)確、高速（實(shí)時(shí)）地識(shí)別出目標(biāo)。圖像采集速度較低、時(shí)間長(zhǎng)、計(jì)算量大，從而提高圖像處理速度是一個(gè)亟待解決的關(guān)鍵難題。

（2）如何構(gòu)造出性能良好的識(shí)別算法，并且順利地實(shí)現(xiàn)。

（3）穩(wěn)定性。當(dāng)初始點(diǎn)遠(yuǎn)離目標(biāo)點(diǎn)時(shí)如何保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性也很重要。

（4）如何增大系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量，實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似人眼的通用視覺(jué)系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以代替人眼這一主要優(yōu)勢(shì)，人們已經(jīng)將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但是人類的視覺(jué)機(jī)制尚不十分明確，要在這種情況下建立一個(gè)功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)尚有一定難度。盡管每個(gè)人都是視覺(jué)領(lǐng)域的專家，但用內(nèi)省法來(lái)描述我們的視覺(jué)傳輸過(guò)程是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。因此機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)未來(lái)還要經(jīng)歷一段很長(zhǎng)的發(fā)展道路[6]。

可以預(yù)計(jì)的是，雖然機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域還有許多問(wèn)題亟待解決，但是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)逐漸成為未來(lái)科技發(fā)展的一大重要方向。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]