機器視覺的現狀及發展趨勢

機器視覺是一門涉及人工智能、神經生物學、心理物理學、計算機科學、圖像處理、模式識別等諸多領域的交叉學科。機器視覺主要利用計算機來模擬人或再現與人類視覺有關的某些智能行爲，從客觀事物的圖像中提取信息進行處理，並加以理解，最終用於實際檢測和控制。主要應用於如工業檢測、工業探傷、精密測控、自動生產線、郵政自動化、糧食選優、顯微醫學操作以及各種危險場合工作的機器人等。一個典型的機器視覺應用系統包括圖像捕捉、光源系統、圖像數字化模塊、數字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機械控制執行模塊，如圖1所示。首先採用CCD攝像機獲得被測目標的圖像信號，然後通過A/D轉換成數字信號傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分佈、亮度和色彩等信息，進行各種運算來抽取目標的特徵，然後再根據預設的判別標準輸出判斷結果，去控制驅動執行機構進行相應處理。

圖1.典型工業機器視覺系統

1 機器視覺關鍵技術的發展現狀

圖1表明機器視覺是一項綜合技術，包括圖像處理、機械工程技術、控制、電光源照明、光學成像、傳感器、模擬與數字視頻技術、計算機軟硬件技術(圖像增強和分析算法、圖像卡、I/O卡等)。這些技術在機器視覺中是並列關係，相互協調應用才能構成一個完整的工業機器視覺應用系統。機器視覺強調能夠適應工業現場惡劣的環境、有合理的性價比、較強的通用性和可移植性，即實用性；它更強調高速度和高精度，即實時性。

機器視覺應用系統中，用到很多技術，但關鍵技術主要體現在光源照明、光學鏡頭、攝像機(CCD)、圖像採集卡、圖像信號處理以及執行機構等。下面對這些關鍵技術的發展現狀進行闡述。

1.1 光源照明

好的光源和照明是目前機器視覺應用系統成敗的關鍵，應當具有以下特徵：①儘可能突出目標的特徵，在物體需要檢測的部分與非檢測部分之間儘可能產生明顯的區別，增加對比度；②保證足夠的亮度和穩定性；③物體位置的變化不應影響成像的質量。
光源按其照射方法可分爲背向照明、前向照明、結構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之間，其優點是能獲得高對比度的圖像;前向照明是光源和攝像機位於被測物的同側，這種方式便於安裝;結構光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據它們所產生的畸變，解調出被測物的三維信息;頻閃光照明是將高頻率的光脈衝照射到物體上，攝像機拍攝要求與光源同步，這樣能有效地拍攝高速運動物體的圖像。照明亮度、均勻度、發光的光譜特性要符合實際的要求，同時還要考慮光源的發光效率和使用壽命。

其中，LED光源具有顯色性好、光譜範圍寬(可覆蓋整個可見光範圍)、發光強度高、穩定時間長等優點，而且隨着製造技術的成熟，其價格越來越低，必將在現代機器視覺領域得到越來越廣泛的應用。

1.2 光學鏡頭

光學鏡頭一般稱爲攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡稱鏡頭，其功能就是光學成像。鏡頭是系統中的重要組件，對成像質量有着關鍵性的作用，在組建機器視覺系統時，硬件設備要根據實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參數。

1.3 CCD攝像機及圖像採集卡

CCD(Chargecoupleddevice)攝像機及圖像採集卡共同完成對目標圖像的採集與數字化。目前，CCD、CMOS等固體器件已經是成熟的應用技術。線陣圖像敏感器件，像元尺寸不斷減小，陣列像元數量不斷增加，像元電荷傳輸速率得到極大提高。表3所示爲一種高性能線陣CCD器件的參數。從中可以看到，線陣器件像元數和數據的傳輸率大大提高，而且器件設計集成了新的功能，具有可編程能力，如增益調整、曝光時間選擇、速率調節以及維護等。

在線陣器件性能提高的同時，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1280@1024像素，最大幀率1MHz，可採集4幀圖像，且像素靈敏度達12bits。

在基於PC機的機器視覺系統中，圖像採集卡是控制攝像機拍照完成圖像採集與數字化，協調整個系統的重要設備。一般具有以下功能模塊：①圖像信號的接收A/D轉換模塊，負責圖像放大與數字化；②攝像機控制輸入輸出接口，主要負責協調攝像機進行同步或實現異步重置拍照、定時拍照；③總線接口，負責通過計算機內部總線高速輸出數字數據，一般是PCI接口，傳輸速率可達130Mbps，完全能勝任高精度圖像的實時傳輸，且佔用較少的CPU時間；④顯示模塊，負責高質量的圖像實時顯示；⑤通訊接口，負責通訊。

目前，圖像採集卡種類很多，按照不同的分類方法，有黑白圖像和彩色圖像採集卡，有模擬信號和數字信號採集卡，有複合信號和RGB分量信號輸入採集卡。在選擇圖像採集卡時，主要應考慮到系統的功能需求、圖像的採集精度和與攝像機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器視覺系統的核心。視覺信息的處理技術主要依賴於圖像處理方法，它包括圖像變換、數據編碼壓縮、圖像增強復原、平滑、邊緣銳化、分割、特徵抽取、圖像識別與理解等內容。隨着計算機技術、微電子技術以及大規模集成電路的發展，爲了提高系統的實時性，圖像處理的很多工作都可以藉助硬件完成，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複雜、不太成熟或尚需不斷探索和改進的部分。
處理時間上，要求處理速度必須大於等於採集速度，才能保證目標圖像無遺漏，完成實時處理。

1.5 執行機構

要實現工業領域機器視覺系統的最終目的還需執行機構來完成。不同的應用場合，執行機構可能不同，比如機電系統、液壓系統、氣動系統，無論哪一種，除了要嚴格保證其加工製造和裝配的精度外，在設計時還應對動態特性，尤其是快速性和穩定性給予充分重視。

2 機器視覺技術的應用

視覺技術的最大優點是與被觀測對象無接觸，因此，對觀測與被觀測者都不會產生任何損傷，十分安全可靠，這是其它感覺方式無法比擬的。理論上，人眼觀察不到的範圍機器視覺也可以觀察，例如紅外線、微波、超聲波等，而機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，人無法長時間地觀察對象，機器視覺則無時間限制，而且具有很高的分辨精度和速度。所以，機器視覺應用領域十分廣泛，可分爲工業、科學研究、軍事和民用4大領域。

2.1 工業領域

工業領域是機器視覺應用中比重最大的領域，按照功能又可以分成4類：產品質量檢測、產品分類、產品包裝、機器人定位。其應用行業包括印刷包裝、汽車工業、半導體材料/元器件/連接器生產、藥品/食品生產、菸草行業、紡織行業等。

下面以紡織行業爲例具體闡述機器視覺在工業領域的應用。在紡織企業中，視覺檢測是工業應用中質量控制的主要組成部分，用機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。正是由於視覺系統的高效率和非接觸性，機器視覺在紡織檢測中的應用越來越廣泛，在許多方面已取得了成效。機器視覺可用於檢測與紡織材料表面有關的性能指標見表4。目前主要的研究內容可分爲3大類：纖維、紗線、織物。由於織物疵點檢測(在線檢測)需要很高的計算速度，因此，設備費用比較昂貴。目前國內在線檢測的應用比較少，主要應用是離線檢測(如表4)，主要的檢測有紡織布料識別與質量評定、織物表面絨毛鑑定、織物的反射特性、合成紗線橫截面分析、紗線結構分析等。此外還可用於織物組織設計、花型紋板、棉粒檢測、分析紗線表面摩擦。

2.2 民用領域

機器視覺技術可用在智能交通、安全防範、文字識別、身份驗證、醫療設備等方面。在醫學領域，機器視覺用於輔助醫生進行醫學影像的分析，主要利用數字圖像處理技術、信息融合技術對x射線透視圖、核磁共振圖像、CT圖像進行適當疊加，然後進行綜合分析，以及對其它醫學影像數據進行統計和分析。

2.3 科學研究領域

在科學研究領域可以利用機器視覺進行材料分析、生物分析、化學分析和生命科學，如血液細胞自動分類計數、染色體分析、癌症細胞識別等。

2.4 軍事領域

視覺技術可用在航天、航空、兵器(敵我目標識別、跟蹤)及測繪。在衛星遙感系統中，機器視覺技術被用於分析各種遙感圖像，進行環境監測，根據地行、地貌的圖像和圖形特徵，對地面目標進行自動識別、理解和分類等。

3 機器視覺發展趨勢

3.1 價格持續下降

目前，在我國機器視覺技術還不太成熟，主要靠進口國外整套系統，價格比較昂貴。隨着技術的進步和市場競爭的激烈，價格下降已成必然趨勢，這意味着機器視覺技術將逐漸被接受。

3.2 功能逐漸增多

更多功能的實現主要是來自於計算能力的增強，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步提升的同時，其價格也在下降，這推動了更快的總線的出現，而總線又反過來允許具有更多數據的更大圖像以更快的速度進行傳輸和處理。

3.3 產品小型化

產品的小型化趨勢讓這個行業能夠在更小的空間內包裝更多的部件，這意味着機器視覺產品變得更小，這樣他們就能夠在廠區所提供的有限空間內應用。例如在工業配件上LED已經成爲主導光源，它的小尺寸使成像參數的測定變得容易，他們的耐用性和穩定性非常適用於工廠設備。

3.4 集成產品增多

智能相機的發展預示了集成產品增多的趨勢。智能相機是在一個單獨的盒內集成了處理器、鏡頭、光源、輸入/輸出裝置及以太網。電話和PDA推動了更快、更便宜的精簡指令集計算機(RISC)的發展，這使智能相機和嵌入式處理器的出現成爲可能。同樣，現場可編程門列陣(FPGA)技術的進步爲智能相機增添了計算功能，併爲PC機嵌入了處理器和高性能楨採集器。智能相機結合處理大多數計算任務的FPGA，DSP和微處理器則會更具有智能性。小型化與集成產品正在一起爲實現/芯片上的視覺系統0的最終目標而努力。尺寸更小、更密集的存儲卡及成像器分辨率的提高有助於智能相機的開發和擴展。

4 結語

機器視覺技術經過20年的發展，已成爲一門新興的綜合技術，在社會諸多領域得到廣泛應用。大大提高了裝備的智能化、自動化水平，提高了裝備的使用效率、可靠性等性能。隨着新技術、新理論在機器視覺系統中的應用，機器視覺將在國民經濟的各個領域發揮更大的作用。