機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)的現(xiàn)狀及應(yīng)用展望

熊勇

中科微至智能制造科技江蘇股份有限公司，中國·江蘇 無錫 214000

機(jī)器視覺技術(shù)是一項較為綜合的技術(shù)，其中包含了數(shù)字圖像的處理技術(shù)、機(jī)械控制技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、機(jī)械工程技術(shù)、傳感器技術(shù)、光源照明技術(shù)、計算機(jī)軟件硬件技術(shù)、模擬與數(shù)字的視頻技術(shù)以及人機(jī)接口技術(shù)等。機(jī)器視覺技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)技術(shù)的實用性，對于工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境能夠適應(yīng)，并且具有較為合理的性價比。使用中能通過工業(yè)通用的接口來進(jìn)行安全運行并且具有較高的容錯力，通用性較高還可以移植。因此，對速度以及精度方面要求較高，具有較高的實時性。論文重點討論了機(jī)器視覺現(xiàn)有的關(guān)鍵技術(shù)以及具體的應(yīng)用方向。

機(jī)器視覺；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用展望

1 引言

機(jī)器視覺技術(shù)的主要運行模式是通過計算機(jī)來模擬人類的視覺功能，從而提取圖像或者圖形方面的信息，進(jìn)行理解和處理最后應(yīng)用在實際的測量與檢測方面，是較為典型的工業(yè)機(jī)器技術(shù)[1]。應(yīng)用系統(tǒng)方面包含了光學(xué)、圖像、智能判斷（圖像算法）以及機(jī)械執(zhí)行等模塊。

2 機(jī)器視覺的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光源方面

機(jī)器視覺的應(yīng)用系統(tǒng)中，光源與照明方案對系統(tǒng)的整體工作效果有著至關(guān)重要的作用。并非簡單意義的照明，而是能夠配合突出物體的特征量，保證物體需要檢測的部分與不需要檢測的部分盡可能地區(qū)分開來，增加物體的對比度。同時，還能夠保障有足夠的光照亮整個物體。在物體的位置發(fā)生變化的時候并不影響成像的整體質(zhì)量。機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)用中通常會使用反射光以及透射光[2]。反射光的應(yīng)用是要充分考慮到光學(xué)鏡頭的位置以及光源的方向，也要考慮到物體的形狀、背景以及表面紋理等要素。光源需要符合的條件為照明亮度、照明均勻度、幾何形狀以及光譜特性等。在方案的設(shè)計過程中要重視光源的發(fā)光效率以及光源的使用壽命[3]。

2.2 光學(xué)鏡頭方面

光學(xué)鏡頭可以理解為人眼中的晶狀體，在系統(tǒng)中占有非常重要的位置，能夠直接決定鏡頭的成像質(zhì)量以及像差校正，也可以通過像差的大小來進(jìn)行衡量。最常見的像差有色差、彗差、球差、像散、畸變以及場曲六種情況。對于定焦鏡頭以及變焦鏡頭來說，像差也存在著一定的差距。變焦鏡頭為了使各種不同焦距所產(chǎn)生的成像質(zhì)量都保障質(zhì)量就需要使用機(jī)器視覺系統(tǒng)。根據(jù)被測量的目標(biāo)狀態(tài)選擇更加適合的定焦鏡頭，通過整體的視場大小、焦距、光圈大小以及視角大小等因素來考慮圖像的放大倍率。

2.3 工業(yè)相機(jī)以及圖像采集卡方面

工業(yè)相機(jī)和圖像采集卡能夠通過合作來完成對圖像的采集并且將其數(shù)字化。圖像信息的質(zhì)量能夠決定了系統(tǒng)的判斷與決策是否正確。目前，中國在機(jī)器視覺系統(tǒng)方面采用的工業(yè)相機(jī)通常體積較小，性能與清晰度都較高。工業(yè)相機(jī)也可以分為線陣工業(yè)相機(jī)和面陣工業(yè)相機(jī)兩種，線陣工業(yè)相機(jī)每次獲得圖像信息只有一行，被拍攝的物體必須是處于直線移動狀態(tài)才行且需要根據(jù)運動速度匹配行頻才能獲取到一幅正常的圖片。面陣工業(yè)相機(jī)則可以一次獲得整張圖像的信息，更加便利。

2.4 圖像信號處理卡方面

機(jī)器視覺系統(tǒng)技術(shù)的核心在于對圖像信號的處理。這項技術(shù)等同于人類大腦的工作模式，對圖像的處理和運算都可以通過這項技術(shù)來體現(xiàn)。同時這也是機(jī)器視覺系統(tǒng)在開發(fā)過程中最難的一點。計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)加大了集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，有效地提升了圖像處理的工作。利用專用的圖像信號處理卡就能夠完成較為復(fù)雜的圖像信號處理。需要注意的是，在進(jìn)行物料圖像連續(xù)處理的時候要注意處理時間小于兩幀圖像采集的間隔時間才能夠保證連續(xù)地對圖像進(jìn)行采集處理。

2.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面

對于整個系統(tǒng)來說，執(zhí)行機(jī)構(gòu)才能夠決定系統(tǒng)功能最終的實現(xiàn)效果。執(zhí)行機(jī)構(gòu)也是系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，針對不同的場合，執(zhí)行機(jī)構(gòu)也有所不同。但無論在什么位置上，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能都要求快速穩(wěn)定，因此在進(jìn)行設(shè)計的時候要額外的注意。

2.6 集成式機(jī)器視覺組件方面

近幾年，中國在機(jī)器視覺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面發(fā)展迅速，就功能而言可分為普通工業(yè)相機(jī)和智能工業(yè)相機(jī)。普通工業(yè)相機(jī)功能是將采集的圖像光電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)的通信接口發(fā)送給PC 機(jī)或圖像處理板卡進(jìn)行特殊的圖像算法，常用的通信接口有以太網(wǎng)接口，USB接口及cameralink 接口等。智能工業(yè)相機(jī)是將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，通俗來說就是將一臺普通的工業(yè)相機(jī)和一套圖像處理板卡組合在一起形成的一套完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)[4]。

3 機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

3.1 尺寸的測量

機(jī)器視覺在工藝方面可以對外形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的大型構(gòu)件進(jìn)行尺寸的測量。極大地降低了傳統(tǒng)測量方式的難度，節(jié)省了人力物力的同時提升了測量工作的效率和精準(zhǔn)度。同時，也避免了物體立體特征難以匹配的情況，在工業(yè)方面的檢測中被廣泛應(yīng)用。

3.2 物體的定位

機(jī)器視覺技術(shù)可以應(yīng)用在設(shè)備制造的焊接以及搬運中，只要輸入控制程序就能夠讓工業(yè)機(jī)器人按照程序來完成操作工序。機(jī)器人在進(jìn)行工作的過程中并非位置不變，而是通過機(jī)器視覺技術(shù)對物體進(jìn)行定位，精準(zhǔn)地找到零件的實際位置，進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取來保障各項的操作工作有序進(jìn)行[5]。

3.3 零件的檢測

在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，機(jī)器視覺技術(shù)能夠保障零件的質(zhì)量符合合格的標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)器視覺技術(shù)對零件的檢測主要包含缺陷測試和存在性測試，主要針對某一個圖案或者某個部件來進(jìn)行檢測，進(jìn)一步保障加工步驟的完整性。同時，在二維平面上進(jìn)行元素檢測，類似孔洞、劃痕、裂紋以及污漬和暗點等都在檢測范圍內(nèi)[6]。

3.4 圖像識別以及處理

機(jī)器視覺技術(shù)在圖像的識別和處理方面擁有分析和理解的功能，可以命令機(jī)器人準(zhǔn)確地識別出目標(biāo)模型，進(jìn)而保障加工制造的正常運行。在工作的過程中，通過條形碼和二維碼的識別完成讀取的過程，同時也能夠處理大量的信息提升工作效率[7]。

3.5 工業(yè)的檢測

機(jī)器視覺技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的檢測能夠大幅度提升生產(chǎn)速度和產(chǎn)品質(zhì)量。其中包含產(chǎn)品包裝、容器質(zhì)量、印刷質(zhì)量、塑料瓶封口檢測、半導(dǎo)體的集成塊狀封裝質(zhì)量、關(guān)鍵機(jī)械零件的檢測等。目前，這項技術(shù)在海關(guān)的應(yīng)用較為廣泛，與X射線同樣能夠達(dá)到不開箱驗貨的目的，提高了通關(guān)的速度，節(jié)約了人力物力。同時，在制藥方面也能對藥品的包裝進(jìn)行檢測，確定藥品的數(shù)量是否達(dá)標(biāo)。

3.6 農(nóng)產(chǎn)品分選方面

中國作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量眾多，對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行檢測能夠保障國民生活質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)器視覺技術(shù)能夠根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的顏色、大小以及性狀等特征來對品質(zhì)進(jìn)行等級分類，將外部損壞或者混入雜質(zhì)的糧食進(jìn)行檢測并且摘除。隨著農(nóng)業(yè)工廠化的快速發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)可以對農(nóng)作物的生長情況進(jìn)行實時監(jiān)控，實現(xiàn)科學(xué)栽培的目的。

3.7 醫(yī)學(xué)方面

近幾年，機(jī)器視覺技術(shù)被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過輔助醫(yī)生進(jìn)行醫(yī)學(xué)影像的處理和分析而達(dá)到醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和整合。利用數(shù)字圖像的邊緣提取以及圖像分割技術(shù)來對細(xì)胞的個數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的計數(shù)與統(tǒng)計，這是人力所無法達(dá)到的，精準(zhǔn)度也遠(yuǎn)超人類。將機(jī)器視覺技術(shù)投入到醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中不僅減少了人為的誤差，還能節(jié)省人力物力，提高工作的準(zhǔn)確率以及效率。

4 結(jié)語

機(jī)器視覺技術(shù)的廣泛應(yīng)用極大范圍地創(chuàng)造了更加精準(zhǔn)和便捷的勞動力，有效地提高了生產(chǎn)自動化的水平，改善了國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的生活現(xiàn)狀。這項技術(shù)在中國目前還處于初級階段，仍然需要廣大的科技工作者對其進(jìn)行學(xué)習(xí)和開發(fā)。因此，需要我們迅速地提高中國對此項技術(shù)的掌握，并且將其發(fā)展和應(yīng)用在更為廣泛的領(lǐng)域，為現(xiàn)代化科學(xué)建設(shè)作出更多的貢獻(xiàn)。