機(jī)器視覺的伺服控制技術(shù)簡(jiǎn)述

沈燕卿 劉興法

一、前言

機(jī)器視覺通過圖像攝取裝置將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，即用機(jī)器代替人眼來測(cè)量和判斷，它是快速發(fā)展的人工智能領(lǐng)域的重要分支。機(jī)器視覺的伺服控制通過對(duì)來自圖像提取裝置的圖像信息，分析其像素分布和亮度、顏色等，提取目標(biāo)特征，進(jìn)而結(jié)合控制需求來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

機(jī)器視覺易于實(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)。機(jī)器視覺的應(yīng)用有助于提高生產(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)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺; 同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大幅提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度和效率。

隨著機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展與成熟，基于機(jī)器視覺的自動(dòng)監(jiān)測(cè)與智能控制系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于電子制造、半導(dǎo)體、汽車、交通、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，并主要從中端生產(chǎn)線向前端制造和后端物流環(huán)節(jié)延伸，成為提升產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化水平、實(shí)現(xiàn)中國(guó)制造 2025 的重要技術(shù)手段。

二、機(jī)器視覺及其伺服控制技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

機(jī)器視覺包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、控制技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等，是一門多學(xué)科交叉融合技術(shù)。

機(jī)器視覺系統(tǒng)主要包括三部分：圖像的采集、圖像的處理和分析、輸出或顯示。如圖 1 所示，一個(gè)典型的機(jī)器視覺及控制系統(tǒng)包括光源、光學(xué)系統(tǒng)、圖像捕捉系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機(jī)械控制執(zhí)行模塊等。

其中，采用CCD 攝像機(jī)等的光學(xué)成像系統(tǒng)和圖像捕捉系統(tǒng)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，在經(jīng)采集與數(shù)字化后傳送給專用的圖像處理與決策系統(tǒng)，它根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來提取目標(biāo)的特征（面積、長(zhǎng)度、數(shù)量及位置等），最后根據(jù)預(yù)設(shè)的容許度和其他條件輸出結(jié)果（尺寸、角度、偏移量、個(gè)數(shù)、合格/不合格及有/無等）;上位機(jī)實(shí)時(shí)獲得檢測(cè)結(jié)果后，指揮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等控制執(zhí)行模塊執(zhí)行設(shè)定的控制操作。

通過采用視覺伺服控制，系統(tǒng)可以模擬人的視覺器官、對(duì)環(huán)境實(shí)施非接觸量測(cè)以及便于對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境和目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)等。視覺伺服的一個(gè)關(guān)鍵問題是從三維空間到二維圖象空間的未知的時(shí)變非線性變換 ， 由此派生出新的視覺平面內(nèi)系統(tǒng)的可控性、可觀性以及與原系統(tǒng)控制性能的關(guān)系問題。

機(jī)器視覺的伺服控制可分為基于位置、圖像和混合視覺控制三類。利用標(biāo)定得到的圖像采集系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行三維重建，基于位置的視覺控制能通過軌跡規(guī)劃求得機(jī)器人末端執(zhí)行器下一周期的期望位置，進(jìn)而通過控制器對(duì)機(jī)械關(guān)節(jié)進(jìn)行控制?；趫D像的機(jī)器視覺伺服控制一般使用多臺(tái)攝像機(jī)故對(duì)對(duì)象圖像進(jìn)行特征匹配?；旌弦曈X可控制在圖像控制的基礎(chǔ)上，借助超聲波、激光和紅外等其它類型傳感器，并進(jìn)行多傳感信息融合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)象的識(shí)別、定位及控制。

機(jī)器視覺的軟硬件產(chǎn)品已逐漸成為生產(chǎn)制造各個(gè)階段的必要部分，這就對(duì)系統(tǒng)的集成性提出了更高的要求。在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，人們將機(jī)器視覺系統(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。隨著全球制造中心向中國(guó)轉(zhuǎn)移，中國(guó)機(jī)器視覺市場(chǎng)正在繼北美、歐洲和日本之后，成為國(guó)際機(jī)器視覺廠商的重要目標(biāo)市場(chǎng)。目前包括中國(guó)和日本在內(nèi)的亞太地區(qū)占全球的比重突破 20%已經(jīng)超過歐洲，位居全球第二大區(qū)域市場(chǎng)。

機(jī)器視覺控制系統(tǒng)的應(yīng)用目前主要集中在檢測(cè)、定位、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人等幾個(gè)領(lǐng)域， 特別是在運(yùn)動(dòng)控制、生產(chǎn)流水線、診斷、測(cè)試、數(shù)控設(shè)備等幾個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用需求增長(zhǎng)最為迅速。

三、存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器視覺的伺服控制技術(shù)目前存在的主要問題有成像質(zhì)量不足、圖像處理分析算法性能不足、計(jì)算數(shù)據(jù)量大、智能化水平不高等問題。

1.成像質(zhì)量不足

影響機(jī)器視覺成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響很多，主要包括：系統(tǒng)制造開發(fā)過程中的影響因素：成像波段的選擇、成像傳感器電學(xué)特性與幾何特性、光機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、光學(xué)元件的材料質(zhì)量、加工精度、系統(tǒng)裝調(diào)精度等;系統(tǒng)使用過程中的影響因素：光照條件、目標(biāo)材料特性、目標(biāo)幾何形狀特性、目標(biāo)表面特性、目標(biāo)距離等。 以移動(dòng)機(jī)器人為例，隨著自身的平移及轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)與攝像頭之間的相對(duì)距離姿態(tài)信息并不準(zhǔn)確，其相對(duì)運(yùn)動(dòng)和攝像頭自身俯仰平移運(yùn)動(dòng)帶來的圖像變形都極大影響了視覺跟蹤成像的穩(wěn)定性。

2.圖像處理與分析算法性能不足

圖像處理與分析技術(shù)是機(jī)器視覺的核心，所以構(gòu)造出一個(gè)良好的、適應(yīng)相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的識(shí)別算法顯得尤為重要。由于機(jī)器視覺控制系統(tǒng)主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，工作環(huán)境較為惡劣、現(xiàn)場(chǎng)噪聲大，而且現(xiàn)在的應(yīng)用領(lǐng)域越來越要求檢測(cè)設(shè)備具有準(zhǔn)確、高速地識(shí)別出目標(biāo)的能力，如果不能構(gòu)造出一個(gè)適應(yīng)相應(yīng)需求的識(shí)別算法，就不能適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的需求。特別是在運(yùn)動(dòng)物體跟蹤時(shí)，由于攝像頭隨對(duì)象一起運(yùn)動(dòng)，自然目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)形式往往具有未知、 復(fù)雜、 高度非線性等特點(diǎn)，且周圍環(huán)境的視覺特征隨時(shí)間改變，此時(shí)僅依靠顏色或形狀為目標(biāo)跟蹤特征的視覺跟蹤控制方法缺乏魯棒性。

3.計(jì)算數(shù)據(jù)量大

隨著對(duì)機(jī)器視覺功能需求的不斷提高，機(jī)器視覺所獲取的數(shù)據(jù)量也日益增大。比如用于人臉識(shí)別的機(jī)器視覺，識(shí)別一次要投射多達(dá)幾萬個(gè)紅外線點(diǎn);又如交通檢測(cè)，一天累積下來的數(shù)據(jù)量也十分驚人。不過隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)問題將來會(huì)逐漸得到解決。

4.機(jī)器視覺系統(tǒng)自身的智能化水平不高

機(jī)器視覺是實(shí)現(xiàn)人工智能的關(guān)鍵，但目前為止，國(guó)際上機(jī)器視覺系統(tǒng)本身的智能化水平不高，導(dǎo)致機(jī)器視覺系統(tǒng)在外在條件發(fā)生變化時(shí)，要么需要人為干預(yù)，要么限定其使用范圍，往往不能使機(jī)器視覺系統(tǒng)始終工作最優(yōu)狀態(tài)，導(dǎo)致成像質(zhì)量下降。所以目前的機(jī)器視覺的最終效果往往依賴于圖像處理與分析算法的先進(jìn)性與復(fù)雜性，最終因?yàn)樗惴ㄟ^于復(fù)雜性而不

能在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)時(shí)使用。

四、機(jī)器視覺的伺服控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)等的發(fā)展，機(jī)器視覺的伺服控制技術(shù)主要發(fā)展方向有以下幾點(diǎn)。

1.機(jī)器主動(dòng)視覺的應(yīng)用

機(jī)器主動(dòng)視覺強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)利用及其視覺伺服裝置與周圍環(huán)境進(jìn)行交互，是當(dāng)前機(jī)器人視覺領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。由于機(jī)器視覺的成像質(zhì)量隨著光照條件、目標(biāo)材料特性、幾何形狀特性、表面特性、相對(duì)位移等條件的變化而發(fā)生改變，為保障成像質(zhì)量，系統(tǒng)可通過智能調(diào)節(jié)光照條件、機(jī)器視覺系統(tǒng)與目標(biāo)的相對(duì)位置與相對(duì)姿態(tài)、機(jī)器視覺系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)焦或變倍等，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工作條件下的最優(yōu)成像質(zhì)量。

2.多傳感器信息融合

不同傳感器各有優(yōu)劣，都有一定的適用范圍，如將多種傳感器綜合使用，取長(zhǎng)補(bǔ)短，實(shí)施多傳感器的信息融合，可以得到對(duì)象的更加準(zhǔn)確、可靠的結(jié)果。

3.復(fù)雜環(huán)境下的物體跟蹤

復(fù)雜環(huán)境下的視覺特征隨時(shí)間改變，攝像頭隨對(duì)象進(jìn)行未知、 復(fù)雜、 高度非線性運(yùn)動(dòng)，可考慮采用自適應(yīng)多動(dòng)態(tài)模型算法可以被采用以接近目標(biāo)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)特性。

4.算法復(fù)雜度與準(zhǔn)確度平衡

對(duì)于圖像特征信息的提取直接關(guān)系到伺服系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，機(jī)器視覺系統(tǒng)自身智能化的高水平實(shí)現(xiàn)，可以降低對(duì)圖像處理算法復(fù)雜度的苛刻要求，提高機(jī)器視覺系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與使用效果。

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基金項(xiàng)目：重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助（KJQN201803204，KJQN202003202）