機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

高娟娟 渠中豪 宋亞青

摘? 要：機(jī)器視覺(jué)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，它在人工智能的發(fā)展歷程中扮演著越來(lái)越重要的地位。從上世紀(jì)中葉開(kāi)始就有了對(duì)機(jī)器視覺(jué)的研究，一直發(fā)展到今天，機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)在各行各業(yè)得到了應(yīng)用，并且在未來(lái)幾年內(nèi)會(huì)向更加智能、更加人性化的方向發(fā)展，為人類社會(huì)的發(fā)展提供更大的便利。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué);人工智能;智能化;人性化;技術(shù)應(yīng)用? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?中圖分類號(hào)：TP391.41? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-0134（2020）07-021-02? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.19483/j.cnki.11-4653/n.2020.07.001

本文著錄格式：高娟娟，渠中豪，宋亞青.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)傳媒科技，2020（7）：21-22.

導(dǎo)語(yǔ)

在人工智能高速發(fā)展的今天，越來(lái)越多的場(chǎng)景需要機(jī)器來(lái)識(shí)別，機(jī)器視覺(jué)也成為人工智能的一個(gè)重要分支。機(jī)器視覺(jué)是一種復(fù)雜的技術(shù)，它將圖像處理、機(jī)械、光學(xué)、傳感器、虛擬、計(jì)算機(jī)軟硬件等多個(gè)專業(yè)技術(shù)融合到一起發(fā)展成為一項(xiàng)綜合的技術(shù)。目前機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到果蔬采摘、零件檢測(cè)、藥品檢測(cè)、航天高溫風(fēng)洞系統(tǒng)、天氣預(yù)測(cè)、偵查追蹤、智能交通、安防監(jiān)控等各個(gè)行業(yè)，已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展不可或缺的一項(xiàng)重要技術(shù)。

1.機(jī)器視覺(jué)在國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1國(guó)外研究現(xiàn)狀及技術(shù)應(yīng)用

1.1.1國(guó)外機(jī)器視覺(jué)研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)60年代，Roberts將視覺(jué)環(huán)境限制于對(duì)物體形狀及空間位置關(guān)系描述的“積木世界”，而正式的視覺(jué)系統(tǒng)出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代。到了上世紀(jì)80年代，David Marr教授視覺(jué)理論的出現(xiàn)促進(jìn)了有關(guān)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)新理論、新方法的研究，進(jìn)而推動(dòng)了新興工業(yè)的發(fā)展。進(jìn)入上世紀(jì)90年代，隨著CCD電荷耦合元件、COMS圖像傳感器以及數(shù)字接口技術(shù)的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了小型化、輕量化和低功耗的工業(yè)視覺(jué)設(shè)備，帶動(dòng)了整個(gè)智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。[1]

1.1.2國(guó)外的技術(shù)應(yīng)用情況

作為人工智能重要的一部分技術(shù)，機(jī)器視覺(jué)將是促進(jìn)社會(huì)各行業(yè)進(jìn)入智能時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)，因此它也被稱為“工業(yè)之眼”。早在1960年就有人提出“機(jī)器視覺(jué)”的概念，一直發(fā)展到今天，很多國(guó)家已經(jīng)將這項(xiàng)技術(shù)熟練的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中。全世界機(jī)器視覺(jué)專利的分布主要集中在美國(guó)、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家，其中歐美在這一領(lǐng)域的研究及應(yīng)用在全世界遙遙領(lǐng)先于其他地區(qū)的國(guó)家。行業(yè)內(nèi)知名的從事機(jī)器視覺(jué)的企業(yè)主要包括康耐視、基恩士、EuclidLabs公司等。

英國(guó)的羅孚汽車公司將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)成功應(yīng)用于車身輪廓尺寸檢測(cè)，該項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)度達(dá)到了100%。該系統(tǒng)擁有多個(gè)測(cè)量單元來(lái)檢測(cè)車身外殼的數(shù)百個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，即使在斷網(wǎng)的情況下也可以進(jìn)行檢測(cè)，并且在幾十秒內(nèi)就可以檢測(cè)完畢。

結(jié)構(gòu)光方案先驅(qū)PrimeSense的三維結(jié)構(gòu)光方案曾應(yīng)用于微軟Kinect一代，而Kinect系列是發(fā)展較早且最具代表性的主打三維視覺(jué)的體感游戲設(shè)備。PrimeSense的三維視覺(jué)模組被蘋(píng)果公司縮小后應(yīng)用在面部識(shí)別上，利用環(huán)境光傳感器、距離感應(yīng)器等多種配置搭建成了三維臉部模型，并且通過(guò)算法來(lái)識(shí)別面部微小的變化，包括戴帽子、眼鏡、長(zhǎng)胡子等，都可以準(zhǔn)確識(shí)別并解鎖，使三維視覺(jué)的識(shí)別更加智能化。

意大利EuclidLabs公司開(kāi)發(fā)的機(jī)器人三維視覺(jué)系統(tǒng)和離線編程系統(tǒng)中的三維視覺(jué)系統(tǒng)主要用于上下料的機(jī)器人隨機(jī)抓取、折彎鈑金定位、碼垛拆垛、三維位置識(shí)別和檢測(cè)等，具有智能化、精度高、調(diào)試方便等特點(diǎn)，在國(guó)際處于領(lǐng)先水平;日本基恩士公司研發(fā)的AI+圖像傳感器可自動(dòng)設(shè)定并有意識(shí)的應(yīng)對(duì)光線變化，在齒輪齒數(shù)、金屬部件加工是否合格、瓶蓋是否鎖緊、識(shí)別標(biāo)簽品種等都實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定檢測(cè)。美國(guó)康耐視公司開(kāi)發(fā)出了一種名為康耐視DataMan 7500的產(chǎn)品，利用該產(chǎn)品醫(yī)院可以先設(shè)置外殼器械包工具清單，然后正確的在外殼器械包內(nèi)加載相應(yīng)的器械。通過(guò)電化的方式，在每件器械中都采用了一個(gè)2D Data Matrix條形碼。在器械包組裝的時(shí)候，通過(guò)對(duì)此條形碼掃描可以確保組裝的準(zhǔn)確性，并且通過(guò)該條形碼還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器械的位置追蹤。DataMan7500是可移動(dòng)的，可以一次性在多種器械上方移動(dòng)該設(shè)備，非常省時(shí)，并且器械的掃描準(zhǔn)確度達(dá)到100%。

1.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀及技術(shù)應(yīng)用

1.2.1國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)研究現(xiàn)狀

目前在國(guó)內(nèi)，機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展仍處于成長(zhǎng)期。金光、楊培義研究出基于機(jī)器視覺(jué)的HXD型機(jī)車受電弓滑板缺陷檢測(cè)方法，該方法對(duì)HXD型機(jī)車受電弓滑板缺陷檢測(cè)是建立在對(duì)缺陷圖像的特征分析基礎(chǔ)上，利用自適應(yīng)的圖像分析技術(shù)，對(duì)HXD型機(jī)車受電弓滑板缺陷進(jìn)行定位，采用機(jī)器視覺(jué)分析方法，進(jìn)行HXD型機(jī)車受電弓滑板缺陷成像，結(jié)合紅外成像和超聲成像方法，進(jìn)行HXD型機(jī)車受電弓滑板缺陷的視覺(jué)圖像分析，檢測(cè)效果良好。[2]白克設(shè)計(jì)出一種基于PLC和機(jī)器視覺(jué)的采摘機(jī)器人智能控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的自動(dòng)采摘，大大提高農(nóng)民種植效益。[3]朱書(shū)德等人提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的膠囊缺陷檢測(cè)裝置，通過(guò)供料排序裝置、傳送觸發(fā)裝置、光源供給裝置、圖像采集裝置可以實(shí)現(xiàn)膠囊表面360度全面采集，并將采集的圖像傳送給計(jì)算機(jī)圖像處理單元分析得出結(jié)果，通過(guò)串口控制踢廢機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不合格膠囊的分揀，提高了設(shè)備的處理能力。[4]

1.2.2國(guó)內(nèi)技術(shù)應(yīng)用情況

機(jī)器視覺(jué)在我國(guó)的起步相對(duì)比較晚，在工業(yè)領(lǐng)域被真正的廣泛應(yīng)用也就十幾年的時(shí)間?，F(xiàn)在行業(yè)處于快速發(fā)展期，發(fā)展空間很大。具體體現(xiàn)為行業(yè)的市場(chǎng)容量增長(zhǎng)快、應(yīng)用鄰域也在擴(kuò)大、從業(yè)的企業(yè)數(shù)量也不斷增多。機(jī)器視覺(jué)自主創(chuàng)新能力也在逐漸提高，在2010年機(jī)器視覺(jué)技術(shù)水平到了快速發(fā)展階段，在全球技術(shù)發(fā)展中，成為最活躍的地區(qū)之一。2017年，有1004項(xiàng)專利是機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域。

深圳辰視智能科技有限公司在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、視覺(jué)檢測(cè)、三維建模等方面有深入的研究，基于這些技術(shù)開(kāi)發(fā)出二維、三維等引導(dǎo)和檢測(cè)系統(tǒng)。這些智能化的產(chǎn)品以低成本、高效率、模組化的方式為相關(guān)廠商提供了解決方案。

?？低曆邪l(fā)的星光級(jí)全景網(wǎng)絡(luò)高清智能球機(jī)，它的全景畫(huà)面由8個(gè)傳感器拼接而成，可實(shí)現(xiàn)360度的全景監(jiān)控;鏡頭內(nèi)建、可自動(dòng)對(duì)焦機(jī)芯，并且將云臺(tái)、護(hù)罩、解碼器整合的設(shè)計(jì)，用戶可以在全景實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)迅速對(duì)某一點(diǎn)進(jìn)行定位放大。另外全景球機(jī)還運(yùn)用了前沿的分析和跟蹤技術(shù)，對(duì)非法入侵或可疑行為發(fā)出警報(bào)或者自動(dòng)跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)了更智能、更安全的安保作用。

商湯科技在視覺(jué)感知、人工智能算法方面有較深的研究和應(yīng)用，該公司的SenseDrive高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)就是基于以上技術(shù)開(kāi)發(fā)，在汽車行駛過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)各種預(yù)警功能，給駕駛員提示和輔助決策，進(jìn)而提高車內(nèi)人員的安全系數(shù)。

從國(guó)內(nèi)外機(jī)器視覺(jué)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況來(lái)看，機(jī)器視覺(jué)發(fā)展早期，主要集中在歐美和日本;直到21世紀(jì)初期，中國(guó)經(jīng)濟(jì)開(kāi)始騰飛，世界的制造業(yè)慢慢轉(zhuǎn)移到中國(guó)，機(jī)器視覺(jué)也隨之在中國(guó)發(fā)展起來(lái)，并且成為全球重要的目標(biāo)市場(chǎng)。? ? ?工業(yè)是目前機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用占比最大的領(lǐng)域，在工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)下游應(yīng)用中，又以消費(fèi)電子制造和汽車制造為主，其次是制藥、食品與包裝、印刷等。

2.發(fā)展趨勢(shì)

從2000年開(kāi)始，科學(xué)技術(shù)呈爆發(fā)式發(fā)展，對(duì)于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的研究涌現(xiàn)出大量的理論及實(shí)踐方法，使得該項(xiàng)技術(shù)越發(fā)成熟，成為人工智能不可或缺的重要支撐，并且處在一個(gè)更新?lián)Q代的階段，機(jī)器視覺(jué)未來(lái)幾年的發(fā)展方向如下：

第一是機(jī)器視覺(jué)將真實(shí)環(huán)境的特點(diǎn)與生物感知機(jī)理融合起來(lái)，真實(shí)環(huán)境具有開(kāi)放性與復(fù)雜性、三維、動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，而生物感知機(jī)理是基于學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)的柔性、經(jīng)過(guò)層次化處理、時(shí)序的增量處理，從這樣的角度看，把機(jī)器視覺(jué)同生物感知機(jī)理融合起來(lái)就會(huì)更接近“視覺(jué)”這個(gè)詞的意義。第二是機(jī)器視覺(jué)發(fā)展為主動(dòng)視覺(jué)，就是在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中加入了反饋機(jī)制，這樣是系統(tǒng)具有選擇的可能性。該技術(shù)之所以能從視覺(jué)、感知、消耗選擇一個(gè)最優(yōu)的平衡點(diǎn)正是因?yàn)樗邆涞闹鲃?dòng)選擇機(jī)制，能夠在新環(huán)境中主動(dòng)探索，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)整體智能的提升，更接近人工智能的發(fā)展方向。第三是三維視覺(jué)的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)將現(xiàn)實(shí)信息重構(gòu)，提供給虛擬現(xiàn)實(shí)，這個(gè)是三維重建，三維虛擬現(xiàn)實(shí)可以通過(guò)掃描周圍真實(shí)環(huán)境，將真實(shí)事物的三維數(shù)據(jù)收集起來(lái)，按比例建出虛擬的模型，為將來(lái)人工實(shí)施起來(lái)比較困難的工作提供便利。

結(jié)語(yǔ)

機(jī)器視覺(jué)這項(xiàng)技術(shù)的誕生，可以使機(jī)器像生物的眼睛一樣去識(shí)別、測(cè)控、判別事物，使機(jī)器更加智能化、工作效率更高。隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用的越來(lái)越廣，且技術(shù)更加成熟和完善，不僅僅在工業(yè)領(lǐng)域，還包括下游應(yīng)用例如游戲娛樂(lè)等行業(yè)都有了廣泛應(yīng)用。該項(xiàng)技術(shù)的主要特點(diǎn)是信息量大、速度快、功能多，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，一方面機(jī)器視覺(jué)技術(shù)將逐漸被大眾接受，配備機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)備價(jià)格將會(huì)越來(lái)越低，而功能會(huì)越來(lái)越多，并且允許具有更多數(shù)據(jù)的更大圖像以更快的速度進(jìn)行傳輸和處理;另一方面機(jī)器視覺(jué)設(shè)備將會(huì)向產(chǎn)品小型化方面發(fā)展，讓這項(xiàng)技術(shù)能在更小的空間內(nèi)裝更多的部件?？梢灶A(yù)計(jì)的是，機(jī)器視覺(jué)將在現(xiàn)代和未來(lái)應(yīng)用到人類社會(huì)發(fā)展的方方面面。

[1]王成軍，嚴(yán)晨.機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在分揀系統(tǒng)中的應(yīng)用研究綜述[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2020（05）：32-37.

[2]金光，楊培義.基于機(jī)器視覺(jué)的HXD型機(jī)車受電弓滑板缺陷的檢測(cè)研究[J].菏澤學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，42（02）：28-33.

[3]白克.基于PLC和機(jī)器視覺(jué)的采摘機(jī)器人智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2021，43（02）：212-216.

[4]朱書(shū)德，李少波，王錚，楊靜，董豪，段仲靜，王軍.基于機(jī)器視覺(jué)的膠囊缺陷檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，37（03）：42-48.

作者簡(jiǎn)介：高娟娟（1990-），女，河北張家口人，研究生，助教，研究方向：前端開(kāi)發(fā)與人工智能;渠中豪（1990-），男，河北邢臺(tái)人，研究生，助教，研究方向：人工智能;宋亞青（1991-），女，河北邢臺(tái)人，研究生，助教，研究方向：軟件開(kāi)發(fā)與測(cè)試研究。