機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指利用機(jī)器替代人眼做出各種測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)是工程領(lǐng)域和科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域，它是一門(mén)涉及光學(xué)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、模式識(shí)別、圖像處理、人工智能、信號(hào)處理以及光電一體化等多個(gè)領(lǐng)域的綜合性學(xué)科，其能以及應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中母子圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機(jī)、DSP、ARM嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，有力地推動(dòng)了機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展。

　　機(jī)器視覺(jué)是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)監(jiān)控對(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)動(dòng)作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動(dòng)作時(shí)間和處理速度帶來(lái)了嚴(yán)格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機(jī)器人、飛行物體導(dǎo)致等，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會(huì)有嚴(yán)格的要求。

　　一個(gè)完整的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括：照明光源、光學(xué)鏡頭、 CCD 攝相機(jī)、圖像采集卡、圖像檢測(cè)軟件、監(jiān)視器、通訊單元等。

　　工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的工作過(guò)程主要如下：

　　1.傳感器探測(cè)到被檢測(cè)物接近運(yùn)動(dòng)至相機(jī)的拍攝中心，將觸發(fā)脈沖發(fā)送給圖像采集卡；

　　2.圖像采集卡根據(jù)已設(shè)定的程序和延時(shí)，分別向相機(jī)和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動(dòng)脈沖；

　　3.相機(jī)在啟動(dòng)脈沖來(lái)到之前處于等待狀態(tài)，啟動(dòng)脈沖到來(lái)后啟動(dòng)一幀掃描；

　　4.相機(jī)開(kāi)始新的一幀掃描之前打開(kāi)曝光機(jī)構(gòu)，曝光時(shí)間可以事先設(shè)定；

　　5.另一個(gè)啟動(dòng)脈沖打開(kāi)燈光照明，燈光的開(kāi)啟時(shí)間應(yīng)與相機(jī)的曝光時(shí)間匹配；

　　6.相機(jī)曝光后，正式開(kāi)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(hào)通過(guò)A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機(jī)數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)；

　　8.圖像采集卡將數(shù)字圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中；

　　9.計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和識(shí)別，獲得檢測(cè)結(jié)果；

　　10.處理結(jié)果控制流水線(xiàn)的動(dòng)作、進(jìn)行定位、糾正運(yùn)動(dòng)的誤差等。

　　二、機(jī)器視覺(jué)相關(guān)技術(shù)

　　1、圖像采集技術(shù)——機(jī)器視覺(jué)的基礎(chǔ)

　　圖像采集部分一般由光源、鏡頭、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和圖像采集卡構(gòu)成。采集過(guò)程可簡(jiǎn)單描述為在光源提供照明的條件下，用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝目標(biāo)物體并將其轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，最后通過(guò)圖像采集卡傳輸給圖像處理部分。在設(shè)計(jì)圖像采集部分時(shí)，要考慮到多方面的問(wèn)題，主要是關(guān)于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、圖像采集卡和光源方面的問(wèn)題。

　?。?）光源照明

　　照明是影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)輸入的重要因素，其直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。到目前為止，還未有哪種機(jī)器視覺(jué)照明設(shè)備能通用各種應(yīng)用，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需針對(duì)應(yīng)用選擇相應(yīng)的照明設(shè)備以滿(mǎn)足特定需求。

　　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，背向照明是指將被測(cè)物放在光源和攝像機(jī)之間，以提高圖像的對(duì)比度。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測(cè)物的同側(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝。結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線(xiàn)光源等投射到被測(cè)物上，并根據(jù)其產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測(cè)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，攝像機(jī)拍攝要求與光源同。

　　（2）光學(xué)攝像頭

　　光學(xué)攝像頭的任務(wù)就是進(jìn)行光學(xué)成像，一般在測(cè)量領(lǐng)域都有專(zhuān)門(mén)的用于測(cè)量的攝像鏡頭，因?yàn)槠鋵?duì)成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用。攝像頭需要注意的一個(gè)問(wèn)題是畸變。這個(gè)就需要使用相應(yīng)的畸變校正方法，目前也開(kāi)發(fā)出了很多自動(dòng)畸變自動(dòng)校正系統(tǒng)。

　?。?）CCD 攝像機(jī)及圖像采集卡

　　CCD( Charge Coupled Device) 攝像機(jī)及圖像采集卡共同完成對(duì)目標(biāo)圖像的采集與數(shù)字化。目前 CCD，CMOS等固體器件的應(yīng)用技術(shù)，線(xiàn)陣圖型敏感器件，像元尺寸不斷減小，陣列像元數(shù)量不斷增加，像元電荷傳輸速率也得到大幅提高。在基于PC機(jī)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照來(lái)完成圖像的采集與數(shù)字化，并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備。

　　圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口為：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等形式。

　　2、圖像處理與分析——機(jī)器視覺(jué)的核心

　　用于機(jī)器視覺(jué)的圖像處理與分析方法的核心是，解決目標(biāo)的檢測(cè)識(shí)別問(wèn)題。當(dāng)所需要識(shí)別的目標(biāo)比較復(fù)雜時(shí)，就需要通過(guò)幾個(gè)環(huán)節(jié)，從不同的側(cè)面綜合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別提取的時(shí)候，首先是要考慮如何自動(dòng)地將目標(biāo)物從背景中分離出來(lái)。目標(biāo)物提取的復(fù)雜性一般就在于目標(biāo)物與非目標(biāo)物的特征差異不是很大，在確定了目標(biāo)提取方案后，就需要對(duì)目標(biāo)特征進(jìn)行增強(qiáng)。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，圖像信息處理工作越來(lái)越多地借助硬件完成，如 DSP 芯片、專(zhuān)用的圖像信號(hào)處理卡等。軟件部分主要用來(lái)完成算法中并不成熟又較復(fù)雜或需不斷完善改進(jìn)的部分。這一方面提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)又降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

　　機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：

　　1.效率更高：人工檢測(cè)效率低下。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)速度要快得多，每分鐘能夠?qū)?shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)元件進(jìn)行檢測(cè)，而且能夠24小時(shí)不間斷持續(xù)工作。

　　2.準(zhǔn)確性更高：人眼有物理?xiàng)l件的限制，也會(huì)受到主觀(guān)性、身體精力等因素的影響，不能保證準(zhǔn)確性。機(jī)器不受主觀(guān)控制，只要參數(shù)設(shè)置沒(méi)有差異，具有相同配置的多臺(tái)機(jī)器就可以保證相同的精度。

　　3.總體成本更低：機(jī)器比人工檢測(cè)更有效，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的成本更低。

　　4.信息集成：機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)可以通過(guò)多站測(cè)量方法一次測(cè)量多個(gè)技術(shù)參數(shù)，例如要檢測(cè)的產(chǎn)品的輪廓，尺寸，外觀(guān)缺陷和產(chǎn)品高度。

　　5.數(shù)字化統(tǒng)計(jì)管理：測(cè)量數(shù)據(jù)并在測(cè)量后生成報(bào)告，而無(wú)需一個(gè)個(gè)地手動(dòng)添加。

　　6.可適用于危險(xiǎn)的檢測(cè)環(huán)境：機(jī)器可以在惡劣、危險(xiǎn)的環(huán)境中，以及在人類(lèi)視覺(jué)難以滿(mǎn)足需求的場(chǎng)合很好地完成檢測(cè)工作。

　　7.不會(huì)對(duì)產(chǎn)品造成接觸損傷：機(jī)器視覺(jué)在檢測(cè)工件的過(guò)程中，不需要接觸工件，不會(huì)對(duì)工件造成接觸損傷。人工檢測(cè)必須對(duì)工件進(jìn)行接觸檢測(cè)，容易產(chǎn)生接觸損傷。

　　8.更客觀(guān)穩(wěn)定：人工檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)結(jié)果會(huì)受到個(gè)人標(biāo)準(zhǔn)、情緒、精力等因素的影響。而機(jī)器嚴(yán)格遵循所設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)結(jié)果更加客觀(guān)、可靠、穩(wěn)定。

　　9.避免二次污染：人工操作有時(shí)會(huì)帶來(lái)不確定污染源，從而污染的工件。

　　10.維護(hù)簡(jiǎn)單：對(duì)操作者的技術(shù)要求低，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　總體來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)對(duì)比人工檢測(cè)具有客觀(guān)性、非接觸性和高精度等特點(diǎn)。特別是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，在重復(fù)和機(jī)械性的工作中具有強(qiáng)大的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)不僅確保了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性而且還提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。


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