第1章智能視覺技術(shù)概述1.1

智能視覺技術(shù)的概念1.2智能視覺技術(shù)的發(fā)展1.3智能視覺系統(tǒng)的組成1.4智能視覺技術(shù)的應(yīng)用本章小結(jié)

1.1

智能視覺技術(shù)的概念

機(jī)器視覺系統(tǒng)通過機(jī)器來替代人眼對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行測(cè)量、識(shí)別和判斷。機(jī)器視覺和人類視覺有著本質(zhì)上的不同。機(jī)器視覺系統(tǒng)通過機(jī)器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào),傳送給專用的圖像處理系統(tǒng),得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息,根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息,將其轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào);圖像處理系統(tǒng)通過對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征,進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備。

機(jī)器視覺系統(tǒng)主要應(yīng)用于人類視覺無法達(dá)到檢測(cè)要求、高速大批量工業(yè)產(chǎn)品制造自動(dòng)生產(chǎn)流水線以及不適合人工作業(yè)的場(chǎng)合。機(jī)器視覺較易實(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)。在實(shí)際應(yīng)用中,大多數(shù)系統(tǒng)的檢測(cè)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)尤為重要,這就給系統(tǒng)各部分的動(dòng)作時(shí)間和處理速度帶來了更嚴(yán)格的要求,需要在開發(fā)和設(shè)計(jì)中投入更多的精力。

智能視覺系統(tǒng)比機(jī)器視覺系統(tǒng)更加智能,它是在機(jī)器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)上,更大程度地模仿、延伸和擴(kuò)展人的智能,使得系統(tǒng)具有“機(jī)器思維”。在本書中智能視覺也稱機(jī)器視覺。

1.2智能視覺技術(shù)的發(fā)展

智能視覺技術(shù)是計(jì)算機(jī)視覺理論在具體問題中的應(yīng)用。該理論從信息處理的角度系統(tǒng)概括了解剖學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)、神經(jīng)學(xué)等方面已取得的成果,規(guī)范了視覺研究體系。計(jì)算機(jī)視覺以視覺計(jì)算理論為基礎(chǔ),為視覺研究提供了統(tǒng)一的理論框架。

目前,發(fā)展最快、使用最多的智能視覺技術(shù)主要集中在歐洲各國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)。發(fā)達(dá)國(guó)家在針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況開發(fā)智能視覺硬件產(chǎn)品的同時(shí),對(duì)軟件產(chǎn)品的研究也投入了大量的人力和財(cái)力。智能視覺的應(yīng)用普及主要集中在半導(dǎo)體和電子行業(yè),其中40%~50%集中在半導(dǎo)體制造行業(yè),如印制電路板組裝工藝與設(shè)備、表面貼裝工藝與設(shè)備、電子生產(chǎn)加工設(shè)備等。

在國(guó)內(nèi),由于半導(dǎo)體及電子行業(yè)屬于新興領(lǐng)域,智能視覺技術(shù)產(chǎn)品的普及還不夠深入,導(dǎo)致智能視覺技術(shù)在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用十分有限。值得一提的是,隨著國(guó)際電子、半導(dǎo)體制

造業(yè)向我國(guó)珠三角、長(zhǎng)三角等地區(qū)的延伸和轉(zhuǎn)移,這些行業(yè)和地區(qū)已成為最前沿和最優(yōu)質(zhì)的智能視覺技術(shù)應(yīng)用聚集地。我國(guó)制造業(yè)的快速發(fā)展給智能視覺技術(shù)的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條

件,許多致力于智能視覺應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)與推廣的企業(yè)也相繼誕生。相信隨著我國(guó)配套基礎(chǔ)建設(shè)的完善以及技術(shù)、資金的積累,各行各業(yè)對(duì)智能視覺的應(yīng)用需求將快速增長(zhǎng)。

國(guó)內(nèi)在智能視覺產(chǎn)品(包括視覺軟件、相機(jī)系統(tǒng)、光源等)的研發(fā)方面雖然取得了一些成果,但與國(guó)外先進(jìn)的智能視覺技術(shù)與設(shè)備相比還有較大的差距。目前國(guó)內(nèi)在智能視覺產(chǎn)

品研發(fā)方面主要存在技術(shù)水平較低、應(yīng)用面窄、基本處于軟硬件定制的專用視覺系統(tǒng)研發(fā)和應(yīng)用階段等問題,開發(fā)成本高,效率低;在智能視覺算法研究方面,仍采用經(jīng)典的數(shù)字圖

像處理算法和通用軟件編程開發(fā),組態(tài)集成開發(fā)能力弱;在產(chǎn)品方面,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能視覺技術(shù)與系統(tǒng)產(chǎn)品較少,不利于批量生產(chǎn)和廣泛推廣。

在我國(guó)高校,智能視覺教學(xué)與科研方面也有喜有憂,在科研領(lǐng)域,涌現(xiàn)出大量的智能視覺科研機(jī)構(gòu)和學(xué)者,在智能視覺算法研究方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步,發(fā)表了大量學(xué)術(shù)論文。但在智能視覺應(yīng)用,特別是智能視覺教學(xué)方面,與工業(yè)應(yīng)用不相適應(yīng),有的沒有開設(shè)相應(yīng)課程,有的沒有開設(shè)相應(yīng)實(shí)驗(yàn),有的甚至認(rèn)為智能視覺屬于科學(xué)前沿,未將智能視覺應(yīng)用技術(shù)列入教學(xué)計(jì)劃和課程體系,這些問題和不足主要是由于我們的教學(xué)與應(yīng)用脫節(jié)造成的。因此,加快發(fā)展我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能視覺產(chǎn)品是當(dāng)務(wù)之急,在高等院校針對(duì)自動(dòng)化專業(yè)、計(jì)算機(jī)專業(yè)和機(jī)電一體化專業(yè)開設(shè)智能視覺應(yīng)用技術(shù)課程和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)也迫在眉睫。

1.3智能視覺系統(tǒng)的組成

智能視覺系統(tǒng)主要由獲取圖像信息的圖像采集部分和對(duì)視覺信息進(jìn)行處理、判別、決策的圖像處理部分組成。圖像采集是決定智能視覺系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵,圖像采集質(zhì)量與鏡頭、工業(yè)相機(jī)、光源等硬件息息相關(guān),這些硬件的選擇與使用直接影響圖像的采集質(zhì)量。

圖像處理是智能視覺系統(tǒng)的核心,它決定了如何對(duì)圖像進(jìn)行處理和運(yùn)算,是開發(fā)智能視覺系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。典型的智能視覺系統(tǒng)一般由圖像采集單元(光源、鏡頭、相機(jī))、圖像處理單元、控制單元(人機(jī)界面、PLC、工業(yè)機(jī)器人、電機(jī)等)組成,如圖1-1所示。圖1-1-典型的智能視覺系統(tǒng)組成

1.3.1-圖像采集單元

圖像的獲取實(shí)際上是將被測(cè)物體的可視化圖像和內(nèi)在特征轉(zhuǎn)換成能被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù),它直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。

1.工業(yè)相機(jī)

在智能視覺系統(tǒng)中,相機(jī)的主要功能是將光敏元接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓的幅值信號(hào)輸出。相機(jī)實(shí)際上是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置,即將圖像傳感器所接收到的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)所能處理的電信號(hào)。光電轉(zhuǎn)換器件是構(gòu)成相機(jī)的核心器件。

CCD是目前智能視覺系統(tǒng)中最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移及信號(hào)讀取于一體,是典型的固體成像器件。CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào),而其他器件大多以電流或者電壓作為信號(hào)。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包,而后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大、輸出圖像信號(hào)。典型的CCD由圖像傳感器、時(shí)序及同步信號(hào)發(fā)生器、垂直驅(qū)動(dòng)器、模擬/數(shù)字信號(hào)處理電路組成。

CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上,具有局部像素可隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。

2.工業(yè)鏡頭

對(duì)于智能視覺系統(tǒng)來說,圖像是唯一的信息來源,而圖像的質(zhì)量是由鏡頭的恰當(dāng)選擇來決定的[2]。鏡頭的作用等同于針孔成像中針孔的作用。所不同的是,一方面,鏡頭的透光孔徑比針孔大很多倍,能在同等時(shí)間內(nèi)接納更多的光線,使相機(jī)能在很短時(shí)間內(nèi)獲得適當(dāng)?shù)钠毓?另一方面,鏡頭能夠聚集光束,可以在相機(jī)膠片或圖像傳感器上產(chǎn)生比針孔成像效果更為清晰的影像。

3.視覺光源

光源是影響智能視覺系統(tǒng)輸入的重要因素,它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。由于沒有通用的智能視覺照明設(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)用的智能視覺系統(tǒng)用可見光作為光源,這主要是因?yàn)榭梢姽馊菀撰@得,價(jià)格低,便于操作。常用的幾種可見光源是白熾燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。

1.3.2圖像處理單元

圖像處理單元對(duì)采集到的視覺信息進(jìn)行處理、分析、識(shí)別,獲得測(cè)量結(jié)果或邏輯控制值。這些功能的具體實(shí)現(xiàn)是通過智能視覺軟件來完成的。智能視覺軟件主要完成圖像增強(qiáng)、

圖像分割、特征提取、模式識(shí)別、圖像壓縮與傳輸?shù)人惴üδ?有些還具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

智能視覺軟件主要向高性能與可組態(tài)兩方面發(fā)展。一方面,智能視覺軟件已從過去單純追求多功能化轉(zhuǎn)向追求檢測(cè)算法的準(zhǔn)確性、高效性。優(yōu)秀的智能視覺軟件可以對(duì)圖像中的目標(biāo)特征進(jìn)行快速而準(zhǔn)確的檢測(cè),并最大限度地減少對(duì)硬件系統(tǒng)的依賴。另一方面,智能視覺軟件正由定制方式朝著通用可視化組態(tài)方式發(fā)展。由于圖像處理算法具有一定的通用性,因此多個(gè)算法工具組合使用,可快速實(shí)現(xiàn)多種工業(yè)測(cè)量、檢測(cè)和識(shí)別。

1.4智能視覺技術(shù)的應(yīng)用

受益于配套基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善、制造業(yè)總體規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大、智能化水平不斷提高、政策利好等因素,中國(guó)智能視覺市場(chǎng)需求不斷增長(zhǎng)。據(jù)中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2019年機(jī)器視覺市場(chǎng)發(fā)展前景及投資研究報(bào)告》顯示,2018年中國(guó)智能視覺市場(chǎng)規(guī)模首次超過100億元。

隨著智能視覺行業(yè)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的發(fā)展逐漸成熟,行業(yè)內(nèi)上游及配套企業(yè)不斷加大對(duì)新產(chǎn)品的研發(fā)及投入,自主能力增強(qiáng),有望形成完善的產(chǎn)業(yè)鏈。智能視覺系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備精密控制、智能化、自動(dòng)化的有效途徑,堪稱現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的“機(jī)器眼睛”。其最大優(yōu)點(diǎn)為可以憑借速度、精度和可重復(fù)性等優(yōu)勢(shì)對(duì)結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景進(jìn)行定量測(cè)量。

由于消除了檢驗(yàn)系統(tǒng)與被檢驗(yàn)元件之間的直接接觸,因此智能視覺系統(tǒng)還能夠防止元件損壞,也減少了機(jī)械部件磨損的維護(hù)時(shí)間和成本投入。通過減少制造過程中的人工參與,

智能視覺系統(tǒng)還帶來了額外的安全性和操作優(yōu)勢(shì)。此外,智能視覺系統(tǒng)還能夠防止車間潔凈室受到人為污染,也能讓工人免受危險(xiǎn)環(huán)境的威脅。另外,人類難以長(zhǎng)時(shí)間地對(duì)同一對(duì)

象進(jìn)行觀察,智能視覺系統(tǒng)則可以長(zhǎng)時(shí)間