機器視覺技術的發展及其應用

秦亞航 蘇建歡 余榮川

（1.廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西 柳州545006；2.河池學院，廣西 宜州643006）

機器視覺技術的發展及其應用

秦亞航1蘇建歡2余榮川1

（1.廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西 柳州545006；2.河池學院，廣西 宜州643006）

機器視覺可以理解為基于視覺技術的機器系統或學科。機器視覺是一個不斷發展的研究領域，其主要工作是對圖像數據進行處理和分析。機器視覺在智能開發系統中起著關鍵的作用。研究智能開發系統的主要目標就是開發有能力感知，移動，并能進行經驗學習的機器。而伴隨著圖像處理等相關技術的發展，機器視覺該技術也同時處于上升期。本文對機器視覺的主要技術做了簡單的介紹，其中主要包括光源、攝像機及圖像采集卡、執行機構等，并論述了其主要的應用領域以及存在的一些問題。

機器視覺；圖像采集；圖像處理

0 前言

簡單的來說機器視覺就是讓計算機能夠“看到”。機器視覺系統使用一個或多個攝像機，模數轉換（ADC）、數字信號處理（DSP）等將所得的數據輸入到計算機或機器人控制器，然后完成指定的任務。

機器視覺通常被認為是一個智能的自動化解決方案，利用專門設計的自動化制造過程進行相關控制。機器視覺是基于使用智能相機和圖像捕獲技術的，換句話說機器視覺就是“照相機機器人”，能夠利用視覺自動進行檢查，最終實現利用機器來代替人眼進行測量跟判斷，從而實現智能化[1]。

1 機器視覺的發展歷史

機器視覺技術自20世紀50年代起，經過不斷的開拓創新，主要經歷了如下幾個具有代表性的關鍵時期：

20世紀50年代二維圖像的統計模式識別技術開始研究。

60年代Roberts開始進行三維機器視覺的研究。

70年代中期，MIT人工智能實驗室正式開設了“機器視覺”的相關課程。

80年代開始，機器視覺技術迅速發展，新技術，新知識層出不窮，在各個領域得到了廣泛的應用，機器視覺作為自動化界的高智能化新型產品，正蓬勃發展[2]。

機器視覺在中國的發展歷史：

在中國，視覺技術的應用開始于20世紀90年代，但在各行業的應用幾乎一片空白。到21世紀，機器視覺技術在工業生產中開始得到應用，其中華中科技大學取得了突破性的進展，其自主研發的印刷在線檢測設備與浮法玻璃缺陷在線檢測設備，使得歐美在此行業的壟斷地位被打破。目前，國內視覺技術已經日益成熟，真正高端的應用也正在逐步發展。

2 機器視覺的關鍵技術

典型的工業機器視覺系統一般如下幾個重要部分組成：光源、光學鏡頭、圖像捕捉系統、圖像信號處理技術、智能圖像處理與決策、以及執行機構等。系統框圖如圖1所示。

2.1 光源

為了能夠更好的了解光源，需要對機器視覺系統工作的執行過程做個簡單的介紹：首先需要進行取像，其次需要對取像的結果進行分析，最后將結果輸出。取像不僅僅作為機器視覺系統的第一步，也是十分關鍵的一步，取像的質量對接下來的分析工作起著至關重要的作用，而想要取得效果良好的圖像就必然需要采取好的光源，可以說光源的好壞直接影響系統的工作能否成功進行。光源的作用主要是將待測區域與背景區分開從而突出待測區域的特征和邊緣清晰度。為了滿足以上的要求，高質量的光源應具備具有如下特點：物體的特征能被明顯觀測，物體待檢測部分與其他部分有明顯區別，增加物體的對比度、亮度和穩定性；成像的質量不受物體變化而變動[3]。

但是迄今為止還沒有一個機器視覺照明設備能滿足所有情況的需求，因此需要具體情況具體分析，從而找到適合特定情形的合適的照明光源。表1給出了幾種主要光源的基本性質。

表1 各種光源對比

目前在機器視覺系統中應用的主要是LED光源，從上表也可以看出，LED光源具有顯色效果好，顏色豐富，穩定性好，使用壽命長，光譜覆蓋范圍寬，體積小，發光亮度強，價格低廉，成本和普通節能燈相當等優點，所以其憑借諸多優勢在機器視覺領域成為了最主要的光源。

2.2 光學鏡頭

鏡頭的選擇直接影響成像的質量。鏡頭選擇應注意：焦距的長短、目標以及影像的高度、放大倍數、中心點、影像至目標的距離等。機器視覺光學鏡頭選擇的恰當與否，不僅能為接下來的圖像處理打好堅實的基礎而且可以減少設備成本。

2.3 CCD攝像機及圖像采集卡

CCD攝像機及圖像采集卡用來實現圖像采集和圖像數字化。CCD攝像機由于其具有靈敏度高、抗強光、壽命長、畸變小、體積小、抗震動等優點而得到了廣泛的使用。

圖像采集卡的功能是用于傳輸圖像視頻信號的。其主要模塊組成及功能如下：①A/D轉換模塊，將圖像信號放大和數字化；②相機控制模塊，負責提供相機的設置及實現異步重置拍照、定時拍照；③PCI總線接口及總線控制模塊，利用PCI總線完成數字圖像數據的傳輸；總線控制器應用了burst模式，傳輸速率逼近132Mbytes/s。④顯示模塊，使圖像的實時顯示盡可能清晰；⑤數字輸入/輸出模塊，主要負責與外部裝置的通信功能[4]。

2.4 圖像信號處理技術

圖像信號處理技術是機器視覺系統中的核心部分，圖像處理效果直接影響接下來的執行。在機器視覺中，圖像處理方法主要包括圖像獲取、圖像預處理、圖像分割、圖像的特征提取、圖像識別等。近年來DSP芯片及專用圖像信號處理卡等大規模集成硬件的出現已經被廣泛應用，大大提高了系統的實時性[5]?？梢?，伴隨著圖像信號處理技術的飛速發展，機器視覺技術必將崛起。

2.5 執行機構

執行機構是整個系統的最后一環，系統的功能的實現最終還需它來完成。根據不同的應用場合，可以選擇不同的執行機構，比如機電系統、液壓系統、氣動系統等。執行過程中，除了要使其加工制造和裝配的精度外滿足要求外，還應滿足一定的動態特性，尤其是快速性和穩定性。

3 機器視覺的典型應用

由于機器視覺系統具有人眼所具有的優勢，能夠快速獲取大量信息并進行分析處理，因此，機器視覺被廣泛應用于各種行業，包括工業、農業、制造業、交通業、航空航天領等領域。其中主要應用如下：

3.1 工業自動化生產線

工業上應用主要有以下幾方面：（1）引導和定位：利用機械手臂完成準確抓取如自動組裝、包裝、焊接等。（2）外觀檢測：檢測生產產品的質量是否合格，具有準確性高、速度快的特點。（3）物體測量：避免了接觸式測量的二次損傷。（4）圖像識別：圖像數據的追溯和分析處理，目前廣泛使用的二維碼的識別就應用了機器視覺里的圖像識別技術。機器視覺的應用使自動化的生產水平得到了顯著的提高。

3.2 制造業

隨著中國紅利的消失，傳統制造業必然面臨著成本提高、競爭激烈的現象。為了提高生產效率，制造業正進行著用機器替代人力的轉型升級，機器視覺系統不僅能在大量重復性工作中具有較大優勢，還能夠替代人類在各種危險的環境中實施作業。

3.3 交通

智能交通監控領域中，在重要的十字路口安放攝像頭，就可以利用攝像頭的快速拍照功能，實現對違章、逆行等車牌的車牌進行自動識別、存貯，以便相關的工作人員進行查看。

3.4 軍事

伴隨信息化時代的到來，將機器視覺技術應用于軍事武器將大大提高我國的軍事力量。其中具體應用于排雷、防爆、制導、定位、無人機、自動檢測軍事目標等，不僅減輕軍人傷亡率還能提高作戰效率。

4 機器視覺面臨的問題

雖然經歷了幾十年的發展，但是機器視覺領域仍然存在諸多問題，其存在的主要問題如下：

（1）如何準確、高速（實時）地識別出目標。圖像采集速度較低、時間長、計算量大，從而提高圖像處理速度是一個亟待解決的關鍵難題。

（2）如何構造出性能良好的識別算法，并且順利地實現。

（3）穩定性。當初始點遠離目標點時如何保證系統的穩定性也很重要。

（4）如何增大系統的存儲容量，實現一個類似人眼的通用視覺系統。

5 結束語

由于機器視覺系統可以代替人眼這一主要優勢，人們已經將機器視覺系統廣泛地應用于各個領域。但是人類的視覺機制尚不十分明確，要在這種情況下建立一個功能強大的機器視覺系統尚有一定難度。盡管每個人都是視覺領域的專家，但用內省法來描述我們的視覺傳輸過程是無法實現的。因此機器視覺系統未來還要經歷一段很長的發展道路[6]。

可以預計的是，雖然機器視覺領域還有許多問題亟待解決，但是機器視覺技術已經逐漸成為未來科技發展的一大重要方向。

［1］張云,吳曉君,馬廷武,龐連軍.基于機器視覺的零件圖像采集及識別的研究[J].電子工程,2006:32(10):29.

［2］余文勇,石繪.機器視覺自動檢測技術[M].化學工業出版社,2013,10:6-7.

［3］郭靜,羅華,張濤.機器視覺與應用[J].電子科技,2014,27(7):185-188.

［4］章煒.機器視覺技術發展及其工業應用[J].紅外,2006,27(2):13.

［5］韓冰,林明星,丁鳳華.機器視覺技術及其應用分析[J].農業裝備與車輛工程, 2008,12(10):24-27.

［6］趙鵬.機器視覺理論及應用[M].電子工業出版社,2011,12:8-9.

［責任編輯：朱麗娜］

Development of Machine Vision and Applications

QIN Ya-hang1SU Jian-huan2YU Rong-chuan1
（1.College of Electrical and Information Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545006,China；2.He Chi Universiry，Yizhou Guangxi 643006，China）

Machine vision can be understood as the machine system based on vision technology or discipline.Machine vision is a growing area of research,the main work is image data processing and analysis.Machine vision system in the intelligent development plays a key role.The study of main goal is to develop intelligent development system that has the ability to perceive,move,and to experience learning machine.But with the development of related technologies,such as image processing,machine vision technology is also rising.In this paper the main technology of machine vision made simple introduction,mainly introduced the light source,camera and image acquisition card,actuators,etc.,and discusses its main application field and some problems.

Machine vision;Image acquisition;The image processing

秦亞航（1990—），女，滿族，遼寧錦州人，碩士，廣西科技大學，研究方向為智能控制與智能自動化。

蘇建歡（1968—），男，壯族，廣西都安人，碩士，河池學院，副教授，主要研究方向為電子技術應用與開發。

余榮川（1989—），男，漢族，廣東湛江人，碩士，廣西科技大學，研究方向為智能控制與智能自動化。