機(jī)器視覺是一門涉及人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、心理物理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、圖像處理、模式識別等諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。機(jī)器視覺主要利用計(jì)算機(jī)來模擬人或再現(xiàn)與人類視覺有關(guān)的某些智能行為，從客觀事物的圖像中提取信息進(jìn)行處理，并加以理解，最終用于實(shí)際檢測和控制。主要應(yīng)用于如工業(yè)檢測、工業(yè)探傷、精密測控、自動(dòng)生產(chǎn)線、郵政自動(dòng)化、糧食選優(yōu)、顯微醫(yī)學(xué)操作以及各種危險(xiǎn)場合工作的機(jī)器人等。一個(gè)典型的機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)包括圖像捕捉、光源系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機(jī)械控制執(zhí)行模塊，如圖1所示。首先采用CCD攝像機(jī)獲得被測目標(biāo)的圖像信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布、亮度和色彩等信息，進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，然后再根據(jù)預(yù)設(shè)的判別標(biāo)準(zhǔn)輸出判斷結(jié)果，去控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖1.典型工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)

1 機(jī)器視覺關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

圖1表明機(jī)器視覺是一項(xiàng)綜合技術(shù)，包括圖像處理、機(jī)械工程技術(shù)、控制、電光源照明、光學(xué)成像、傳感器、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)(圖像增強(qiáng)和分析算法、圖像卡、I/O卡等)。這些技術(shù)在機(jī)器視覺中是并列關(guān)系，相互協(xié)調(diào)應(yīng)用才能構(gòu)成一個(gè)完整的工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)。機(jī)器視覺強(qiáng)調(diào)能夠適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境、有合理的性價(jià)比、較強(qiáng)的通用性和可移植性，即實(shí)用性；它更強(qiáng)調(diào)高速度和高精度，即實(shí)時(shí)性。

機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)中，用到很多技術(shù)，但關(guān)鍵技術(shù)主要體現(xiàn)在光源照明、光學(xué)鏡頭、攝像機(jī)(CCD)、圖像采集卡、圖像信號處理以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。下面對這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1.1 光源照明

好的光源和照明是目前機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，應(yīng)當(dāng)具有以下特征：①盡可能突出目標(biāo)的特征，在物體需要檢測的部分與非檢測部分之間盡可能產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加對比度；②保證足夠的亮度和穩(wěn)定性；③物體位置的變化不應(yīng)影響成像的質(zhì)量。
光源按其照射方法可分為背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光照明和頻閃光照明等。背向照明是被測物放在光源和攝像機(jī)之間，其優(yōu)點(diǎn)是能獲得高對比度的圖像;前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝;結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們所產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測物的三維信息;頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機(jī)拍攝要求與光源同步，這樣能有效地拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體的圖像。照明亮度、均勻度、發(fā)光的光譜特性要符合實(shí)際的要求，同時(shí)還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。

其中，LED光源具有顯色性好、光譜范圍寬(可覆蓋整個(gè)可見光范圍)、發(fā)光強(qiáng)度高、穩(wěn)定時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn)，而且隨著制造技術(shù)的成熟，其價(jià)格越來越低，必將在現(xiàn)代機(jī)器視覺領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1.2 光學(xué)鏡頭

光學(xué)鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡稱鏡頭，其功能就是光學(xué)成像。鏡頭是系統(tǒng)中的重要組件，對成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用，在組建機(jī)器視覺系統(tǒng)時(shí)，硬件設(shè)備要根據(jù)實(shí)際需要選擇合適口徑和焦距的鏡頭。表2是幾種常見鏡頭型號及其相關(guān)參數(shù)。

1.3 CCD攝像機(jī)及圖像采集卡

CCD(Chargecoupleddevice)攝像機(jī)及圖像采集卡共同完成對目標(biāo)圖像的采集與數(shù)字化。目前，CCD、CMOS等固體器件已經(jīng)是成熟的應(yīng)用技術(shù)。線陣圖像敏感器件，像元尺寸不斷減小，陣列像元數(shù)量不斷增加，像元電荷傳輸速率得到極大提高。表3所示為一種高性能線陣CCD器件的參數(shù)。從中可以看到，線陣器件像元數(shù)和數(shù)據(jù)的傳輸率大大提高，而且器件設(shè)計(jì)集成了新的功能，具有可編程能力，如增益調(diào)整、曝光時(shí)間選擇、速率調(diào)節(jié)以及維護(hù)等。

在線陣器件性能提高的同時(shí)，高速面陣圖像器件性能也在快速提高。某種超高速面陣CCD器件，允許的最大分辨率達(dá)1280@1024像素，最大幀率1MHz，可采集4幀圖像，且像素靈敏度達(dá)12bits。

在基于PC機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照完成圖像采集與數(shù)字化，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備。一般具有以下功能模塊：①圖像信號的接收A/D轉(zhuǎn)換模塊，負(fù)責(zé)圖像放大與數(shù)字化；②攝像機(jī)控制輸入輸出接口，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)攝像機(jī)進(jìn)行同步或?qū)崿F(xiàn)異步重置拍照、定時(shí)拍照；③總線接口，負(fù)責(zé)通過計(jì)算機(jī)內(nèi)部總線高速輸出數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，一般是PCI接口，傳輸速率可達(dá)130Mbps，完全能勝任高精度圖像的實(shí)時(shí)傳輸，且占用較少的CPU時(shí)間；④顯示模塊，負(fù)責(zé)高質(zhì)量的圖像實(shí)時(shí)顯示；⑤通訊接口，負(fù)責(zé)通訊。

目前，圖像采集卡種類很多，按照不同的分類方法，有黑白圖像和彩色圖像采集卡，有模擬信號和數(shù)字信號采集卡，有復(fù)合信號和RGB分量信號輸入采集卡。在選擇圖像采集卡時(shí)，主要應(yīng)考慮到系統(tǒng)的功能需求、圖像的采集精度和與攝像機(jī)輸出信號的匹配等因素。

1.4 圖像信號處理

圖像信號的處理是機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心。視覺信息的處理技術(shù)主要依賴于圖像處理方法，它包括圖像變換、數(shù)據(jù)編碼壓縮、圖像增強(qiáng)復(fù)原、平滑、邊緣銳化、分割、特征抽取、圖像識別與理解等內(nèi)容。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，為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，圖像處理的很多工作都可以借助硬件完成，如DSP芯片、專用圖像信號處理卡等，軟件主要完成算法中非常復(fù)雜、不太成熟或尚需不斷探索和改進(jìn)的部分。
處理時(shí)間上，要求處理速度必須大于等于采集速度，才能保證目標(biāo)圖像無遺漏，完成實(shí)時(shí)處理。

1.5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域機(jī)器視覺系統(tǒng)的最終目的還需執(zhí)行機(jī)構(gòu)來完成。不同的應(yīng)用場合，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能不同，比如機(jī)電系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)，無論哪一種，除了要嚴(yán)格保證其加工制造和裝配的精度外，在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)對動(dòng)態(tài)特性，尤其是快速性和穩(wěn)定性給予充分重視。

2 機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用

視覺技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是與被觀測對象無接觸，因此，對觀測與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，十分安全可靠，這是其它感覺方式無法比擬的。理論上，人眼觀察不到的范圍機(jī)器視覺也可以觀察，例如紅外線、微波、超聲波等，而機(jī)器視覺則可以利用這方面的傳感器件形成紅外線、微波、超聲波等圖像。另外，人無法長時(shí)間地觀察對象，機(jī)器視覺則無時(shí)間限制，而且具有很高的分辨精度和速度。所以，機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，可分為工業(yè)、科學(xué)研究、軍事和民用4大領(lǐng)域。

2.1 工業(yè)領(lǐng)域

工業(yè)領(lǐng)域是機(jī)器視覺應(yīng)用中比重最大的領(lǐng)域，按照功能又可以分成4類：產(chǎn)品質(zhì)量檢測、產(chǎn)品分類、產(chǎn)品包裝、機(jī)器人定位。其應(yīng)用行業(yè)包括印刷包裝、汽車工業(yè)、半導(dǎo)體材料/元器件/連接器生產(chǎn)、藥品/食品生產(chǎn)、煙草行業(yè)、紡織行業(yè)等。

下面以紡織行業(yè)為例具體闡述機(jī)器視覺在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。在紡織企業(yè)中，視覺檢測是工業(yè)應(yīng)用中質(zhì)量控制的主要組成部分，用機(jī)器視覺代替人的視覺可以克服人工檢測所造成的各種誤差，大大提高檢測精度和效率。正是由于視覺系統(tǒng)的高效率和非接觸性，機(jī)器視覺在紡織檢測中的應(yīng)用越來越廣泛，在許多方面已取得了成效。機(jī)器視覺可用于檢測與紡織材料表面有關(guān)的性能指標(biāo)見表4。目前主要的研究內(nèi)容可分為3大類：纖維、紗線、織物。由于織物疵點(diǎn)檢測(在線檢測)需要很高的計(jì)算速度，因此，設(shè)備費(fèi)用比較昂貴。目前國內(nèi)在線檢測的應(yīng)用比較少，主要應(yīng)用是離線檢測(如表4)，主要的檢測有紡織布料識別與質(zhì)量評定、織物表面絨毛鑒定、織物的反射特性、合成紗線橫截面分析、紗線結(jié)構(gòu)分析等。此外還可用于織物組織設(shè)計(jì)、花型紋板、棉粒檢測、分析紗線表面摩擦。

2.2 民用領(lǐng)域

機(jī)器視覺技術(shù)可用在智能交通、安全防范、文字識別、身份驗(yàn)證、醫(yī)療設(shè)備等方面。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，機(jī)器視覺用于輔助醫(yī)生進(jìn)行醫(yī)學(xué)影像的分析，主要利用數(shù)字圖像處理技術(shù)、信息融合技術(shù)對x射線透視圖、核磁共振圖像、CT圖像進(jìn)行適當(dāng)疊加，然后進(jìn)行綜合分析，以及對其它醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2.3 科學(xué)研究領(lǐng)域

在科學(xué)研究領(lǐng)域可以利用機(jī)器視覺進(jìn)行材料分析、生物分析、化學(xué)分析和生命科學(xué)，如血液細(xì)胞自動(dòng)分類計(jì)數(shù)、染色體分析、癌癥細(xì)胞識別等。

2.4 軍事領(lǐng)域

視覺技術(shù)可用在航天、航空、兵器(敵我目標(biāo)識別、跟蹤)及測繪。在衛(wèi)星遙感系統(tǒng)中，機(jī)器視覺技術(shù)被用于分析各種遙感圖像，進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測，根據(jù)地行、地貌的圖像和圖形特征，對地面目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)識別、理解和分類等。

3 機(jī)器視覺發(fā)展趨勢

3.1 價(jià)格持續(xù)下降

目前，在我國機(jī)器視覺技術(shù)還不太成熟，主要靠進(jìn)口國外整套系統(tǒng)，價(jià)格比較昂貴。隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場競爭的激烈，價(jià)格下降已成必然趨勢，這意味著機(jī)器視覺技術(shù)將逐漸被接受。

3.2 功能逐漸增多

更多功能的實(shí)現(xiàn)主要是來自于計(jì)算能力的增強(qiáng)，更高分辨率的傳感器(10Mpixels)，更快的掃描率(500次/s)和軟件功能的提高。PC處理器的速度在得到穩(wěn)步提升的同時(shí)，其價(jià)格也在下降，這推動(dòng)了更快的總線的出現(xiàn)，而總線又反過來允許具有更多數(shù)據(jù)的更大圖像以更快的速度進(jìn)行傳輸和處理。

3.3 產(chǎn)品小型化

產(chǎn)品的小型化趨勢讓這個(gè)行業(yè)能夠在更小的空間內(nèi)包裝更多的部件，這意味著機(jī)器視覺產(chǎn)品變得更小，這樣他們就能夠在廠區(qū)所提供的有限空間內(nèi)應(yīng)用。例如在工業(yè)配件上LED已經(jīng)成為主導(dǎo)光源，它的小尺寸使成像參數(shù)的測定變得容易，他們的耐用性和穩(wěn)定性非常適用于工廠設(shè)備。

3.4 集成產(chǎn)品增多

智能相機(jī)的發(fā)展預(yù)示了集成產(chǎn)品增多的趨勢。智能相機(jī)是在一個(gè)單獨(dú)的盒內(nèi)集成了處理器、鏡頭、光源、輸入/輸出裝置及以太網(wǎng)。電話和PDA推動(dòng)了更快、更便宜的精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)的發(fā)展，這使智能相機(jī)和嵌入式處理器的出現(xiàn)成為可能。同樣，現(xiàn)場可編程門列陣(FPGA)技術(shù)的進(jìn)步為智能相機(jī)增添了計(jì)算功能，并為PC機(jī)嵌入了處理器和高性能楨采集器。智能相機(jī)結(jié)合處理大多數(shù)計(jì)算任務(wù)的FPGA，DSP和微處理器則會更具有智能性。小型化與集成產(chǎn)品正在一起為實(shí)現(xiàn)/芯片上的視覺系統(tǒng)0的最終目標(biāo)而努力。尺寸更小、更密集的存儲卡及成像器分辨率的提高有助于智能相機(jī)的開發(fā)和擴(kuò)展。

4 結(jié)語

機(jī)器視覺技術(shù)經(jīng)過20年的發(fā)展，已成為一門新興的綜合技術(shù)，在社會諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。大大提高了裝備的智能化、自動(dòng)化水平，提高了裝備的使用效率、可靠性等性能。隨著新技術(shù)、新理論在機(jī)器視覺系統(tǒng)中的應(yīng)用，機(jī)器視覺將在國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。