機(jī)器視覺，智造之眼

 機(jī)器視覺（Machine Vision）作為光電技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)特定領(lǐng)域，目前已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)備受矚目的行業(yè)。隨著工業(yè)4.0浪潮襲來，機(jī)器視覺會擺脫最初“輔助工具”的地位成為生產(chǎn)系統(tǒng)的“眼睛”與“大腦”。

一、機(jī)器視覺概念及其產(chǎn)生背景

   機(jī)器視覺技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)重要分支，它涉及到計(jì)算機(jī)、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光學(xué)、機(jī)械等多個(gè)領(lǐng)域，其目的就是給機(jī)器或者自動生產(chǎn)線添加一套視覺系統(tǒng)。機(jī)器視覺是采用機(jī)器代替人眼來做測量與判斷，通過計(jì)算機(jī)攝取圖像來模擬人的視覺功能，實(shí)現(xiàn)人眼視覺的延伸。通過機(jī)器視覺產(chǎn)品即（工業(yè)相機(jī)）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度，在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

   在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺已經(jīng)開始慢慢取代人工視覺。特別是隨著工業(yè)4.0的進(jìn)一步推廣，這一趨勢愈加明顯。越來越多的從業(yè)者投入到芯片技術(shù)、圖像算法和圖形處理等技術(shù)中，機(jī)器視覺呈現(xiàn)階躍式狀態(tài)，與此同時(shí)也助推了機(jī)器視覺更高速、良性的發(fā)展方向。機(jī)器視覺作為近20多年的新興技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，它的發(fā)展大大提高了工業(yè)生產(chǎn)過程中的靈活性和智能性水平。特別是近幾年中國的視覺類產(chǎn)品以及專門從事視覺產(chǎn)品、設(shè)備銷售和研發(fā)的公司更是如雨后春筍般，公眾對視覺的接受度和依賴度越來越高。

二、機(jī)器視覺行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

   機(jī)器視覺的概念起始于20世紀(jì)60年代，最先的應(yīng)用來自"機(jī)器人"的研制。最早基于視覺的機(jī)器系統(tǒng)，先由視覺系統(tǒng)采集圖像并進(jìn)行處理，然后通過計(jì)算估計(jì)目標(biāo)的位置來控制機(jī)器運(yùn)動。1979年提出了視覺伺服（Visual Servo）概念，即可以將視覺信息用于連續(xù)反饋，提高視覺定位或追蹤的精度。在國外，機(jī)器視覺的應(yīng)用普及主要體現(xiàn)在半導(dǎo)體及電子行業(yè)，其中大概40%-50%都集中在半導(dǎo)體行業(yè)。從全球產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，國際機(jī)器視覺市場正處于產(chǎn)業(yè)成熟期，未來3～5年歐美日機(jī)器視覺技術(shù)仍將有不斷創(chuàng)新，國際機(jī)器視覺市場規(guī)模有望繼續(xù)增長。

   縱觀中國的機(jī)器視覺行業(yè)，始終是伴隨著中國工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展而發(fā)展起來的。中國的機(jī)器視覺起步相對較晚，從20世紀(jì)90年代末開始起步，直到2009年以后才正式進(jìn)入高速發(fā)展期。其間經(jīng)歷了啟蒙階段、發(fā)展階段、快速發(fā)展階段、逐步成熟階段。究其主要原因?yàn)椋瑱C(jī)器視覺行業(yè)本身屬于新興的領(lǐng)域，加之機(jī)器視覺產(chǎn)品技術(shù)的普及不夠，導(dǎo)致以上各行業(yè)的應(yīng)用幾乎空白。

   目前國內(nèi)機(jī)器視覺大多為國外品牌，國內(nèi)大多機(jī)器視覺公司基本上是靠代理國外各種機(jī)器視覺品牌起家。近年來，隨著各大高校及企業(yè)紛紛投入研發(fā)，國內(nèi)機(jī)器視覺專利數(shù)量逐年增加，國內(nèi)機(jī)器視覺公司規(guī)模逐漸做大，技術(shù)上已經(jīng)趨于成熟，機(jī)器視覺的功能及應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動化的發(fā)展逐漸完善和推廣。其中特別是CCD工業(yè)攝像機(jī)、智能相機(jī)、ARMFPGA、圖像處理和模式識別等技術(shù)的快速發(fā)展，極大地推動了機(jī)器視覺系統(tǒng)的發(fā)展。據(jù)悉，中國目前已成為繼美國、日本之后全球第三大機(jī)器視覺市場。2015年，中國機(jī)器視覺市場規(guī)模已達(dá)到61.2億元，預(yù)計(jì)在2016-2020年間中國制造在機(jī)器視覺上維持20%的增長率，預(yù)計(jì)到2020年前后，市場規(guī)模將達(dá)152億元，國內(nèi)機(jī)器視覺將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)成熟期。　

   機(jī)器視覺發(fā)展歷程

   20世紀(jì)50年代：主要集中在二維圖像的簡單分析和識別上，如字符識別，工件表面、顯微圖片和航空圖片的分析和解釋等。

   20世紀(jì)60年代：MIT(Massachusetts Institute of Technology)的Roberts通過計(jì)算機(jī)程序從數(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。他的研究工作開創(chuàng)了以理解三維場景為目的的三維計(jì)算機(jī)視覺研究。

   20世紀(jì)70年代：首次提出較為完整的視覺理論，已經(jīng)出現(xiàn)了一些視覺應(yīng)用系統(tǒng)。70年代中期，MIT人工智能（Artificial Intelligence）實(shí)驗(yàn)室正式開設(shè)"機(jī)器視覺"課程。1973年MITAI Lab吸引了國際上許多知名學(xué)者參與視覺理論、算法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，D. Marr教授就是其中的一位。他于1977年提出了視覺計(jì)算理論（Vision Computational Theory），該理論在80年代成為計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中的一個(gè)十分重要的理論框架。

   80年代中期：計(jì)算機(jī)視覺獲得蓬勃發(fā)展，新概念、新方法、新理論不斷涌現(xiàn)。

   90年代中期：隨著微處理器、半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，以及勞動力成本上升和高質(zhì)量產(chǎn)品的需求，國外機(jī)器視覺于20世紀(jì)90年代進(jìn)入高速發(fā)展期，廣泛運(yùn)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

   目前，機(jī)器視覺已形成幾個(gè)重要研究分支：1）目標(biāo)制導(dǎo)的圖像處理；2）圖像處理和分析的并行算法；3）從二維圖像提取三維信息；4）序列圖像分析和運(yùn)動參量求值；5）視覺知識的表示；6）視覺系統(tǒng)的知識庫等。

三、機(jī)器視覺系統(tǒng)的優(yōu)勢  

   在工業(yè)生產(chǎn)的過程中，機(jī)器視覺相對于人眼識別體現(xiàn)了較大優(yōu)勢。機(jī)器視覺具有自動化、客觀、非接觸和高精度等特點(diǎn)。特別是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，機(jī)器視覺強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)的精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性與安全性，在重復(fù)和機(jī)械性的工作中具有較大的應(yīng)用價(jià)值。

   精確性——由于人眼有物理?xiàng)l件的限制，在精確性上機(jī)器有明顯的優(yōu)點(diǎn)。即使人眼依靠放大鏡或顯微鏡來檢測產(chǎn)品，機(jī)器仍然會更加精確，因?yàn)樗�的精度能夠達(dá)到千分之一英寸。特別是檢測生產(chǎn)線上高速運(yùn)動的物體時(shí)，機(jī)器視覺更具優(yōu)勢。

   重復(fù)性——機(jī)器可以以相同的方法一次一次的完成檢測工作而不會感到疲倦。與此相反，人眼每次檢測產(chǎn)品時(shí)都會有細(xì)微的不同，即使產(chǎn)品時(shí)完全相同的。

   客觀性——人眼檢測還有一個(gè)致命的缺陷，就是情緒帶來的主觀性，檢測結(jié)果會隨工人心情的好壞產(chǎn)生變化，而機(jī)器沒有喜怒哀樂，檢測的結(jié)果自然非常可觀可靠。

   效率高——機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，實(shí)現(xiàn)更為快速的產(chǎn)品檢測，同時(shí)也易于加工過程中的信息集成，尤其是在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。

   成本低——由于機(jī)器比人快，一臺自動檢測機(jī)器能夠承擔(dān)多人的任務(wù)。而且機(jī)器不需要停頓、能夠連續(xù)工作，所以能夠極大的提高生產(chǎn)效率從而降低生產(chǎn)成本。