機(jī)器視覺(jué)技術(shù)發(fā)展及其工業(yè)應(yīng)用

薛峰　陳川

摘要：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是由多學(xué)科交叉形成的新興學(xué)科，在眾多領(lǐng)域均有所應(yīng)用。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷提升，科學(xué)技術(shù)得到了迅猛的發(fā)展，該學(xué)科在理論與實(shí)踐上有了迅猛的發(fā)展。文章簡(jiǎn)要地闡述了機(jī)器視覺(jué)中的關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展的狀況，同時(shí)綜合性地?cái)⑹隽似湓诠I(yè)上的應(yīng)用，以期時(shí)今后該學(xué)科的研究與應(yīng)用有所幫助。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)技術(shù)；計(jì)算機(jī)視覺(jué)；自動(dòng)檢測(cè)；圖像信號(hào)處理；工業(yè)應(yīng)用

從字面意思理解，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)來(lái)替代人的視覺(jué)，換句話說(shuō)，也就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)代替人的視覺(jué)來(lái)對(duì)現(xiàn)實(shí)事物進(jìn)行三維判定。該項(xiàng)技術(shù)是人工智能中一門重要的處于蓬勃發(fā)展中的分支學(xué)科。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是由計(jì)算機(jī)、人工智能、神經(jīng)生物學(xué)、圖像處理、心理物理學(xué)等眾多學(xué)科相交叉產(chǎn)生的一門新興學(xué)科。該項(xiàng)技術(shù)有著速度快、精度高、噪音小、抗擾能力強(qiáng)、使用方便等諸多優(yōu)勢(shì)，可以在相對(duì)惡劣的條件下進(jìn)行工作，可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和降低勞動(dòng)成本。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)中。

1 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 光源照明技術(shù)

選取的光源和照明方案的效果好壞直接影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的成功與否。優(yōu)質(zhì)的光源和照明方案要盡可能做到突出物體特征、又有極高的對(duì)比度、確保整體亮度等。通常情況下選取透射光或反射光。在選擇照明設(shè)備時(shí)要滿足幾何形狀的要求，并要對(duì)其使用壽命進(jìn)行考慮。

1.1.1 光學(xué)鏡頭

光學(xué)鏡頭在進(jìn)行成像時(shí)的質(zhì)量將會(huì)對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的使用有著直接的影響。一般情況下，光學(xué)鏡頭有定焦和變焦兩類。在相同的檔次下，定焦比變焦的成像要更好，所以優(yōu)先選取變焦鏡頭。另外，還要考慮焦距、接口等因素。

1.1.2 攝像機(jī)

在獲取圖像時(shí)通常有主動(dòng)和被動(dòng)視覺(jué)兩類。攝像機(jī)是最為常用的被動(dòng)視覺(jué)元件，主要的核心在于電子耦合器。電子耦合器有著質(zhì)量輕、體積小、成像清晰、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在機(jī)器視覺(jué)中有著廣泛的應(yīng)用。

1.1.3 圖像采集卡

圖像采集卡是連接圖像采集與處理部分的重要元件。因?yàn)樵谶M(jìn)行圖像信號(hào)傳輸時(shí)要求傳輸速度極高，一般的傳輸接口無(wú)法達(dá)到需求，這便是需要使用圖像采集卡的重要原因。部分高檔的圖像采集卡擁有DPS處理模塊，可以對(duì)圖像進(jìn)行一定的提前處理。

1.2 信號(hào)處理

對(duì)已經(jīng)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，這是機(jī)器視覺(jué)技術(shù)中最為關(guān)鍵的一步。現(xiàn)在多數(shù)的較為先進(jìn)的處理技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于其中。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，眾多的計(jì)算機(jī)、微電子和集成電路技術(shù)不斷進(jìn)步，為圖像處理提供了優(yōu)質(zhì)的硬件支持。

1.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)是可以使機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其功能的最后元件。要確保其在進(jìn)行制作與安裝過(guò)程中的精度，此外在設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮穩(wěn)定性等。但是由于現(xiàn)在以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)尚未進(jìn)行模塊化，安裝上存在困難，尤其是工業(yè)上已經(jīng)大量使用的PLC接口進(jìn)行連接時(shí)存在問(wèn)題。

2 應(yīng)用于工業(yè)上的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

視覺(jué)技術(shù)最重要的優(yōu)勢(shì)便是可以不與被觀測(cè)物體直接接觸，不會(huì)對(duì)觀測(cè)者與被觀測(cè)對(duì)象造成損害，非常安全，這是其他感官所無(wú)法替代的。通常來(lái)講，人類肉眼無(wú)法觀測(cè)到的機(jī)器視覺(jué)是完全可以辦到的，也就是可以擴(kuò)大肉眼的視覺(jué)范圍。而且機(jī)器可以在人類無(wú)法適應(yīng)的環(huán)境下進(jìn)行工作，沒(méi)有疲勞地進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的工作，因此可以應(yīng)用于眾多的長(zhǎng)時(shí)間工作于惡劣環(huán)境中。但是，當(dāng)前的機(jī)器視覺(jué)尚處于對(duì)平面圖像的識(shí)別與處理，對(duì)于立體的成像相對(duì)有限。

2.1 在自動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用

自動(dòng)檢測(cè)是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中的極其重要的步驟。機(jī)器視覺(jué)已經(jīng)廣泛使用于自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，檢測(cè)方式主要有兩種方式，即幾何測(cè)量測(cè)試與自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)。

在制造技術(shù)中有著不可替代作用的技術(shù)便是幾何測(cè)量技術(shù)。以前使用的測(cè)量技術(shù)在讀數(shù)時(shí)非常繁瑣，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，人工測(cè)量時(shí)有著極大的誤差，自動(dòng)化程度不高。測(cè)量技術(shù)在測(cè)試領(lǐng)域是新發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，它的發(fā)展有著視覺(jué)技術(shù)推動(dòng)的結(jié)果。當(dāng)前時(shí)期主要有工業(yè)CT、激光掃描、激光雷達(dá)、結(jié)構(gòu)光測(cè)量等方式，它們均有著自身的優(yōu)勢(shì)與不足。自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)主要在產(chǎn)品外形或表面探傷上進(jìn)行應(yīng)用，這類系統(tǒng)的技術(shù)相對(duì)較為成熟。

2.2 在智能裝配中的應(yīng)用

在當(dāng)今社會(huì)的工業(yè)生產(chǎn)中，裝配工作占整個(gè)商品生產(chǎn)過(guò)程中的主要部分，而且裝配質(zhì)量的好壞將會(huì)直接影響產(chǎn)品的性能。裝配工作因?yàn)橛兄鴱?fù)雜以及多樣性的特點(diǎn)，在對(duì)其應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)過(guò)程中存在諸多的困難。視覺(jué)系統(tǒng)可以極大地減少產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間，在不進(jìn)行更改硬件的基礎(chǔ)上對(duì)各類零部件進(jìn)行相應(yīng)的處理。機(jī)器視覺(jué)技術(shù)不但能夠完成相對(duì)簡(jiǎn)單的工作，而且可以在極其惡劣或者有害的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行裝配工作的展開(kāi)。當(dāng)前時(shí)期在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)引進(jìn)了大量的含有視覺(jué)系統(tǒng)的機(jī)器人進(jìn)行工作。目前對(duì)于裝配過(guò)程中機(jī)器視覺(jué)的難點(diǎn)在于對(duì)立體物體的識(shí)別與定位，今后的主要研究方向是三維重建以及立體匹配。

3 視覺(jué)伺服系統(tǒng)

視覺(jué)可以進(jìn)行不需接觸便可以測(cè)量的特點(diǎn)使其在伺服系統(tǒng)中有著非常重要的作用。一種較為普遍的應(yīng)用便是使視覺(jué)傳感與操作結(jié)合于同一個(gè)開(kāi)環(huán)的系統(tǒng)內(nèi)，伺服系統(tǒng)的精確度只由視覺(jué)傳感以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)二者的精確度進(jìn)行影響。它的視覺(jué)控制使用的是開(kāi)環(huán)視覺(jué)方式，也就是說(shuō)，將圖像中包含物體的特征進(jìn)行提取，同時(shí)利用該信息進(jìn)行相應(yīng)執(zhí)行，機(jī)構(gòu)會(huì)有所反映，這里的視覺(jué)信息只是作為指令來(lái)進(jìn)行使用。通常根據(jù)誤差信號(hào)對(duì)視覺(jué)伺服系統(tǒng)進(jìn)行分類，可以分為以位置和圖像為基礎(chǔ)以及混合兩種形式的系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r的研究，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)大力發(fā)展與研究的方向。眾多行業(yè)對(duì)其的需求成為推動(dòng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)向前發(fā)展的動(dòng)力源。我國(guó)的理論研究已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平，但是實(shí)際應(yīng)用卻有所不足。對(duì)此，我國(guó)要對(duì)國(guó)際上的發(fā)展情況加以跟進(jìn)，結(jié)合我國(guó)包括工、農(nóng)、醫(yī)、軍事、交通等各行業(yè)的實(shí)際情況展開(kāi)對(duì)視覺(jué)技術(shù)的研究，進(jìn)行視覺(jué)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況的研究，促進(jìn)機(jī)器視覺(jué)化在我國(guó)的快速發(fā)展，增加實(shí)際應(yīng)用的能力，以此推動(dòng)我國(guó)現(xiàn)代化的建設(shè)水平。