一、機(jī)器視覺概念
1.定義機(jī)器視覺是通過光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置。
2.背景
在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢驗(yàn)、生產(chǎn)監(jiān)視及零件識(shí)別應(yīng)用，例如零配件批量加工的尺寸檢查，自動(dòng)裝配的完整性檢查，電子裝配線的元件自動(dòng)定位，IC上的字符識(shí)別等。通常人眼無法連續(xù)、穩(wěn)定地完成這些帶有高度重復(fù)性和智能性的工作，其它物理量傳感器也難有用武之地。由此人們開始考慮利用光電成像系統(tǒng)采集被控目標(biāo)的圖像，而后經(jīng)計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ玫膱D像處理模塊進(jìn)行數(shù)字化處理，根據(jù)圖像的像素分布、亮度和顏色等信息，來進(jìn)行尺寸、形狀、顏色等的判別。這樣，就把計(jì)算機(jī)的快速性、可重復(fù)性，與人眼視覺的高度智能化和抽象能力相結(jié)合，由此產(chǎn)生了機(jī)器視覺的概念。
3.特點(diǎn)
精度高
作為一個(gè)精確的測量儀器，設(shè)計(jì)優(yōu)秀的視覺系統(tǒng)能夠能夠達(dá)到正常人工測量所無法比擬的程度。
非接觸
測量不需要接觸，所以對(duì)脆弱部件沒有磨損和危險(xiǎn)。
連續(xù)性
視覺系統(tǒng)可以使人們免受疲勞之苦。因?yàn)闆]有人工操作者，也就沒有了人為造成的操作變化。多個(gè)系統(tǒng)可以設(shè)定單獨(dú)運(yùn)行。
成本低效率高
機(jī)器視覺系統(tǒng)成本相對(duì)于人工來說可以說非常低。視覺系統(tǒng)的操作和維持費(fèi)用非常低。
靈活性
視覺系統(tǒng)能夠進(jìn)行各種不同的測量。當(dāng)應(yīng)用變化以后，只需軟件做相應(yīng)變化或者升級(jí)以適應(yīng)新的需求即可。機(jī)器視覺系統(tǒng)比光學(xué)或機(jī)器傳感器有更好的可適應(yīng)性。它們使自動(dòng)機(jī)器具有了多樣性、靈活性和可重組性。當(dāng)需要改變生產(chǎn)過程時(shí)，對(duì)機(jī)器視覺來說“工具更換”僅僅是軟件的變換而不是更換昂貴的硬件。當(dāng)生產(chǎn)線重組后，視覺系統(tǒng)往往可以重復(fù)使用。
二、機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成
機(jī)器視覺的構(gòu)成(圖1)
1-相機(jī)、鏡頭；2-光源；3-傳感器；4-圖像采集卡；5-PC；6-圖像處理軟件；7-通訊與控制
技術(shù)發(fā)展路線及技術(shù)結(jié)構(gòu)圖
1.視覺系統(tǒng)主要構(gòu)成光源、光學(xué)系統(tǒng)相機(jī)
圖像處理單元（或圖像采集卡）
圖像分析處理軟件監(jiān)視器
通訊/輸入輸出單元
圖像采集
光學(xué)系統(tǒng)采集圖像，圖像轉(zhuǎn)換成模擬格式并傳入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器。
圖像處理
處理器運(yùn)用不同的算法來提高對(duì)結(jié)論有重要影響的圖像要素。
特性提取
處理器識(shí)別并量化圖像的關(guān)鍵特性，例如印刷電路板上洞的位置或者連接器上引腳的個(gè)數(shù)。然后這些數(shù)據(jù)傳送到控制程序。判決和控制
處理器的控制程序根據(jù)收到的數(shù)據(jù)做出結(jié)論。例如：這些數(shù)據(jù)包括印刷電路板上的洞是否在要求規(guī)格以內(nèi)或者一個(gè)自動(dòng)機(jī)器如何必須移動(dòng)去拾取某一部件。
光源
光源和影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因?yàn)樗苯佑绊戄斎霐?shù)據(jù)的質(zhì)量效果。由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(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)用的機(jī)器視覺系統(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，并且便于操作。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實(shí)用化過程中急需要解決的問題。在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，一般使用的是LED光源，對(duì)于某些要求高的檢測任務(wù)，常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。
由光源構(gòu)成的照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向照明是被測物放在光源和相機(jī)之間，它的優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對(duì)比度的圖像；前向照明是光源和相機(jī)位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝；結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測物的三維信息；頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，要求相機(jī)的掃描速度與光源的頻閃速度同步。
光學(xué)系統(tǒng)
對(duì)于機(jī)器視覺系統(tǒng)來說,圖像是唯一的信息來源，而圖像的質(zhì)量是由光學(xué)系統(tǒng)的恰當(dāng)選擇來決定。通常，由于圖像質(zhì)量差引起的誤差不能用軟件糾正。機(jī)器視覺技術(shù)把光學(xué)部件和成像電子結(jié)合在一起，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來分辨、測量、分類和探測正在通過自動(dòng)處理系統(tǒng)的部件。
光學(xué)系統(tǒng)的主要參數(shù)與圖像傳感器的光敏面的格式有關(guān)，一般包括：光圈、視場、焦距、F數(shù)等。
相機(jī)
相機(jī)是實(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。目前，典型的光電轉(zhuǎn)換器件為真空攝像管、CCD、CMOS圖像傳感器等。
相機(jī)分類：模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)
數(shù)字相機(jī)分類：CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)
CCD類型：面陣相機(jī)、線陣相機(jī)
2.2圖像的處理和分析
在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，相機(jī)的主要功能光敏元所接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓的幅值信號(hào)輸出。若要得到被計(jì)算機(jī)處理與識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，還需對(duì)視頻信息進(jìn)行量化處理。圖像采集卡是進(jìn)行視頻信息量化處理的重要工具。
圖像采集／處理卡
圖像采集卡主要完成對(duì)模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化過程。視頻信號(hào)首先經(jīng)低通濾波器濾波，轉(zhuǎn)換為在時(shí)間上連續(xù)的模擬信號(hào)；按照應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)圖像分辨率的要求，得用視頻信號(hào)在時(shí)間上進(jìn)行間隔采樣，把視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的模擬信號(hào)；然后再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。而圖像采集／處理卡在具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的同時(shí)，還具有對(duì)視頻圖像分析、處理功能，并同時(shí)可對(duì)相機(jī)進(jìn)行有效的控制。
圖像處理軟件
機(jī)器視覺系統(tǒng)中，視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像增強(qiáng)、數(shù)據(jù)編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識(shí)別與理解等內(nèi)容。經(jīng)過這些處理后，輸出圖像的質(zhì)量得到相當(dāng)程度的改善，既改善了圖像的視覺效果，又便于計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分析、處理和識(shí)別。
三、機(jī)器視覺應(yīng)用
機(jī)器視覺系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備精密控制、智能化、自動(dòng)化有有效途徑，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：
（１）實(shí)現(xiàn)非接觸測量。對(duì)觀測與被觀測者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，從而提高了系統(tǒng)的可靠性
（２）具有較寬的光譜響應(yīng)范圍。機(jī)器視覺則可以利用專用的光敏元件，可以觀察到人類無法看到的世界，從而擴(kuò)展了人類的視覺范圍。
（３）長時(shí)間工作。人類難以長時(shí)間地對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行觀察。機(jī)器視覺系統(tǒng)則可以長時(shí)間地執(zhí)行觀測、分析與識(shí)別任務(wù),并可應(yīng)用于惡劣的工作環(huán)境。以下為機(jī)器視覺系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的典型應(yīng)用：
機(jī)器視覺系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的典型應(yīng)用
電子與半導(dǎo)體
芯片的測量與加工
PCB裝配制藥
藥品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測
藥品的形狀、厚度
藥品裝瓶數(shù)量統(tǒng)計(jì)
工業(yè)包裝
外觀完整性檢測
條碼識(shí)別
生產(chǎn)日期、密封性檢測
車制造
零部件外形尺寸檢測
裝配完整性檢測
部件的定位與識(shí)別印刷
錢幣、紡織品印刷質(zhì)量檢測
印刷質(zhì)量檢測
印刷對(duì)位
字符識(shí)別
食品飲料
液位高度檢測
瓶裝飲料外觀檢測
條碼識(shí)別醫(yī)學(xué)應(yīng)用
血液分析
光電內(nèi)診鏡測試
細(xì)胞分析
其他工業(yè)應(yīng)用
量具的校準(zhǔn)
工業(yè)品的尺寸測量
表面質(zhì)量檢測
公司發(fā)展歷程
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