機器視覺技術(shù)是計算機學(xué)科的一個重要分支，它綜合了光學(xué)、機械、電子、計算機軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計算機、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機電一體化等多個領(lǐng)域。自起步發(fā)展至今，已經(jīng)有20多年的歷史，其功能以及應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中特別是目前的數(shù)字圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識別等技術(shù)的快速發(fā)展，大大地推動了機器視覺的發(fā)展。

簡而言之，機器視覺就是利用機器代替人眼來作各種測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種)將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號;圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

在生產(chǎn)線上，人來做此類測量和判斷會因疲勞、個人之間的差異等產(chǎn)生誤差和錯誤，但是機器卻會不知疲倦地、穩(wěn)定地進行下去。一般來說，機器視覺系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對于每一個應(yīng)用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機、檢測目標的尺寸還是檢測目標有無缺陷、視場需要多大、分辨率需要多高、對比度需要多大等。從功能上來看，典型的機器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。

機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺;同時在大批量工業(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，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。正是由于機器視覺系統(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)過程中，人們將機器視覺系統(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。

機器視覺系統(tǒng)*部件

一個典型的工業(yè)機器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭、 相機(包括CCD 相機和COMS相機)、圖像處理單元(或圖像捕獲卡)、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊 / 輸入輸出單元等。

機器視覺系統(tǒng)*系統(tǒng)構(gòu)成

機器視覺技術(shù)用計算機來分析一個圖像，并根據(jù)分析得出結(jié)論?，F(xiàn)今機器視覺有兩種應(yīng)用。機器視覺系統(tǒng)可以探測部件，在此光學(xué)器件允許處理器更精確的觀察目標并對哪些部件可以通過哪些需要廢棄做出有效的決定;機器視覺也可以用來創(chuàng)造一個部件，即運用復(fù)雜光學(xué)器件和軟件相結(jié)合直接指導(dǎo)制造過程。

盡管機器視覺應(yīng)用各異，但都包括以下幾個過程;

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算機存儲器。

圖像處理：處理器運用不同的算法來提高對結(jié)論有重要影響的圖像要素。

特性提?。禾幚砥髯R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)論機器視覺系統(tǒng)方案。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)或者一個自動機器如何必須移動去拾取某一部件.

光源：光源和影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設(shè)備，所以針對每個特定的應(yīng)用實例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達到最佳效果。許多工業(yè)用的機器視覺系統(tǒng)用可見光作為光源，這主要是因為可見光容易獲得，價格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的一個最大缺點是光能不能保持穩(wěn)定。以日光燈為例，在使用的第一個100小時內(nèi)，光能將下降15%，隨著使用時間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實用化過程中急需要解決的問題。另一個方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護屏的方法,減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問題，在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對于某些要求高的檢測任務(wù)，采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。

機器視覺系統(tǒng)*原理

機器視覺系統(tǒng)的目的就是給機器或自動生產(chǎn)線添加一套視覺系統(tǒng)，其原理是由計算機或圖像處理器以及相關(guān)設(shè)備來模擬人的視覺行為，完成得到人的視覺系統(tǒng)所得到的信息。人的視覺系統(tǒng)是由眼球、神經(jīng)系統(tǒng)及大腦的視覺中樞構(gòu)成，計算機視覺系統(tǒng)則是由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及信息綜合分析處理系統(tǒng)構(gòu)成。

機器視覺需要用到1、圖像處理技術(shù)，2、彩色圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)，3、圖像分割技術(shù)，4、模式識別技術(shù)，5、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法，6、專家系統(tǒng)及人工智能技術(shù)，7、視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，8、小波分析技術(shù)，9、分形學(xué)方法等技術(shù)方法。
 

機器視覺系統(tǒng)*工作過程

1、工件定位檢測器探測到物體已經(jīng)運動至接近攝像系統(tǒng)的視野中心，向圖像采集部分發(fā)送觸發(fā)脈沖。

2、圖像采集部分按照事先設(shè)定的程序和延時，分別向攝像機和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動脈沖。

3、攝像機停止目前的掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機在啟動脈沖來到之前處于等待狀態(tài)，啟動脈沖到來后啟動一幀掃描。

4、攝像機開始新的一幀掃描之前打開曝光機構(gòu)，曝光時間可以事先設(shè)定。

5、另一個啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時間應(yīng)該與攝像機的曝光時間匹配。

6、攝像機曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出。

7、圖像采集部分接收模擬視頻信號通過A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。

8、圖像采集部分將數(shù)字圖像存放在處理器或計算機的內(nèi)存中。

9、處理器對圖像進行處理、分析、識別，獲得測量結(jié)果或邏輯控制值。

10、處理結(jié)果控制流水線的動作、進行定位、糾正運動的誤差等。

從上述的工作流程可以看出，機器視覺是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因為大多數(shù)系統(tǒng)監(jiān)控對象都是運動物體，系統(tǒng)與運動物體的匹配和協(xié)調(diào)動作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動作時間和處理速度帶來了嚴格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機器人、飛行物體導(dǎo)制等，對整個系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會有嚴格的要求。
 

機器視覺系統(tǒng)*優(yōu)點

1、非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

2、具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴展了人眼的視覺范圍。

3、長時間穩(wěn)定工作，人類難以長時間對同一對象進行觀察，而機器視覺則可以長時間地作測量、分析和識別任務(wù)。

機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂等等行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，可以說已經(jīng)深入到我們的生活、生產(chǎn)和工作的方方面面。

機器視覺技術(shù)的具體應(yīng)用案例：

1、手機接口電路板機器視覺自動檢測系統(tǒng)

該系統(tǒng)由光源、鏡頭、攝像頭、圖像采集卡、精密XY運動平臺、計算機和專門開發(fā)的應(yīng)用軟件組成，用于檢測手機接口電路板質(zhì)量，其中包括檢測每個接口電路板中的三個器件的位置和尺寸等參數(shù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了大批量電路板組件質(zhì)量的快速準確檢驗。

被檢測的大電路板上包含有30 個接口電路板，為了保證測量精度，每次檢測只針對一個接口電路板。因此，必須通過XY運動平臺移動電路板。電路板檢測完后才進行分割，并淘汰不合格產(chǎn)品。

系統(tǒng)采用美國NI公司先進的機器視覺技術(shù)，還有數(shù)據(jù)記錄和分析的功能。該系統(tǒng)具有測量準確、快速、擴展性強和性價比高等特點。該技術(shù)可適用于其他小型的電子和機械零部件的幾何尺寸測量。

2、生物醫(yī)學(xué)微粒檢測與分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要任務(wù)是利用機器視覺技術(shù)實現(xiàn)粒子的檢測和分析。是用于微小(幾十至幾百納米直徑)顆粒的動態(tài)檢測，主要任務(wù)是測量單位時間內(nèi)流經(jīng)小管內(nèi)的微粒的數(shù)量和每個粒子的粒徑，并對顆粒大小分布狀態(tài)進行分析。

系統(tǒng)配置了激光光源、顯微鏡頭與高分辨率數(shù)字攝像頭。此外還配置了電動輸液器，用來驅(qū)動載有微小粒子的液體的流動。

3、機器視覺定位激光切割機

在激光切割機工作過程中，由于加工對象通常無法準確放置在特定的位置上，因此必須先做加工對象的定位工作。該設(shè)備采用機器視覺技術(shù)解決精確定位問題，其主要技術(shù)特點是采用兩級定位的方式，設(shè)備頂部安裝了一臺相機，視場比較大，用于粗定位;而在激光頭旁邊有安裝有另一臺相機，視場小，用于精確定位。為準確加工奠定基礎(chǔ)。

4、在商業(yè)上的應(yīng)用：自動巡視商店或其他重要場所門廊，自動跟蹤可疑的人并及時報警。

5、在遙感方面：自動制圖，衛(wèi)星圖像與地形圖對準，自動測繪地圖;國土資源管理，如森林、水面、土壤的管理等，還可以對環(huán)境、火警自動檢測。

6、醫(yī)學(xué)方面：對染色體切片，癌細胞切片，X攝線圖像、超聲波圖像的自動檢查，進而自動診斷等。

7、軍事方面：自動巡視軍事目標，自動發(fā)現(xiàn)、跟蹤運動目標，自動巡航目標和確定距離。

8、殘疾人引路：如為盲人帶路的“帶路機器狗”。
 

機器視覺系統(tǒng)*發(fā)展趨勢

(1)技術(shù)方面的趨勢是數(shù)字化、實時化、智能化

圖像采集與傳輸?shù)臄?shù)字化是機器視覺在技術(shù)方面發(fā)展的必然趨勢。更多的數(shù)字攝像機，更寬的圖像數(shù)據(jù)傳輸帶寬，更高的圖像處理速度，以及更先進的圖像處理算法將會推出，將會得到更廣泛的應(yīng)用。這樣的技術(shù)發(fā)展趨勢將使機器視覺系統(tǒng)向著實時性更好和智能程度更高的方向不斷發(fā)展。

(2)基于嵌入式的產(chǎn)品將取代板卡式產(chǎn)品

從產(chǎn)品本身看，機器視覺會越來越趨于依靠PC技術(shù)。且基于嵌入式的產(chǎn)品將逐漸取代板卡式產(chǎn)品，這是一個不斷增長的趨勢。主要原因是隨著計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，尤其是其具備低功耗技術(shù)的特點得到人們的重視。另外，嵌入式操作系統(tǒng)絕大部分是以C語言為基礎(chǔ)的，使用高級語言的優(yōu)點是可以提高工作效率，縮短開發(fā)周期，更主要的是開發(fā)出的產(chǎn)品可靠性高、可維護性好、便于不斷完善和升級換代等。

(3)價格持續(xù)下降，市場份額迅速擴大

目前，在我國機器視覺技術(shù)還不太成熟，主要靠進口國外整套系統(tǒng)，價格比較昂貴。隨著技術(shù)的進步和市場競爭的激烈，價格下降已成必然趨勢，這意味著機器視覺技術(shù)將逐漸被接受。另外，機器視覺市場將不斷增大。一方面已經(jīng)采用機器視覺產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，對機器視覺產(chǎn)品的的依賴性將更強;另一方面機器視覺產(chǎn)品將應(yīng)用到其他更廣的領(lǐng)域。