機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用秦亞航1，蘇建歡2，余榮川1(1.廣西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，廣西柳州545006;2.河池學(xué)院，廣西宜州643006)【摘要】機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。隨著信號(hào)處理理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)迅速發(fā)展。本文介紹了機(jī)器視覺(jué)的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，其中包括光源照明技術(shù)、光學(xué)鏡頭、攝像機(jī)及圖像采集卡、圖像信號(hào)處理、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，并論述了其主要的應(yīng)用領(lǐng)域以及存在的一些問(wèn)題?！娟P(guān)鍵詞】機(jī)器視覺(jué)；圖像采集；圖像處理DevelopmentofMachineVisionandApplicationsQINYa-hang1，QINWei-nian，SUJian-huan2，YURong-chuan1（CollegeofElectricalandInformationEngineering，GuangxiUniversityofScienceandTechnology，Liuzhou545006，China；HeChiUniversiry，Yizhou643006，China）【Abstract】Thecharacteristicsofthemachinevisionsystemistoimprovetheflexibilityandautomationofproduction.Withthedevelopmentofsignalprocessingtheoryandcomputertechnology,thetechnologyisdevelopingrapidly.Thispaperintroducesthedevelopmentstatusofthekeytechnologyofmachinevision,includinglightingtechnology,opticallens,cameraandimageacquisitioncard,imagesignalprocessing,actuators,etc,anddiscussesitsmainapplicationfieldandsomeproblems.【Keywords】Machinevision;Imageacquisition;Theimageprocessing0前言機(jī)器視覺(jué)可以理解為基于視覺(jué)技術(shù)的機(jī)器系統(tǒng)或?qū)W科。美國(guó)制造工程協(xié)會(huì)機(jī)器視覺(jué)分會(huì)和美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)的自動(dòng)化視覺(jué)分會(huì)對(duì)機(jī)器視覺(jué)下的定義為：“機(jī)器視覺(jué)是通過(guò)光學(xué)裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接受和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，通過(guò)分析圖像獲得所需信息或用于控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)的裝置”[1]。機(jī)器視覺(jué)是計(jì)算機(jī)學(xué)科的一個(gè)重要分支，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識(shí)別、人工智能、信號(hào)處理、光機(jī)電一體化等多個(gè)領(lǐng)域。圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，也大大地推動(dòng)了機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展。1機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展歷史模式識(shí)別：起源于20世紀(jì)50年代的機(jī)器視覺(jué)，早期研究主要是從統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別開(kāi)始，工作主要集中在二維圖像分析與識(shí)別上，如光學(xué)字符識(shí)別OCR、工件表面圖片分析、顯微圖片和航空?qǐng)D片分析與解釋。積木世界：20世界60年代的研究前沿是以理解三維場(chǎng)景為目的的三維機(jī)器視覺(jué)。1965年，Roberts從數(shù)字圖像中提取出諸如立方體、楔形體、棱柱體等多面體的三維結(jié)構(gòu)，并對(duì)物體形狀及物體的空間關(guān)系進(jìn)行描述。他的研究工作開(kāi)創(chuàng)了以理解三維場(chǎng)景為目的的三維機(jī)器視覺(jué)的研究。起步發(fā)展：1977年，DavidMarr教授在麻省理工大學(xué)的人工智能實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)以博士生為主體的研究小組，于1977年提出了不同于“積木世界”分析方法的計(jì)算視覺(jué)理論，該理論在80年代成為機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域中的一個(gè)十分重要的理論框架。蓬勃發(fā)展：20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)90年代中期，機(jī)器視覺(jué)獲得蓬勃的發(fā)展，新概念，新方法，新理論不斷涌現(xiàn)。在中國(guó)，視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)始于20世紀(jì)90年代，但在各行業(yè)的應(yīng)用幾乎一片空白。到21世紀(jì)，視覺(jué)技術(shù)開(kāi)始在自動(dòng)化行業(yè)成熟應(yīng)用，如華中科技大學(xué)在印刷在線檢測(cè)設(shè)備與浮法玻璃缺陷在線檢測(cè)設(shè)備研發(fā)的成功，打破了歐美在該行業(yè)的壟斷地位。國(guó)內(nèi)視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)日益成熟，真正高端的應(yīng)用也正在逐步發(fā)展[2]。2機(jī)器視覺(jué)的關(guān)鍵技術(shù)典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般包括如下部分：光源，光學(xué)成像系統(tǒng)，圖像捕捉系統(tǒng)，圖像采集與數(shù)字化，智能圖像處理與決策，控制執(zhí)行模塊等。如下圖所示圖1典型工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)目前機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，主要有1、引導(dǎo)和定位：上下料使用機(jī)器視覺(jué)來(lái)定位，引導(dǎo)機(jī)械手臂準(zhǔn)確抓取。2、外觀檢測(cè)：檢測(cè)生產(chǎn)線上產(chǎn)品有無(wú)質(zhì)量問(wèn)題，該環(huán)節(jié)也是取代人工最多的環(huán)節(jié)。3、高精度檢測(cè)：有些產(chǎn)品的精密度較高，達(dá)到0.01～0.02m，甚至μ級(jí)，是人眼無(wú)法檢測(cè)出來(lái)的，必須使用機(jī)器來(lái)完成。4、識(shí)別：數(shù)據(jù)的追溯和采集，在汽車零部件、食品、藥品等應(yīng)用較多。3.2圖像自動(dòng)解釋?xiě)?yīng)用對(duì)放射圖像、顯微圖像、醫(yī)學(xué)圖像、遙感多波段圖像、合成孔徑雷達(dá)圖像、航天航測(cè)圖像等的自動(dòng)判讀理解。由于近年來(lái)技術(shù)的發(fā)展，圖像的種類和數(shù)量飛速增長(zhǎng)，圖像的自動(dòng)理解已成為解決信息膨脹問(wèn)題的重要手段。3.3軍事應(yīng)用軍事領(lǐng)域是對(duì)新技術(shù)最渴望、最敏感的領(lǐng)域，對(duì)于機(jī)器視覺(jué)同樣也不例外。最早的視覺(jué)和圖像分析系統(tǒng)就是用于偵察圖像的處理分析和武器制導(dǎo)。機(jī)器視覺(jué)廣泛應(yīng)用于航空著陸姿勢(shì)、起飛狀態(tài)；彈道/火箭噴射、子彈出膛、火炮發(fā)射；爆破分析炮彈爆炸、破片分析、爆炸防御；撞擊、分離以及各種武器性能測(cè)試分析，點(diǎn)火裝置工作過(guò)程等。4機(jī)器視覺(jué)面臨的問(wèn)題對(duì)于人的視覺(jué)來(lái)說(shuō)，由于人的大腦和神經(jīng)的高度發(fā)展，其目標(biāo)識(shí)別能力很強(qiáng)。但是人的視覺(jué)也同樣存在障礙例如，即時(shí)具有敏銳視覺(jué)和高度發(fā)達(dá)頭腦的人，一旦置身于某種特殊環(huán)境（即時(shí)曾經(jīng)具備一定的先驗(yàn)知識(shí)），其目標(biāo)識(shí)別能力也會(huì)急劇下降。將人的視覺(jué)引入機(jī)器視覺(jué)中，機(jī)器視覺(jué)也存在著這樣的障礙。它主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：一是如何準(zhǔn)確、高速（實(shí)時(shí)）地識(shí)別出目標(biāo)；二是如何有效地增大存儲(chǔ)容量，以便容納下足夠細(xì)節(jié)的目標(biāo)圖像；三是如何有效地構(gòu)造和組織出可靠的識(shí)別算法，并順利地實(shí)現(xiàn)。前兩者相當(dāng)于人的大腦這樣的物質(zhì)基礎(chǔ)，這期待著高速的陣列處理單元，以及算法（如神級(jí)網(wǎng)絡(luò)、分維算法、小波變換等算法）的新突破，用極少的計(jì)算量及高度的并行性實(shí)現(xiàn)功能。另外，由于當(dāng)前對(duì)人類視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)理、人腦心理和生理的研究還不夠，目前人們所建立的各種視覺(jué)系統(tǒng)絕大多數(shù)是只適用于某一特定環(huán)境或應(yīng)用場(chǎng)合的專用系統(tǒng)，而要建立一個(gè)可與人類的視覺(jué)系統(tǒng)相比擬的通用視覺(jué)系統(tǒng)是非常困難的。正因?yàn)槿绱?，賦予機(jī)器以人類視覺(jué)功能是幾十年來(lái)人們不懈追求和奮斗的目標(biāo)[6]。5結(jié)束語(yǔ)由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。但是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)比較復(fù)雜，最大的困難在于人的視覺(jué)機(jī)制尚不清楚。盡管每一個(gè)正常人都是“視覺(jué)專家”，卻不可能用\o"內(nèi)省法"內(nèi)省法來(lái)描述自己的視覺(jué)過(guò)程。因此建立機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是十分困難的任務(wù)?？梢灶A(yù)計(jì)的是，隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，它將在現(xiàn)代和未來(lái)制造企業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】[1]張?jiān)?吳曉君,馬廷武,龐連軍.基于機(jī)器視覺(jué)的零件圖像采集及識(shí)別的研究[J].電子工程，2006:32(10):29.[2]郭靜,羅華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