1、機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用秦亞航1,蘇建歡2,余榮川1(1.廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西柳州545006;2.河池學(xué)院，廣西宜州643006【摘要】機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。隨著信號處理理論和計算機(jī)技 術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)迅速發(fā)展。本文介紹了機(jī)器視覺的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，其中包括光源照明 技術(shù)、光學(xué)鏡頭、攝像機(jī)及圖像采集卡、圖像信號處理、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題?！娟P(guān)鍵詞】機(jī)器視覺；圖像采集；圖像處理Development of Machine Vision and ApplicationsQIN Ya-hangl，QIN Wei-ni

2、an，SU Jian-huan2，YU Rong-chuanl(College of Electrical and Information Engineering ， Guangxi University of Science and Technology ， Liuzhou 545006 ， China ； He Chi Universiry ， Yizhou643006 ， China)【Keywords】【Abstract 】The characteristics of the machine vision system is to improve the flexibility and

3、 automation of production. With the development of signal processing theory and computer technology, the technology is developing rapidly. This paper introduces the development status of the key technology of machine vision, including lighting technology, optical lens, camera and image acquisition c

4、ard, image signal processing, actuators, etc,and discusses its main application field and some problems.Machine vision; Image acquisition; The image processing0前言機(jī)器視覺可以理解為基于視覺技術(shù)的機(jī)器系統(tǒng)或?qū)W科。美國制造工程協(xié)會機(jī)器視覺分會和美國 機(jī)器人工業(yè)協(xié)會的自動化視覺分會對機(jī)器視覺下的定義為：機(jī)器視覺是通過光學(xué)裝置和非接 觸的傳感器自動地接受和處理一個真實物體的圖像，通過分析圖像獲得所需信息或用于控制機(jī) 器運動的裝置”1。機(jī)器視覺

5、是計算機(jī)學(xué)科的一個重要分支，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計 算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計算機(jī)、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機(jī) 電一體化等多個領(lǐng)域。圖像處理和模式識別等技術(shù)的快速發(fā)展，也大大地推動了機(jī)器視覺的發(fā) 展。1機(jī)器視覺的發(fā)展歷史模式識別：起源于20世紀(jì)50年代的機(jī)器視覺，早期研究主要是從統(tǒng)計模式識別開始， 工作主要集中在二維圖像分析與識別上，如光學(xué)字符識別OCR、工件表面圖片分析、顯微圖 片和航空圖片分析與解釋。積木世界：20世界60年代的研究前沿是以理解三維場景為目的的三維機(jī)器視覺。1965 年，Roberts從數(shù)字圖像中提取出諸如立方體、楔形體、棱柱體等多面體的三維結(jié)

6、構(gòu)，并對 物體形狀及物體的空間關(guān)系進(jìn)行描述。他的研究工作開創(chuàng)了以理解三維場景為目的的三維機(jī)器 視覺的研究。起步發(fā)展：1977年，David Marr教授在麻省理工大學(xué)的人工智能實驗室領(lǐng)導(dǎo)一個以 博士生為主體的研究小組，于1977年提出了不同于“積木世界，分析方法的計算視覺理論，該 理論在80年代成為機(jī)器視覺領(lǐng)域中的一個十分重要的理論框架。蓬勃發(fā)展：20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)90年代中期，機(jī)器視覺獲得蓬勃的發(fā)展，新概 念，新方法，新理論不斷涌現(xiàn)。在中國，視覺技術(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)，視覺技術(shù)開始在自動化行業(yè)成熟應(yīng)用，如華中科技大學(xué)在印刷在線檢測

7、設(shè)備與浮法 玻璃缺陷在線檢測設(shè)備研發(fā)的成功，打破了歐美在該行業(yè)的壟斷地位。國內(nèi)視覺技術(shù)已經(jīng)日益 成熟，真正高端的應(yīng)用也正在逐步發(fā)展22機(jī)器視覺的關(guān)鍵技術(shù)典型的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)一般包括如下部分：光源，光學(xué)成像系統(tǒng)，圖像捕捉系 統(tǒng)，圖像采集與數(shù)字化，智能圖像處理與決策，控制執(zhí)行模塊等。如下圖所示圖1典型工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)2.1光源 照明系統(tǒng)是機(jī)器視覺系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分之一，直接關(guān)系到系統(tǒng)的成敗。但是目前 尚沒有一個通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，因此針對每個特定的案例，要設(shè)計合適的照 明裝置，以達(dá)到最佳效果。好的光源通常具有如下特點：盡可能突出物體的特征 量，在物體需要檢測的部分與那些不重要部分之間盡可能產(chǎn)

8、生明顯的區(qū)別，增加對 比度；保證足夠的整體亮度和穩(wěn)定性；物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。在 機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中一般使用透射光和反射光。光源設(shè)備的選擇必須符合所需的幾 何形狀。同時，照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性要符合實際的要求，而且還要 考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命3。表1列出了幾種主要光源的相關(guān)特性。表1各種光源對比發(fā)光亮光源顏色壽命（小時）度特點氙燈白色，偏藍(lán)30007000亮發(fā)熱多，持續(xù)光鹵素?zé)舭咨?，偏黃50007000彳艮亮發(fā)熱多，較便宜LED燈紅、黃、綠、白、60000100000藍(lán)較亮發(fā)熱少，固態(tài)，能做成很多形狀點致發(fā)光管由發(fā)光頻率決定50007000較亮發(fā)熱少，較便宜熒光燈

9、白色，偏綠50007000較便宜由上表可也看出，LED光源因其顯色性好，光譜范圍寬，能覆蓋可見光的整個范圍，且 發(fā)光強(qiáng)度高，穩(wěn)定時間長，近年來隨著LED制造工藝和技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，價格逐步降 低，其在機(jī)器視覺領(lǐng)域正得到越來越廣泛的應(yīng)用。2.2光學(xué)鏡頭 光學(xué)鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中必不可少的部件，直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實現(xiàn)和效 果。光學(xué)鏡頭一般稱為攝像頭或攝影鏡頭，簡稱鏡頭。其功能就是光學(xué)成像。根據(jù)被測目標(biāo)的 狀態(tài)應(yīng)優(yōu)先選用定焦鏡頭。鏡頭選擇應(yīng)注意：焦距、目標(biāo)高度、影像高度、放大倍數(shù)、影像至 目標(biāo)的距離、中心點等。當(dāng)然，鏡頭與攝像機(jī)的安裝接口也是應(yīng)考慮的一個重要因素。2.3CCD攝像機(jī)

10、及圖像采集卡CCD攝像機(jī)及圖像采集卡共同完成對目標(biāo)圖像的采集與數(shù)字化。CCD攝像機(jī)由 于其具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優(yōu)點而得到了 廣泛的使用。CCD攝像機(jī)按照其使用的CCD器件可以分為線陣式和面陣式兩大 類。線陣CCD攝像機(jī)主要用于檢測條狀、筒狀產(chǎn)品。目前在機(jī)器視覺系統(tǒng)中， 以面陣CCD的應(yīng)用居多4。圖像采集卡又稱為圖像卡，它將攝像機(jī)的圖像視頻信號送到計算機(jī)的內(nèi)存，供計算機(jī)處理、存 儲、顯示和傳輸?shù)仁褂?。其主要模塊組成及功能如下：A/D轉(zhuǎn)換模塊，將圖像信號放大和數(shù) 字化；相機(jī)控制模塊，負(fù)責(zé)提供相機(jī)的設(shè)置及實現(xiàn)異步重置拍照、定時拍照；PCI總線接 口及控制模塊，主要通

11、過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， 使傳輸速率可達(dá)到132Mbytes/s。顯示模塊，負(fù)責(zé)高質(zhì)量的圖像實時顯示；數(shù)字輸入/輸出 模塊，本模塊允許圖像采集卡通過TTL信號與外部裝置進(jìn)行通信，用于控制和響應(yīng)外部事 件。2.4圖像信號處理技術(shù)圖像信號的處理是機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心。視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包 括圖像變換、數(shù)據(jù)編碼壓縮、圖像增強(qiáng)復(fù)原、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與 理解等內(nèi)容。隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，為了提高系統(tǒng)的實時 性，圖像處理的很多工作都可以借助硬件完成，如DSP芯片、專用圖像信號處理卡等

12、，軟件 主要完成算法中非常復(fù)雜、不太成熟或尚需不斷探索和改進(jìn)的部分。處理時間上，要求處理速 度必須大于等于采集速度，才能保證目標(biāo)圖像無遺漏，完成實時處理。2.5執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)器視覺系統(tǒng)的最終功能的實現(xiàn)還需執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成.不同的應(yīng)用場合，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能不同， 比如機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)，無論哪一種，除了要嚴(yán)格保證其加工制造和裝配的精度 外，在設(shè)計時還應(yīng)對動態(tài)特性，尤其是快速性和穩(wěn)定性給予充分重視5。3機(jī)器視覺的典型應(yīng)用3.1工業(yè)自動化生產(chǎn)線應(yīng)用目前機(jī)器視覺在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，主要有1、引導(dǎo)和定位：上下料使用機(jī)器視覺來 定位，引導(dǎo)機(jī)械手臂準(zhǔn)確抓取。2、外觀檢測：檢測生產(chǎn)線上產(chǎn)品有無質(zhì)量問題， 該環(huán)節(jié)

13、也是取代人工最多的環(huán)節(jié)。3、高精度檢測：有些產(chǎn)品的精密度較高，達(dá)到 0.010.02m，甚至R級，是人眼無法檢測出來的，必須使用機(jī)器來完成。4、識 別：數(shù)據(jù)的追溯和采集，在汽車零部件、食品、藥品等應(yīng)用較多。3.2圖像自動解釋應(yīng)用對放射圖像、顯微圖像、醫(yī)學(xué)圖像、遙感多波段圖像、合成孔徑雷達(dá)圖像、航天航 測圖像等的自動判讀理解。由于近年來技術(shù)的發(fā)展，圖像的種類和數(shù)量飛速增長， 圖像的自動理解已成為解決信息膨脹問題的重要手段。3.3軍事應(yīng)用軍事領(lǐng)域是對新技術(shù)最渴望、最敏感的領(lǐng)域，對于機(jī)器視覺同樣也不例外。最早的視覺和圖像 分析系統(tǒng)就是用于偵察圖像的處理分析和武器制導(dǎo)。機(jī)器視覺廣泛應(yīng)用于航空著陸姿勢、

14、起飛 狀態(tài)；彈道/火箭噴射、子彈出膛、火炮發(fā)射；爆破分析炮彈爆炸、破片分析、爆炸防御；撞 擊、分離以及各種武器性能測試分析，點火裝置工作過程等。4機(jī)器視覺面臨的問題對于人的視覺來說，由于人的大腦和神經(jīng)的高度發(fā)展，其目標(biāo)識別能力很強(qiáng)。但是人的視 覺也同樣存在障礙例如，即時具有敏銳視覺和高度發(fā)達(dá)頭腦的人，一旦置身于某種特殊環(huán)境（即時曾經(jīng)具備一定的先驗知識），其目標(biāo)識別能力也會急劇下降。將人的視覺引入機(jī)器視覺 中，機(jī)器視覺也存在著這樣的障礙。它主要表現(xiàn)在三個方面：一是如何準(zhǔn)確、高速（實時）地 識別出目標(biāo)；二是如何有效地增大存儲容量，以便容納下足夠細(xì)節(jié)的目標(biāo)圖像；三是如何有效 地構(gòu)造和組織出可靠的識別

15、算法，并順利地實現(xiàn)。前兩者相當(dāng)于人的大腦這樣的物質(zhì)基礎(chǔ)，這 期待著高速的陣列處理單元，以及算法（如神級網(wǎng)絡(luò)、分維算法、小波變換等算法）的新突 破，用極少的計算量及高度的并行性實現(xiàn)功能。另外，由于當(dāng)前對人類視覺系統(tǒng)和機(jī)理、人腦心理和生理的研究還不夠，目前人們所建立 的各種視覺系統(tǒng)絕大多數(shù)是只適用于某一特定環(huán)境或應(yīng)用場合的專用系統(tǒng)，而要建立一個可與 人類的視覺系統(tǒng)相比擬的通用視覺系統(tǒng)是非常困難的。正因為如此，賦予機(jī)器以人類視覺功能 是幾十年來人們不懈追求和奮斗的目標(biāo)6。5結(jié)束語由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計信息以及加工控 制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程

16、中，人們將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成 品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。但是機(jī)器視覺技術(shù)比較復(fù)雜，最大的困難在于人的視覺機(jī)制尚不清楚。盡管每一個正常人都是 “視覺專家”，卻不可能用內(nèi)省法來描述自己的視覺過程。因此建立機(jī)器視覺系統(tǒng)是十分困難的 任務(wù)?？梢灶A(yù)計的是，隨著機(jī)器視覺技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，它將在現(xiàn)代和未來制造企業(yè)中得到越來 越廣泛的應(yīng)用?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1張云,吳曉君，馬廷武,龐連軍.基于機(jī)器視覺的零件圖像采集及識別的研究J.電子工程，2006:32（10:29.郭靜，羅華，張濤.機(jī)器視覺與應(yīng)用J.電子科技,2014,27（7:185-188.余文勇，石繪.機(jī)器視覺自動檢測技術(shù)M.化學(xué)工業(yè)出版社,2013,10:6-7.韓冰,林明星,丁鳳華.機(jī)器視覺技術(shù)及其應(yīng)用分析J.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程.2008,12（10:24-27.章煒.機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展及