機器視覺技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

周寶倉　呂金龍　肖鐵忠　崔仲鳴

摘 要：隨著智能產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，機器視覺技術(shù)憑借高精準度、高效率以及實時性等優(yōu)勢在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文首先介紹機器視覺發(fā)展現(xiàn)狀;其次闡述視覺系統(tǒng)的基本組成，并梳理硬件部分和機器視覺軟件;再次介紹機器視覺在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用;最后分析目前機器視覺技術(shù)所面臨的問題以及未來的發(fā)展趨勢。研究結(jié)果對我國機器視覺技術(shù)的發(fā)展及工業(yè)智能化建設(shè)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：機器視覺;視覺系統(tǒng);視覺軟件;發(fā)展趨勢

中圖分類號：TH16 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）31-0018-03

Research Status and Development Trend of Machine Vision Technology

ZHOU Baocang LYU Jinlong XIAO Tiezhong CUI Zhongming

（1.School of Mechanical & Electrical Engineering， Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001;2.Sichuan Equipment Manufacturing Engineering Technology Applications Laboratory of Robotics， Deyang Sichuan 618000）

Abstract： With the continuous development of intelligent industry， machine vision technology has been widely used in many fields with the advantages of high precision， high efficiency and real-time. Firstly， the development status of machine vision is introduced. Secondly， the basic components of the vision system are described， and the hardware and machine vision software are combed. Then the application of machine vision in industrial field is introduced. Finally， the problems faced by machine vision technology and the development trend in the future are analyzed. The research results are of great significance to the development of machine vision and the construction of industrial intelligence in China.

Keywords： machine vision;visual system;visual software;development trends

智能制造是我國邁向制造強國的重要途徑。通過對我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)進行智能化建設(shè)，能促進我國工業(yè)更快更好的發(fā)展。機器視覺是利用光學裝置和非接觸傳感器自動接收和處理真實物體的圖像信息，以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置。機器視覺是模仿人的眼睛進行測量和判斷[1]。機器視覺具有高精準性、高效率及可持續(xù)工作等優(yōu)勢，擅長對結(jié)構(gòu)化場景進行定量測量。隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和轉(zhuǎn)型升級的不斷深入，機器視覺技術(shù)在汽車制造、印刷包裝、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥及紡織等多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因此，推動機器視覺相關(guān)技術(shù)的研究對智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展有著極其重要的意義。

1 機器視覺發(fā)展現(xiàn)狀

國外對機器視覺的研究開始于20世紀50年代，Gilson提出“光流”這一概念，開始對二維圖像的統(tǒng)計模式識別的研究;20世紀60年代，機器視覺研究逐漸興起，Roberts等人對三維視覺的研究奠定了機器視覺技術(shù)研究理論的基礎(chǔ);20世紀70年代，機器視覺起步，David Marr提出了一個新的理論——Marr視覺理論，是機器視覺研究領(lǐng)域的第一個重要理論框架，并開始形成系統(tǒng)的機器視覺理論;20世紀80年代，機器視覺蓬勃發(fā)展，全球迎來了機器視覺研究的熱潮，新的研究方法與理論如主動視覺理論框架、視覺集成理論框架等不斷涌現(xiàn);20世紀90年代，機器視覺產(chǎn)業(yè)化形成，眾多機器視覺企業(yè)成立，機器視覺技術(shù)開始在各行業(yè)得到應(yīng)用。

國內(nèi)對機器視覺技術(shù)的研究始于20世紀80年代。我國引進的第一批機器視覺技術(shù)應(yīng)用于南方電子半導(dǎo)體工廠。國內(nèi)機器視覺技術(shù)發(fā)展可分為4個階段：第1階段是20世紀80年代的機器視覺起步階段，該階段主要技術(shù)和相關(guān)設(shè)備;第2階段是1999—2003年的啟蒙階段，國內(nèi)機器視覺公司技術(shù)主要通過代理國際機器視覺技術(shù)廠商的一些系統(tǒng)集成業(yè)務(wù)及機器視覺二次開發(fā)應(yīng)用;第3階段是2004—2007年的成長階段，這一階段國內(nèi)機器視覺企業(yè)開始從學習階段過渡到本土技術(shù)研發(fā)階段，開始占據(jù)初級市場;第4階段是從2008年至今的高速成長階段，該階段，國內(nèi)相關(guān)機器視覺核心器件研發(fā)企業(yè)不斷涌現(xiàn)，機器視覺行業(yè)高質(zhì)量快速發(fā)展。據(jù)中國機器視覺產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟統(tǒng)計，2019年我國機器視覺行業(yè)銷售超額百億，增速超20%。

2 機器視覺系統(tǒng)

機器視覺是一門涉及多個領(lǐng)域的交叉學科[2]，對其各部分的發(fā)展研究是促進視覺系統(tǒng)快速發(fā)展的關(guān)鍵。一個典型的機器視覺系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要有光源設(shè)備、相機、鏡頭、圖像處理卡以及輔助執(zhí)行機構(gòu)等;軟件部分主要是指圖像處理視覺軟件和圖像處理方法。典型的機器視覺系統(tǒng)先在一定的光源條件下由相機拍攝目標圖像獲得圖像信息，再利用視覺軟件對圖像采集卡所采集的信息進行處理，通過配套的控制裝置傳遞相應(yīng)的控制信號，以控制相應(yīng)的執(zhí)行裝置工作。

2.1 光源

光源是影響圖像成像質(zhì)量好壞的關(guān)鍵因素，主要作用是突出目標特征和抑制無關(guān)特征，增加目標需檢測部分與非檢測部分的對比度，同時需要保證足夠的亮度和穩(wěn)定性，以確保圖像成像質(zhì)量。光源的種類較多，需針對不同應(yīng)用場景選用合適的照明光源以達到最佳效果[3]。在光源選用上，選用不同顏色的光源照射目標物體，使目標反射所需的光，吸收不需要反射的光。在不同應(yīng)用場景下，選用不同的照明方案也是突出目標特征的關(guān)鍵。常見的照明方案有暗場直接正面照明、明場漫射背光照明和明場平行背光照明等。

2.2 相機及鏡頭

相機是機器視覺系統(tǒng)的核心組件，功能是將所采集的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻碾娦盘?。圖像傳感器是相機的核心感光元件，主要分為電荷耦合器件（Charge Coupled Devices，CCD）和互補性氧化金屬半導(dǎo)體（Complementary Metal Oxide Semiwnductor，CMOS）兩種。它們的主要差異體現(xiàn)為不同的芯片技術(shù)結(jié)構(gòu)[4]。CMOS相機將采集光信號轉(zhuǎn)化為電信號的電子元件集成于芯片，使相機能夠更快地讀取圖像數(shù)據(jù)。而CCD相機無須在芯片表面安裝電子元件，通過使用芯片的表面捕捉光線，因此對光線比較敏感，適用于弱光條件。

鏡頭是機器視覺的“眼球”。鏡頭的選擇影響著分辨率、對比度及景深等關(guān)鍵成像指標，是決定圖片質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵。目前，鏡頭朝著高清晰度和強光譜透射能力發(fā)展。先進的高分辨率和廣域鏡頭是鏡頭未來的發(fā)展趨勢。

2.3 圖像采集處理

圖像采集卡的作用是對圖像信息進行采集、壓縮、保存，控制圖像的分辨率，高速傳送圖像信息。圖像處理是對相機采集到的原始圖像信息進行各種處理，突出有用的特征信息，過濾無用的信息[5]。針對不同的特征信息有不同處理方法，目前常用的方法有圖像降噪、圖像增強、圖像分割及圖像特征提取等。

2.4 機器視覺軟件

機器視覺軟件是機器視覺的“大腦”。常見的視覺軟件可按功能分為兩類：一類是專用功能（如金屬鑄件檢測、BGA錫珠檢測以及LCD檢測）;另一類是通用功能（如測量、定位、實時反饋以及分類檢測）。按視覺軟件側(cè)重面可分為3大類：第1類為圖像處理方面的視覺軟件（如OpenCV、Halcon、Vision Pro）;第2類為算法方面的視覺軟件（Matlab、LabVIEW）;第3類為相機SDK開發(fā)的視覺軟件（eVision）。目前，應(yīng)用較為廣泛的視覺處理軟件是Halcon、OpenCV和Vision Pro。Halcon具有1 400多個獨立算子，可供多種開發(fā)語言調(diào)用，同時具有獨特的底層數(shù)據(jù)管理和多種開發(fā)語言接口、工業(yè)相機接口;OpenCV是一個開源跨平臺計算機視覺庫，適應(yīng)多種操作系統(tǒng)，同時支持多種編程語言，但OpenCV的開發(fā)周期相對長;Vision Pro是由美國Cognex公司研發(fā)的一款視覺軟件，具有圖像預(yù)處理、拼接和標定等功能，開發(fā)效率較高，可采用圖形編程，也可采用API函數(shù)編程。近些年，國內(nèi)機器視覺軟件系統(tǒng)發(fā)展迅速，發(fā)展較好的視覺軟件有深圳OPT的Sci Smart智能視覺軟件、陜西維視圖像Vision bank以及北京凌云光Vision WARE等。

3 機器視覺技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

在以智能制造為核心的工業(yè)4.0時代背景下，以及《中國制造2025》等戰(zhàn)略部署的不斷深入，我國智能制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，基于機器視覺的智能制造市場呈現(xiàn)爆炸式增長。智能制造是工業(yè)變革的重要方向，是制造業(yè)的主要驅(qū)動力之一。機器視覺技術(shù)是智能制造核心技術(shù)，對我國工業(yè)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。目前，機器視覺技術(shù)主要應(yīng)用于金屬加工、包裝、電子及半導(dǎo)體和工業(yè)機器人等行業(yè)。

3.1 金屬加工和包裝行業(yè)

在機械制造工業(yè)中，金屬加工過程尤為重要。通過機器視覺技術(shù)可以提高金屬加工效率，實時檢測金屬加工過程和加工產(chǎn)品表面質(zhì)量，推動制造業(yè)朝著更高的自動化方向發(fā)展[6]。

隨著我國工業(yè)自動化技術(shù)的快速發(fā)展，醫(yī)療、食品、煙草、飼料及印刷等行業(yè)的生產(chǎn)效率不斷提高，對產(chǎn)品包裝效率的要求也不斷提高。目前，我國包裝產(chǎn)業(yè)包裝效率低、成本高、智能化水平低，導(dǎo)致包裝產(chǎn)業(yè)整體發(fā)展速度緩慢。然而，基于機器視覺技術(shù)設(shè)計的智能包裝系統(tǒng)具有包裝效率高、系統(tǒng)可靠性強、智能化程度高及運行成本低等優(yōu)勢。基于機器視覺技術(shù)的包裝系統(tǒng)是推動我國包裝行業(yè)轉(zhuǎn)型的重中之重。

3.2 電子及半導(dǎo)體行業(yè)

中國是世界最大的3C（計算機類、通信類、消費電子類）產(chǎn)品制造國，產(chǎn)能約占全球的70%。從我國機器視覺工業(yè)上的應(yīng)用分布來看，46%都集中在電子和半導(dǎo)體行業(yè)。電子和半導(dǎo)體制造是機器視覺的核心應(yīng)用領(lǐng)域，因為電子設(shè)備和半導(dǎo)體制造對機器視覺技術(shù)存在剛性需求。在半導(dǎo)體制造中，前、中段都需要機器視覺技術(shù)的精密定位與測量功能，后段制造過程中，晶圓的電器檢測、切割、AOI封裝以及缺陷檢測等過程也都需要大量運用機器視覺技術(shù)。

3.3 工業(yè)機器人行業(yè)

機器視覺技術(shù)在工業(yè)機器人領(lǐng)域的應(yīng)用功能主要是定位、引導(dǎo)、糾偏及實時反饋。隨著我國工業(yè)自動化和智能化的迅速發(fā)展，人們對工業(yè)設(shè)備的工作精度和運行效率提出了更高的要求。傳統(tǒng)人工控制設(shè)備存在不能保證高精度、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定以及工作效率低等問題，無法滿足當前工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。機器視覺技術(shù)具有實時性好、定位精度高等優(yōu)點，提升了工業(yè)機器人的柔性和智能化水平[7]。

4 機器視覺技術(shù)發(fā)展趨勢

機器視覺技術(shù)的發(fā)展還面臨很多問題。解決這些問題是機器視覺技術(shù)進一步發(fā)展的關(guān)鍵，也是未來機器視覺技術(shù)發(fā)展的趨勢。

4.1 國內(nèi)高端產(chǎn)品的硬件主要依賴進口

國內(nèi)在智能相機與傳感器研發(fā)中，結(jié)合光學物理學科是機器視覺系統(tǒng)中的相機及傳感器發(fā)展的一個重要突破口。在工業(yè)鏡頭與光源上，研發(fā)高分辨率鏡頭和更小的光源是關(guān)鍵。

4.2 模塊化的通用型軟件平臺和結(jié)合AI技術(shù)軟件平臺是視覺軟件的發(fā)展方向

視覺軟件會縮短開發(fā)周期并降低對開發(fā)技術(shù)人員的要求。由于與之相匹配的算法工具發(fā)展有限，導(dǎo)致機器視覺技術(shù)在智能性方面達不到工業(yè)場景應(yīng)用要求，因此需加快相關(guān)算法的升級創(chuàng)新，從而進一步提升機器視覺系統(tǒng)的智能性，其中模塊化的通用軟件平臺和結(jié)合AI技術(shù)軟件平臺是視覺軟件的發(fā)展方向。

4.3 機器視覺由2D視覺逐步向3D視覺發(fā)展

隨著算法算力的不斷提升，為使機器視覺應(yīng)用于更多復(fù)雜工業(yè)場景中，如基于機器視覺的三維重建及修補技術(shù)、三維掃描以及3D識別等技術(shù)對3D視覺技術(shù)有更高的要求。

4.4 機器學習和深度學習在機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用

可將機器學習的算法應(yīng)用于機器視覺軟件，提升系統(tǒng)運算處理能力?？蓪⑸疃葘W習的特征學習能力和特征表達能力與機器視覺的實時性和高效性相結(jié)合，提升機器視覺的工作效率。

4.5 機器視覺行業(yè)標準亟待規(guī)范完善

目前，一套機器視覺設(shè)備在實際應(yīng)用中往往需要搭配與之配套的硬件設(shè)備和專用的視覺軟件，導(dǎo)致機器視覺產(chǎn)品的通用性很低。需出臺完善的行業(yè)標準，提高相關(guān)設(shè)備的通用性，降低生產(chǎn)成本和維修費用，從而加快機器視覺行業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)語

機器視覺技術(shù)是實現(xiàn)工業(yè)智能化的必要手段。隨著深度學習、機器學習、3D技術(shù)和機器視覺互聯(lián)互通技術(shù)的快速發(fā)展，機器視覺智能化水平不斷提升，機器視覺技術(shù)在工業(yè)智能領(lǐng)域的應(yīng)用會朝著智能識別、智能檢測、智能測量以及智能互聯(lián)的完整智能體系方向發(fā)展，從而更好地發(fā)揮其高精準度、高效率的作用，為中國智能產(chǎn)業(yè)開啟“智慧之眼”。

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