機器視覺技術(shù)介紹

1、工業(yè)4.0時代，工廠的自動化設(shè)備通常只能應(yīng)對精確位置，不像人工可以處理簡單偏差。而機器視覺能縮短這一差距。隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，中國本土的企業(yè)也逐漸興起，出現(xiàn)了一批具有一定實力的機器視覺研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)。同時，機器視覺應(yīng)用范圍逐步擴大，工業(yè)機器人成為產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的熱土。工業(yè)4.0時代，工廠的自動化設(shè)備通常只能應(yīng)對精確位置，不像人工可以處理簡單偏差。而機器視覺能縮短這一差距。根據(jù)公開資料，2016年中國機器視覺市場總額達(dá)到38億元，近5年復(fù)合增長率達(dá)到26.6%?？v觀我國產(chǎn)業(yè)發(fā)展歷程，中國機器視覺相關(guān)產(chǎn)業(yè)起步較晚，最初多用于電子及半導(dǎo)體行業(yè)，也有“國外機器視覺的崛起很大程度上是得益于其半導(dǎo)體行

2、業(yè)發(fā)展”的說法。因為，半導(dǎo)體行業(yè)的諸如錫膏印刷機、貼片機、AOI檢測這類的設(shè)備必須使用高性能機器視覺組件。但在社會現(xiàn)代化進(jìn)程的大力推進(jìn)下，機器視覺行業(yè)也在中國市場度過了發(fā)展的最初時期。隨著我國勞動力成本上升，人口紅利拐點來臨，降本增效及制造業(yè)轉(zhuǎn)型需求必將推動國內(nèi)機器視覺進(jìn)入快速通道。不僅國際知名品牌紛紛在中國開展業(yè)務(wù)，中國本土的企業(yè)也逐漸興起，出現(xiàn)了一批具有一定實力的機器視覺研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)。止匕外，機器視覺應(yīng)用范圍也逐步擴大，由起初的電子制造業(yè)和半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)，發(fā)展到了包裝，汽車，交通和印刷等多個行業(yè)。根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的機器視覺產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景與投資分析報告數(shù)據(jù)顯示，2015年機器視覺市場規(guī)模

3、達(dá)3.5億美元，占全球8.3%,增速達(dá)22.2%,位居全球首位，中國已成為繼美國和日本之后的全球第三大機器視覺市場。2016-2020年，中國機器視覺市場增速預(yù)計將保持在20%U上，將達(dá)到十億美元級的市場空間。其中機器視覺在工業(yè)機器人方面的應(yīng)用最為普遍。近年來，機器人尤其是工業(yè)機器人的迅猛發(fā)展，帶動了機器視覺市場需求的大幅增長。在2016年5月份的世界機器人大會新聞發(fā)布會上，信工部副部長毛偉明透露，把智能制造作為該部門今后的重點工作，制定我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的“十三五”規(guī)劃，爭取更多政策支持機器人關(guān)鍵部件的研發(fā)生產(chǎn)和推廣。尤其是當(dāng)前的以高端裝備制造為核心的智造工業(yè)4.0時代背景下，隨著中國制造2

4、025戰(zhàn)略的深入，工業(yè)智能機器人產(chǎn)業(yè)市場呈現(xiàn)爆炸式增長勢頭，而充當(dāng)工業(yè)機器人“火眼金睛”角色的機器視覺功不可沒。對于機器人而言，讓工業(yè)機械手或機器人“長”一雙眼睛，機器視覺賦予其精密的運算系統(tǒng)和處理系統(tǒng)，模擬生物視覺成像和處理信息的方式，讓機械手更加擬人靈活的操作執(zhí)行，同時識別、比對、處理場景，生成執(zhí)行指令，進(jìn)而一氣呵成的完成動作。由此可見，作為機器人尤其是智能化可視機器人重要的零部件之一，機器視覺對機器人的靈活性及可操作性的提升具有決定性意義?？梢灶A(yù)見隨著機器視覺與機器人的深入融合，可視機器人將在未來十年內(nèi)占據(jù)智能裝備領(lǐng)域重要一席之地。2016年我國政府正式出臺“十三五”規(guī)劃，明確把機器人產(chǎn)

5、業(yè)作為我國工業(yè)發(fā)展的重點方向，推動機器換人，加快企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，爭取在2025年成為制造業(yè)強國。在去年5月份的世界機器人大會新聞發(fā)布會上，信工部副部長毛偉明透露，把智能制造作為該部門今后的重點工作，制定我國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的“十三五”規(guī)劃，爭取更多政策支持機器人關(guān)鍵部件的研發(fā)生產(chǎn)和推廣。尤其是當(dāng)前的以高端裝備制造為核心的智造工業(yè)4.0時代背景下，隨著中國制造2025戰(zhàn)略的深入，工業(yè)智能機器人產(chǎn)業(yè)市場呈現(xiàn)爆炸式增長勢頭，其中充當(dāng)工業(yè)機器人“火眼金睛”角色的機器視覺功不可沒！那么機器視覺究竟給工業(yè)機器人一雙怎么樣的“慧眼”，能夠助力工業(yè)機器人在工業(yè)4.0發(fā)展道路上創(chuàng)造輝煌篇章？讓工業(yè)機械手或機器人“長

6、”一雙眼睛，再賦予其精密的運算系統(tǒng)和處理系統(tǒng)，模擬生物視覺成像和處理信息的方式，讓機械手更加擬人靈活的操作執(zhí)行，同時識別、比對、處理場景，生成執(zhí)行指令，進(jìn)而一氣呵成的完成動作。這種可視機械手能延展傳統(tǒng)機械手無法達(dá)到的動作，使機械手在功能的開發(fā)上和領(lǐng)域的拓展上均有顯著的突破?？梢暀C器人，將在未來十年內(nèi)占據(jù)智能裝備領(lǐng)域重要一席之地。機器視覺作為機器人尤其是智能化可視機器人重要的零部件之一，對機器人的靈活性及可操作性的提升具有決定性意義。武漢瑞拓德的薛工指出，機器視覺將來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機器人領(lǐng)域，主要具有四個顯著功能：1）、引導(dǎo)和定位，視覺定位要求機器視覺系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的找到被測零件并確認(rèn)其位置

7、，上下料使用機器視覺來定位，引導(dǎo)機械手臂準(zhǔn)確抓取。在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，設(shè)備需要根據(jù)機器視覺取得的芯片位置信息調(diào)整拾取頭，準(zhǔn)確拾取芯片并進(jìn)行綁定，這就是視覺定位在機器視覺工業(yè)領(lǐng)域最基本的應(yīng)用。2）、外觀檢測：檢測生產(chǎn)線上產(chǎn)品有無質(zhì)量問題，該環(huán)節(jié)也是取代人工最多的環(huán)節(jié)。說機器視覺涉及到的醫(yī)藥領(lǐng)域，其主要檢測包括尺寸檢測、瓶身外觀缺陷檢測、瓶肩部缺陷檢測、瓶口檢測等。3）、高精度檢測：有些產(chǎn)品的精密度較高，如高度集成的電子電路板，達(dá)到0.010.02m甚至到um級，人眼無法檢測必須使用機器完成。4）、識別，就是利用機器視覺對圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標(biāo)和對象?？梢赃_(dá)到數(shù)據(jù)的追溯和

8、采集，在汽車零部件、食品、藥品等應(yīng)用較多。而且，隨著計算機科學(xué)和自動控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的不同種類的智能機器人出現(xiàn)在生產(chǎn)生活中，視覺系統(tǒng)作為智能機器人系統(tǒng)中一個重要的分支，也越來越受到人們的重視。薛工分析，隨著可視機器人的發(fā)展，未來新行業(yè)應(yīng)用及功能的拓展會逐漸出現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)方面量比較大的可能是3c電子產(chǎn)業(yè)，物流行業(yè)，特別是會涉及到3D視覺。民用服務(wù)上可能更多的需要體驗，難度在于環(huán)境的可變性大，對算法的冗余度要求較高，民用應(yīng)用將主要來源于消費級的產(chǎn)品。隨著社會現(xiàn)代化進(jìn)程的大力推進(jìn)，我國工業(yè)得到了長足的發(fā)展。機器視覺檢測市場經(jīng)過長時間的積累，我國也出現(xiàn)了一批具有一定實力的機器視覺研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)。

9、凌云光技術(shù)集團(tuán)有限責(zé)任公司自1996年進(jìn)入圖像和視覺行業(yè)后，一直致力成為一家具有國際水平的視覺與圖像領(lǐng)域的現(xiàn)代高科技企業(yè)。20余家國際頂級視覺部件企業(yè)建立長期戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系，引入國際先進(jìn)的圖像技術(shù)和產(chǎn)品，服務(wù)于中國眾多行業(yè)的領(lǐng)先企業(yè)。從芯片、光源、鏡頭、相機、采集卡到軟件，產(chǎn)品深度覆蓋工業(yè)、國防、科研、交通、3D交互和生命科學(xué)等行業(yè)。廣州寶盾電子科技有限公司，集工程技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)、銷售與服務(wù)于一體，致力于引進(jìn)國際先進(jìn)的機器視覺、傳感、控制與執(zhí)行技術(shù)，為工廠自動化、物流自動化和過程自動化提供日益智能化的電氣產(chǎn)品及解決方案。武漢瑞拓德智能科技有限公司自成立以來，在視覺檢測和顯示控制上積累了豐富的

10、案例經(jīng)驗，成功為多家智能電子制造企業(yè)提供了解決方案，并致力于開放式軟件平臺的開發(fā)，和3D視覺檢測系統(tǒng)的開發(fā)及運用。北京格靈深瞳信息技術(shù)有限公司是一家專注于計算機視覺以及人工智能的科技公司，我們致力于讓計算機像人一樣主動獲取視覺信息并進(jìn)行精確的實時分析，釋放人工智能最大的潛能為人服務(wù)。浙江大華技術(shù)股份有限公司是領(lǐng)先的監(jiān)控產(chǎn)品供應(yīng)商和解決方案服務(wù)商，面向全球提供領(lǐng)先的視頻存儲、前端、顯示控制和智能交通等系列化產(chǎn)品。陜西維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司是專業(yè)從事機器視覺圖像采集產(chǎn)品的研發(fā)、機器視覺應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)備、計算機圖像處理系統(tǒng)解決方案專業(yè)提供的高科技企業(yè)。該公司主要研發(fā)生產(chǎn)圖像采集卡、工業(yè)相機、工業(yè)智能相

11、機、嵌入式圖像開發(fā)平臺，機器視覺圖像處理軟件，根據(jù)客戶特殊要求專門開發(fā)的機器視覺產(chǎn)品和設(shè)備，同時是國外先進(jìn)的機器視覺部件及視覺系統(tǒng)專業(yè)代理及技術(shù)服務(wù)提供商。以上這些企業(yè)借助中國制造業(yè)發(fā)轉(zhuǎn)型的機遇，會把更多的機器視覺產(chǎn)品應(yīng)用到工業(yè)機器人領(lǐng)域，促進(jìn)我國機器人行業(yè)發(fā)展，推動我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。同時，企業(yè)也會在服務(wù)國民經(jīng)濟的過程中不斷創(chuàng)新和進(jìn)步，讓我國機器視覺設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)方面，縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。智能工業(yè)的發(fā)展，巨大的傳感器市場，可以說，未來五年內(nèi)傳感器的年增長復(fù)合率將迅速增高，如ICInsights預(yù)計那樣，銷售額至一2021年將高達(dá)101億美元。近年來，隨著智能工業(yè)迅速發(fā)展，急需一要各種高

12、科技產(chǎn)品輔助生產(chǎn)，催生了各類高科技產(chǎn)品。而據(jù)業(yè)內(nèi)專家看來，沒有傳感器，智能工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)將會是無稽之談，智能制造等實體經(jīng)濟也是泡沫般存在。近期，ICInsights稱，預(yù)計到2017年，加速與橫擺角速度傳感器銷售量將增長9%銷售額將達(dá)到30億美元；磁場傳感器與電子羅盤芯片銷量增長8%銷售額達(dá)到20億美元；壓力傳感器銷量增長8%銷售額達(dá)到27億美元；傳動器銷量也將增長8%銷售額達(dá)到49億美元。由此可見，傳感器市場目前是一片“藍(lán)?！?一而今是智能工業(yè)化時代，由被可廣泛應(yīng)用于各種消費性及工業(yè)應(yīng)用的無人機便能看出，傳感器是智能工業(yè)不可缺少的關(guān)鍵元器件。據(jù)了解，制造一架高性能無人機至少需要加速度計、陀螺儀

13、、磁羅盤與氣壓等傳感器。止匕外，還需不影響無人機的核心功能運作的特定應(yīng)用傳感器，如濕度傳感器等，監(jiān)測環(huán)境濕度參數(shù)。將這些傳感器安置于無人機的核心位置，可保障無人機穩(wěn)定，靈敏、速度等性能，確裝置功能與導(dǎo)航正常運作。智能工業(yè)的發(fā)展，需求巨大的傳感器市場，可以說，未來五年內(nèi)傳感器的年增長復(fù)合率將迅速增高，如ICInsights預(yù)計那樣，銷售額至2021年將高達(dá)101億美元。1 .攝像頭和光學(xué)部件這一類通常含有一個或多個攝像頭和鏡頭（光學(xué)部件），用于拍攝被檢測的物體。根據(jù)應(yīng)用，攝像頭可以基于如下標(biāo)準(zhǔn)，黑白、復(fù)合彩色（Y/C）,RG影色，非標(biāo)準(zhǔn)黑白（可變掃描），步進(jìn)掃描（progressive-scan

14、）或線掃描。2 .燈光燈光用于照亮部件，以便從攝像頭中拍攝到更好的圖像，燈光系統(tǒng)可以在不同形狀、尺寸和亮度。一般的燈光形式是高頻熒光燈、LED白熾燈和石英鹵（quartz-halogen）光纖。3 .部件傳感器通常以光柵或傳感器的形式出現(xiàn)。當(dāng)這個傳感器感知到部件靠近，它會給出一個觸發(fā)信號。當(dāng)部件處于正確位置時，這個傳感器告訴機器視覺系統(tǒng)去采集圖像。:4 .圖像采集卡也稱為視頻抓取卡，這個部件通常是一張插在PC上的卡。這張采集卡的作用將攝像頭與PC連接起來。它從攝像頭中獲得數(shù)據(jù)（模擬信號或數(shù)字信號），然后轉(zhuǎn)換成PC能處理的信息。一它同時可以提供控制攝像頭參數(shù)（例如觸發(fā)、曝光時間、快門速度等等）的

15、信號。圖像采集卡形式很多，支持不同類型的攝像頭，不同的計算機總線。5 .PC平臺計算機是機器視覺的關(guān)鍵組成部分。應(yīng)用在檢測方面，通常使用Pentium或更高的CPU。一般來講，計算機的速度越快，視覺系統(tǒng)處理每一張圖片的時間就越短。由于在制造現(xiàn)場中，經(jīng)常有振動、灰塵、熱輻射等等，所以一般需要工業(yè)級的計算機。6 .檢測軟件機器視覺軟件用于創(chuàng)建和執(zhí)行程序、處理采集回來的圖像數(shù)據(jù)、以及作出“通過/失敗（PASS/FAIL）”決定。機器視覺有多種形式（C語言庫、ActiveX控件、點擊編程環(huán)境等等），可以是單一功能（例如設(shè)計只用來檢測LCD或BGA對齊任務(wù)等等），也可以是多功能（例如設(shè)計一個套件，包含計

16、量、條形碼閱讀、機器人導(dǎo)航、現(xiàn)場驗證等等）7 .數(shù)字I/O和網(wǎng)絡(luò)連接一旦系統(tǒng)完成這個檢測部分，這部分必須能與外界通信，例如需要控制生產(chǎn)流程、將“通過/失敗（PASS/FAID”的信息送給數(shù)據(jù)庫。通常，使用一張數(shù)字I/O板卡和（或）一張網(wǎng)卡來實現(xiàn)機器視覺系統(tǒng)與外界系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫的通信。配置一個基于PC的機器視覺系統(tǒng)認(rèn)真的計劃和注意細(xì)節(jié)能幫助你確保你的檢測系統(tǒng)符合你的應(yīng)用需求。如下是你必需考慮的幾點：確定你的目標(biāo)，這可能是最重要的一步?jīng)Q定在這個檢測任務(wù)中你需要實現(xiàn)什么，檢測任務(wù)通常分為如下幾類：測量或計量讀取字符或編碼（條形碼）信息。檢測物體的狀態(tài)認(rèn)知和識別特殊的特性模式識別將物體與模板進(jìn)行對比或匹

17、配為機器或機器人導(dǎo)航檢測流程可以包含只有一個操作或包含多個與檢測任務(wù)相關(guān)的任務(wù)。為了確認(rèn)你的任務(wù)，首先你應(yīng)該明確為了最大限度檢測部件你需要做的測試，也就是你能考慮到會出現(xiàn)的缺陷。二為了明確什么哪個才是最重要的，最好做一張評估表，列出“必須做”和“可以做”的測試。一旦主要的對測試標(biāo)準(zhǔn)滿意，隨后可以將更多的測試加進(jìn)去來改善檢測過程，一定要記住，添加測試的同時也會增加檢測的時間。確定你需要的速度-系統(tǒng)檢測每一個部件需要多少時間？這個不只是由PC的速度決定，還受生產(chǎn)流水線速度的影響。很多機器視覺包含了時鐘/計時器，所以檢測操作的每一步所需要的時間都可以準(zhǔn)確測量，從這些數(shù)據(jù)，我們就可以修改我們的程序以滿

18、足時間上的要求。通常，一個基于PC的機器視覺系統(tǒng)每一秒可以檢測20-25個部件，與檢測部件的多少和處理程序以及計算機的速度有密切關(guān)系。聰明地選擇你的硬件一套機器視覺系統(tǒng)的性能與它的部件密切相關(guān)。在選擇的過程中，有很多捷徑特別在光學(xué)成像上可能很大程度降低系統(tǒng)的效率。如下是在選擇部件時你必須緊記的幾個基本原則。1 .攝像頭攝像頭的選擇與應(yīng)用的需求直接相關(guān)，通?？紤]三點：a）黑白還是彩色；b）部件/目標(biāo)的運動；G）圖像分辨率。柞檢測應(yīng)用中大部分使用黑白攝像頭，因為黑白圖像能提供90%可視數(shù)據(jù)，并且比彩色便宜。彩色攝像頭主要用于一些需要分析彩色圖像的場合里。根據(jù)部件在檢測時是否移動，決定我們選擇標(biāo)準(zhǔn)隔

19、行掃描攝像頭還是逐行掃描攝像頭。另外，圖像的分辨率必須足夠高，以提供檢測任務(wù)需要的足夠的數(shù)據(jù)。最后，攝像頭必須質(zhì)量好和可以避免工業(yè)現(xiàn)場中的振動、灰塵和熱的影響。J2 .光學(xué)部件和照明這個至關(guān)重要的因素往往被人所忽略。當(dāng)你使用一個很差的光學(xué)部件或照明，就算你使用最好的機器視覺系統(tǒng)，它表現(xiàn)出的性能甚至比不上一個配上良好光學(xué)部件和適當(dāng)照明的低能力系統(tǒng)。光學(xué)部件的目標(biāo)是產(chǎn)生最好和最大可用面積的圖像，并且提供最好的圖像分辨率。照明的目標(biāo)是照亮需要測量或檢測的部分的關(guān)鍵特征。通常，照明系統(tǒng)的設(shè)計由如下因素決定：顏色、紋理、尺寸、外形、反射率等等。等等。使用模擬輸入的圖像采集卡，目標(biāo)是盡量不變地將攝像頭采集

20、的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。使用不正確的圖像采集卡可能得到錯誤的數(shù)據(jù)。工業(yè)用的圖像采集卡通常用于檢測任務(wù)，多媒體采集卡由于它通過自動增益控制、邊沿增強和顏色增強電路來更改圖像數(shù)據(jù)，所以不用在這個領(lǐng)域里。使用數(shù)字輸入的圖像采集卡的目標(biāo)是將攝像頭輸出的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并輸送到PC中作處理。一皆慮各種變化：人類的眼睛和大腦可以在不同的條件下識別目標(biāo)，但是機器視覺系統(tǒng)就不是這樣多才多藝了，它只能按程序編寫的任務(wù)來工作。了解你的系統(tǒng)能看到什么和不能看到什么能幫助你避免失敗（例如將好的部件認(rèn)為是壞的）或其它檢測錯誤。一般要考慮的包括部件顏色、周圍光線、焦點、部件的位置和方向和背景顏色的大變化。正確選擇軟件：機器視覺軟件是檢測系統(tǒng)中的智能部分，也是最核心的部分。軟件的選擇決定了你編寫調(diào)試檢測程序的時間、檢測操作的性能等等。機器視覺提供了圖形化編程界面（通常稱為“Point&Click”）通常