熊勇

中科微至智能制造科技江蘇股份有限公司，中國(guó)·江蘇 無(wú)錫 214000

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是一項(xiàng)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(jì)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(jué)技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)技術(shù)的實(shí)用性，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境能夠適應(yīng)，并且具有較為合理的性?xún)r(jià)比。使用中能通過(guò)工業(yè)通用的接口來(lái)進(jìn)行安全運(yùn)行并且具有較高的容錯(cuò)力，通用性較高還可以移植。因此，對(duì)速度以及精度方面要求較高，具有較高的實(shí)時(shí)性。論文重點(diǎn)討論了機(jī)器視覺(jué)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(jué)；關(guān)鍵技術(shù)；應(yīng)用展望

1 引言

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的主要運(yùn)行模式是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人類(lèi)的視覺(jué)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(shí)際的測(cè)量與檢測(cè)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(jué)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 光源方面

機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用系統(tǒng)中，光源與照明方案對(duì)系統(tǒng)的整體工作效果有著至關(guān)重要的作用。并非簡(jiǎn)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(cè)的部分與不需要檢測(cè)的部分盡可能地區(qū)分開(kāi)來(lái)，增加物體的對(duì)比度。同時(shí)，還能夠保障有足夠的光照亮整個(gè)物體。在物體的位置發(fā)生變化的時(shí)候并不影響成像的整體質(zhì)量。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用中通常會(huì)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(jì)過(guò)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(guò)像差的大小來(lái)進(jìn)行衡量。最常見(jiàn)的像差有色差、彗差、球差、像散、畸變以及場(chǎng)曲六種情況。對(duì)于定焦鏡頭以及變焦鏡頭來(lái)說(shuō)，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(jué)系統(tǒng)。根據(jù)被測(cè)量的目標(biāo)狀態(tài)選擇更加適合的定焦鏡頭，通過(guò)整體的視場(chǎng)大小、焦距、光圈大小以及視角大小等因素來(lái)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(guò)合作來(lái)完成對(duì)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(guó)在機(jī)器視覺(jué)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(dòng)狀態(tài)才行且需要根據(jù)運(yùn)動(dòng)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(hào)處理卡方面

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)技術(shù)的核心在于對(duì)圖像信號(hào)的處理。這項(xiàng)技術(shù)等同于人類(lèi)大腦的工作模式，對(duì)圖像的處理和運(yùn)算都可以通過(guò)這項(xiàng)技術(shù)來(lái)體現(xiàn)。同時(shí)這也是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)過(guò)程中最難的一點(diǎn)。計(jì)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(zhuān)用的圖像信號(hào)處理卡就能夠完成較為復(fù)雜的圖像信號(hào)處理。需要注意的是，在進(jìn)行物料圖像連續(xù)處理的時(shí)候要注意處理時(shí)間小于兩幀圖像采集的間隔時(shí)間才能夠保證連續(xù)地對(duì)圖像進(jìn)行采集處理。

2.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)方面

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)才能夠決定系統(tǒng)功能最終的實(shí)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(duì)不同的場(chǎng)合，執(zhí)行機(jī)構(gòu)也有所不同。但無(wú)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(jì)的時(shí)候要額外的注意。

2.6 集成式機(jī)器視覺(jué)組件方面

近幾年，中國(guó)在機(jī)器視覺(jué)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(lái)說(shuō)就是將一臺(tái)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(jué)系統(tǒng)[4]。

3 機(jī)器視覺(jué)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

3.1 尺寸的測(cè)量

機(jī)器視覺(jué)在工藝方面可以對(duì)外形結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的大型構(gòu)件進(jìn)行尺寸的測(cè)量。極大地降低了傳統(tǒng)測(cè)量方式的難度，節(jié)省了人力物力的同時(shí)提升了測(cè)量工作的效率和精準(zhǔn)度。同時(shí)，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(cè)中被廣泛應(yīng)用。

3.2 物體的定位

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以應(yīng)用在設(shè)備制造的焊接以及搬運(yùn)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(lái)完成操作工序。機(jī)器人在進(jìn)行工作的過(guò)程中并非位置不變，而是通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)對(duì)物體進(jìn)行定位，精準(zhǔn)地找到零件的實(shí)際位置，進(jìn)行準(zhǔn)確的抓取來(lái)保障各項(xiàng)的操作工作有序進(jìn)行[5]。

3.3 零件的檢測(cè)

在工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中，機(jī)器視覺(jué)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(jué)技術(shù)對(duì)零件的檢測(cè)主要包含缺陷測(cè)試和存在性測(cè)試，主要針對(duì)某一個(gè)圖案或者某個(gè)部件來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步保障加工步驟的完整性。同時(shí)，在二維平面上進(jìn)行元素檢測(cè)，類(lèi)似孔洞、劃痕、裂紋以及污漬和暗點(diǎn)等都在檢測(cè)范圍內(nèi)[6]。

3.4 圖像識(shí)別以及處理

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在圖像的識(shí)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(shí)別出目標(biāo)模型，進(jìn)而保障加工制造的正常運(yùn)行。在工作的過(guò)程中，通過(guò)條形碼和二維碼的識(shí)別完成讀取的過(guò)程，同時(shí)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(cè)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的檢測(cè)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(cè)、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(cè)等。目前，這項(xiàng)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(kāi)箱驗(yàn)貨的目的，提高了通關(guān)的速度，節(jié)約了人力物力。同時(shí)，在制藥方面也能對(duì)藥品的包裝進(jìn)行檢測(cè)，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(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)產(chǎn)品數(shù)量眾多，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)能夠保障國(guó)民生活質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)效益。機(jī)器視覺(jué)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(lái)對(duì)品質(zhì)進(jìn)行等級(jí)分類(lèi)，將外部損壞或者混入雜質(zhì)的糧食進(jìn)行檢測(cè)并且摘除。隨著農(nóng)業(yè)工廠化的快速發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)可以對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)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(jué)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過(guò)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(jì)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(lái)對(duì)細(xì)胞的個(gè)數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)的計(jì)數(shù)與統(tǒng)計(jì)，這是人力所無(wú)法達(dá)到的，精準(zhǔn)度也遠(yuǎn)超人類(lèi)。將機(jī)器視覺(jué)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(yǔ)

機(jī)器視覺(jué)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(dòng)力，有效地提高了生產(chǎn)自動(dòng)化的水平，改善了國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的生活現(xiàn)狀。這項(xiàng)技術(shù)在中國(guó)目前還處于初級(jí)階段，仍然需要廣大的科技工作者對(duì)其進(jìn)行學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)。因此，需要我們迅速地提高中國(guó)對(duì)此項(xiàng)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)。