李會玲，趙輝，張風(fēng)剛

（1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808；2.廣東奧普特科技股份有限公司，廣東 東莞 523853）

機(jī)器視覺檢測技術(shù)是圖像處理技術(shù)的重要組成部分。這項技術(shù)是從機(jī)器的角度檢測圖像信息并對具體的圖像信息進(jìn)行加工處理的新型技術(shù)。當(dāng)前，機(jī)器視覺檢測技術(shù)以在線檢測的形式得到重點應(yīng)用，與其他感應(yīng)技術(shù)融合，成為當(dāng)前自動化機(jī)器人研發(fā)的重要組成部分。本文從機(jī)器視覺檢測技術(shù)的概念和設(shè)備構(gòu)成展開分析，以其常見的幾項應(yīng)用展開討論，完善大眾對機(jī)器視覺檢測的認(rèn)知，并從中獲得啟示，為開發(fā)新的應(yīng)用領(lǐng)域和完善機(jī)器視覺檢測功能提供思路。

1 機(jī)器視覺檢測技術(shù)

1.1 機(jī)器視覺檢測的概念

機(jī)器視覺系統(tǒng)是模擬人眼從環(huán)境中讀取信息并傳達(dá)給大腦完善和識別信息的處理過程。不同的是，機(jī)器視覺是利用機(jī)器來代替人眼對信息作出檢測和判斷的。相應(yīng)的，機(jī)器視覺檢測設(shè)備則是利用攝像機(jī)鏡頭獲取需要檢測或識別的目標(biāo)圖像，然后將圖像信號傳達(dá)給系統(tǒng)組合中運(yùn)用相應(yīng)算法提取目標(biāo)特征的圖像信息處理設(shè)備。具體流程如圖1 所示。

圖1 機(jī)器視覺系統(tǒng)工作流程

1.2 機(jī)器視覺檢測設(shè)備的構(gòu)成

機(jī)器視覺檢測設(shè)備的構(gòu)成基于信息獲取和處理的過程。常見的機(jī)器視覺檢測設(shè)備主要構(gòu)成包括光源、電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、圖像采集卡、計算機(jī)系統(tǒng)、圖像信號處理器及檢測軟件等。

1.2.1 光源

鑒于獲取圖像需要的光線必須具有穩(wěn)定性和自適應(yīng)性，機(jī)器視覺技術(shù)一般會用到人造光源。常見的人造光源包括定向光源鹵素?zé)?、漫射光源熒光燈、發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）、氖燈和電導(dǎo)發(fā)光管等。不同的機(jī)器視覺檢測設(shè)備設(shè)計根據(jù)不同的光線應(yīng)用需求會用到其中一種或幾種光源。其中，鹵素?zé)羰亲盍恋?，通常為白色或偏黃，價格很便宜，缺點是容易發(fā)熱。熒光燈通常是白色或偏綠，亮度較高，價格最便宜。LED等有多種顏色可選，如紅、黃、綠、白、藍(lán)燈，亮度一般，不容易發(fā)熱，且在固體狀態(tài)下有多種不同形態(tài)，設(shè)計時選擇空間大。氖燈一般為白色或偏藍(lán)色，亮度很高，一般應(yīng)用場景持續(xù)亮燈的時間很長，缺點是容易發(fā)熱。電導(dǎo)發(fā)光二極管的顏色一般是由發(fā)光頻率確定的，亮度一般，價格便宜，十分容易發(fā)熱。

1.2.2 圖像采集攝像機(jī)

當(dāng)前，機(jī)器視覺設(shè)備中廣泛應(yīng)用的圖像采集攝像機(jī)有CCD 相機(jī)和CMOS 相機(jī)。兩種相機(jī)各有其特點和優(yōu)勢。

（1）CCD 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。CCD 攝像機(jī)的主要作用是將被處理圖像的光電信號轉(zhuǎn)換為電信號，并由A/D 轉(zhuǎn)換將信號傳遞至計算機(jī)系統(tǒng)的后臺。數(shù)字?jǐn)z像機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)采集信息并提取信息特征不可替代的關(guān)鍵設(shè)備。第一，CCD 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)按照色彩劃分可分為彩色相機(jī)和黑白相機(jī)。第二，按掃描制式劃分，有線掃描和面掃描兩種方式。第三，按照分辨率劃分，可以影像像素參數(shù)為基準(zhǔn)進(jìn)行分類。其中，影像像素高于38 萬像素、彩色分辨率大于或等于480 線、黑白分辨率在600 線以上的為高分辨率型；影像像素在25 ～38 萬像素、彩色分辨率為420 線、黑白分辨率在500 線上下的是普通型；影像像素低于25 萬、彩色分辨率為330 線、黑白分辨率400 線左右則為低檔型。由于一般的CCD 攝像機(jī)大多能感應(yīng)到紅外線，也因此出現(xiàn)了基于這一特征的紅外線圖像、夜視設(shè)備、零照度（或趨近零照度）攝影機(jī)/照相機(jī)等。視覺檢測設(shè)備也是利用這一特征，開拓了多種應(yīng)用場景和功能。

（2）CMOS 相機(jī)。CMOS 圖像傳感器通常包括像敏單元陣列、行驅(qū)動器、列驅(qū)動器、時序控制邏輯、AD 轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)總線輸出接口以及控制接口等幾部分。這幾部分一般被集成于同一塊硅片上。工作過程一般可分為復(fù)位、光電轉(zhuǎn)換、積分、讀出等部分。CMOS 圖像傳感器件的優(yōu)點主要表現(xiàn)在兩個方面：第一，市場價格比CCD 器件低15%～25%；第二，其芯片結(jié)構(gòu)有利于與其他硅基元器件集成，能有效地降低整體系統(tǒng)的研發(fā)成本。

1.2.3 圖像采集卡

圖像采集卡本質(zhì)是一塊芯片，定位于臺式機(jī)的PCI擴(kuò)展槽上，是將相機(jī)拍攝獲取的圖像或視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實時存儲，并接入計算機(jī)的高速接口。大多數(shù)圖像采集卡在采集圖像信息的同時還能捕獲伴音，將音頻部分和視頻部分在轉(zhuǎn)化為數(shù)字化格式時同步進(jìn)行保存和播放。

圖像采集卡的工作流程如圖2 所示。

圖2 圖像采集卡的工作流程

1.2.4 計算機(jī)系統(tǒng)

計算機(jī)系統(tǒng)一般被視為機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心部件，其負(fù)責(zé)將圖像采集卡所收集的圖像信息進(jìn)行加工和處理，并生產(chǎn)最終的圖像，然后利用不同的算法對圖像模式進(jìn)行識別，進(jìn)而將數(shù)據(jù)識別結(jié)果傳送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常見的計算機(jī)會利用質(zhì)量檢測軟件進(jìn)行以下流程：讀取圖片、圖像集合失真矯正、灰度化、圖像增強(qiáng)、圖像重建、濾波平滑處理、圖像二值化、圖像編碼壓縮、確定分割閾值、邊緣提取、缺陷檢測、模式識別和尺寸檢測等。這些流程并不是每種圖像都需要用到，一般會根據(jù)具體的視覺檢測需求執(zhí)行。

2 機(jī)器視覺檢測設(shè)備的優(yōu)勢

機(jī)器視覺檢測設(shè)備在獲取圖像和處理圖像方面有諸多優(yōu)勢。當(dāng)前，視覺機(jī)器在線檢測設(shè)備發(fā)展出了激光逐點掃描法、光切法、空間編碼方法、條紋投影測量方法，這些方式使得機(jī)器視覺在線檢測圖像處理技術(shù)更加先進(jìn)，其獲取圖像和處理圖像的效果遠(yuǎn)勝于傳統(tǒng)的人眼檢測，擁有諸多優(yōu)勢。

（1）機(jī)器視覺設(shè)備獲取圖像比較方便。在一些較為危險或人體不易進(jìn)入的場景下，機(jī)器視覺可靈活獲取圖像，并且獲取圖像的速度更快、處理效果更精準(zhǔn)，處理方式也更為多樣化。

（2）機(jī)器與被觀測者可不直接接觸或遠(yuǎn)距離獲取圖像信息，二者都不易損傷，可靠性更強(qiáng)。同時視覺檢測系統(tǒng)一般與計算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)聯(lián)動，可實時記錄所獲取的圖像，并對其進(jìn)行分類和強(qiáng)化處理，有助于后續(xù)質(zhì)量評估參考。

（3）人眼檢測圖像相比機(jī)器視覺設(shè)備，容易受到視角和視力情況限制，許多物體通過肉眼無法識別或識別效果不佳，機(jī)器視覺利用紅外線進(jìn)行檢測，檢測范圍更廣，效果更好。

（4）機(jī)器視覺檢測設(shè)備的工作時間不受限制。機(jī)器常規(guī)工作時間遠(yuǎn)超于人體承受極限，可以更客觀、準(zhǔn)確地保持對同一對象的檢測，減輕人體疲勞。

3 機(jī)器視覺檢測設(shè)備的多功能應(yīng)用

當(dāng)前，機(jī)器視覺檢測設(shè)備憑借其優(yōu)越的圖片檢測效果、高效的圖片采集效率和與計算機(jī)系統(tǒng)的有效對接，在諸多質(zhì)量檢測領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。

3.1 車輛距離檢測

唐玲等利用機(jī)器視覺系統(tǒng)對采集的圖像利用小波變換算法可進(jìn)行去噪和增強(qiáng)處理，并通過Hough 與模糊集論提取車道線圖像用作定位車輛的參考線。這樣可以大大縮短車輛定位的搜索時間。此外，還可以借助路面灰度值和窗口能量結(jié)合的方式來精準(zhǔn)定位車輛，根據(jù)針孔成像的原理建立一個實際的三維圖像空間，與攝像機(jī)二維圖像形成映射關(guān)系，聯(lián)合計算與前方車輛之間的實際距離參數(shù)。

3.2 微型齒輪檢測

魏東亮等提出一種基于機(jī)器視覺的微型齒輪長誤差檢測系統(tǒng)。首先，是利用小波變換對圖片作去噪處理；其次，通過Radon 變換算法修正齒輪零件圖像，再利用一種基于局部區(qū)域特征的三次曲線模型來提取目標(biāo)區(qū)域內(nèi)亞像素的邊緣信息，通過投影映射精確計算邊界位置參數(shù)；最后，以齒輪中心點為基準(zhǔn)計算其動態(tài)極差，將獲得的數(shù)據(jù)作為判斷微型齒輪長度是否合格的參考標(biāo)準(zhǔn)。這種方式檢測精度可達(dá)2μm，準(zhǔn)確率高達(dá)99%，并且檢測時間很短，結(jié)果可靠，檢測效率高，精度高，充分滿足了工業(yè)檢測的要求，并且可普及到其他具有中心對稱特征的微型齒輪長度檢測中。

3.3 玻璃缺陷檢測

普通平面玻璃的外觀質(zhì)量根據(jù)波筋、氣泡、劃傷、砂粒、疙瘩、線道等缺陷多少而被判定為多個等級。浮法玻璃外觀質(zhì)量等級是一種重要的圖像判斷方式。浮法玻璃外觀質(zhì)量等級主要是根據(jù)光學(xué)變形、氣泡、夾雜物、劃傷、線道、霧斑等缺陷數(shù)量來判斷的。由于玻璃材質(zhì)易碎且透明，人眼在檢測時容易受到光線和視力的限制，判定玻璃缺陷時存在一定的誤差。利用視覺檢測設(shè)備逐個鎖定目標(biāo)圖片，再對目標(biāo)圖片進(jìn)行預(yù)處理，能有效提高圖像觀測質(zhì)量，使圖像缺陷更加明顯。同時，與計算機(jī)軟件聯(lián)動，可以自動記錄玻璃缺陷數(shù)量、缺陷類型和缺陷等級，在相同時間內(nèi)檢測的玻璃更多，精度更高，能極大地提升玻璃缺陷檢測的效率和準(zhǔn)確率，并且能保證玻璃制品的安全性和人的生命安全。

3.4 織物疵點檢測

織物的紋理結(jié)構(gòu)復(fù)雜而精細(xì)，高質(zhì)量織物對于缺陷和瑕疵的容忍度較低，但由因為織物的疵點不易被肉眼發(fā)現(xiàn)，檢測難度加大。因而基于非接觸、高效率、便捷客觀等優(yōu)點，機(jī)器視覺檢測技術(shù)在織物缺陷檢測方面得到了廣泛應(yīng)用。例如，利用像素點互補(bǔ)算法增強(qiáng)裂縫對比，將缺陷區(qū)域的灰度、梯度和形態(tài)進(jìn)行分類、利用圖像相減方法、背景差分法等能極好地輔助織物疵點檢測。這些方式的共同點是利用機(jī)器視覺檢測設(shè)備獲取織物疵點圖像，通過提取、處理和標(biāo)記疵點位置完成織物的檢測，并生成質(zhì)量高并且清晰度佳的圖像，為織物的質(zhì)量評級提供可靠的參考依據(jù)。

4 結(jié)語

機(jī)器視覺檢測設(shè)備基于圖像獲取和圖像處理，在檢測精度要求較高的產(chǎn)品質(zhì)量檢測工作中可發(fā)揮重要作用。當(dāng)前，各領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)品的質(zhì)量和檢測效率要求不斷提高，機(jī)器視覺檢測技術(shù)憑借其精準(zhǔn)的圖像采集和圖像處理效果，有效地降低了人力勞動強(qiáng)度，減少了誤差，提升了產(chǎn)品檢測精度，極大地縮減了成本，降低了原料損耗，對工業(yè)生產(chǎn)的長遠(yuǎn)發(fā)展有極大助益。由此可見，機(jī)器視覺檢測技術(shù)發(fā)展前景廣闊，值得深入研究。