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   視覺是人類認(rèn)知世界的重要手段，通過視覺獲得的信息占人類獲得外部信息的80%以上。人類通過視覺感知外部世界信息，再通過大腦進(jìn)行相應(yīng)的判斷，做出相應(yīng)的動作。讓機(jī)器像人一樣也有視覺功能是人類長久以來的夢想。隨著計算機(jī)、人工智能、光學(xué)、電子、控制技術(shù)的發(fā)展，特別是CCD、DSP、圖像處理、模式識別、計算機(jī)視覺技術(shù)的飛速進(jìn)步，一門新興的技術(shù)——機(jī)器視覺（Machine Vision），正在將這一夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。  

   機(jī)器視覺技術(shù)使得計算機(jī)系統(tǒng)能通過圖像認(rèn)知周圍環(huán)境，并做出相應(yīng)的判斷，根據(jù)設(shè)定的規(guī)則控制系統(tǒng)的行為。這就使得機(jī)器系統(tǒng)具備了類似人類的視覺和進(jìn)行判斷的能力。美國制造工程師協(xié)會機(jī)器視覺分會和美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會（RIA，Robotic Industries Association）對機(jī)器視覺下的定義為: “機(jī)器視覺是通過光學(xué)裝置和非接觸傳感器自動接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動的裝置”。簡單地說，機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼和大腦完成各種測量和判斷。機(jī)器視覺首先處理圖像（視覺）信息，并根據(jù)處理結(jié)果對下一步動作給出控制。一個機(jī)器視覺系統(tǒng)就是一個能自動獲取目標(biāo)物體圖像，對所獲取圖像的各種特征量進(jìn)行處理、分析、測量和判斷，并做出定性分析和定量解釋，從而得到有關(guān)目標(biāo)物體的認(rèn)識并做出相應(yīng)動作決策的系統(tǒng)。機(jī)器視覺系統(tǒng)的功能包括: 物體定位、特征檢測、缺陷判斷、目標(biāo)識別、計數(shù)和運(yùn)動跟蹤等。  

機(jī)器視覺的發(fā)展歷程  

   機(jī)器視覺技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)中期。最初用于對二維圖像的分析和識別，如光學(xué)字符識別、工件表面檢測、航片解讀、顯微圖像判讀等，基本上屬于圖像處理和識別的范疇。L.Robert在1965年發(fā)表了《三維物體的機(jī)器感知》這一著名論文，闡述了利用計算機(jī)科學(xué)所提供的手段實現(xiàn)從二維圖像獲得三維信息的可能性，開創(chuàng)了以理解三維場景為目的的三維機(jī)器視覺研究，到20世紀(jì)70年代，一些機(jī)器視覺應(yīng)用系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)。  

   20世紀(jì)70年代Marr提出的視覺計算理論是機(jī)器視覺理論研究的一個里程碑，該理論成為機(jī)器視覺研究的基礎(chǔ)理論框架。此后，有關(guān)機(jī)器視覺的各種理論研究迅猛發(fā)展，圖像處理、模式識別、計算機(jī)視覺等領(lǐng)域新的方法和理論不斷涌現(xiàn)，為機(jī)器視覺的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。同時，計算機(jī)、電子技術(shù)、CCD、DSP、光學(xué)、機(jī)械等硬件技術(shù)的進(jìn)步也是日新月異，從光源、相機(jī)、圖像采集卡到計算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)，幾乎每一個機(jī)器視覺系統(tǒng)的有關(guān)環(huán)節(jié)都出現(xiàn)了性能的大幅提升甚至質(zhì)的飛躍。更高分辨率的圖像、更快的處理器、更好的光源，同時還伴隨著成本的降低和體積的減小，這一切為機(jī)器視覺的發(fā)展準(zhǔn)備了堅實的硬件平臺。  

   理論和器件的發(fā)展加上來自社會生產(chǎn)的廣泛需求，導(dǎo)致了機(jī)器視覺技術(shù)的飛速發(fā)展。時至今日，機(jī)器視覺已廣泛應(yīng)用于軍事、制造業(yè)、半導(dǎo)體/電子、紡織、食品、印刷、醫(yī)療、煙草、交通、物流、娛樂、體育等許多行業(yè)，已經(jīng)深入到我們生產(chǎn)、生活的各個方面。機(jī)器視覺已成為數(shù)十億美元產(chǎn)值的新興產(chǎn)業(yè)。  
   典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)以計算機(jī)為中心，由視覺傳感器、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和控制機(jī)構(gòu)組成。視覺傳感器和圖像采集系統(tǒng)采集圖像，并將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像，圖像處理系統(tǒng)對圖像進(jìn)行處理和分析，得到需要的各種信息，并做出相應(yīng)的動作決策。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以在相當(dāng)程度上代替人眼視覺系統(tǒng)，甚至具有比人眼視覺更高的分辨率、更快的速度，獲得人眼所不能看到的波長范圍的信息，完成快速檢測、定位、識別、導(dǎo)航、測量等各種任務(wù)。  

機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點  

   機(jī)器視覺將計算機(jī)和電子系統(tǒng)的高速計算能力、可重復(fù)性、快速反應(yīng)能力與人眼視覺的高度智能化和抽象能力、判斷能力結(jié)合，是實現(xiàn)儀器設(shè)備精密控制、智能化、自動化的有效途徑，堪稱現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的“機(jī)器眼睛”。與傳統(tǒng)的傳感器和人工操作相比具有獨特的優(yōu)點:  
   ● 精度高。采用高分辨率的光學(xué)成像系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)，機(jī)器視覺可以達(dá)到比人眼高得多的檢測精度。  
   ● 非接觸。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以實現(xiàn)非接觸量測和檢測，對被測物體不會造成任何損傷和改變。  
   ● 連續(xù)性和穩(wěn)定性。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以避免人眼工作的疲勞和狀態(tài)的不穩(wěn)定，實現(xiàn)長時間連續(xù)的測量識別和分析。  
   ● 較寬的光譜響應(yīng)范圍。通過使用人眼看不見的譜段，如紅外線、紫外線、X光，實現(xiàn)對特殊特征的識別和觀察，擴(kuò)展了視覺范圍。  
   ● 快速。結(jié)合計算機(jī)的高速計算能力和成像器件的高速響應(yīng)能力，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以實現(xiàn)對大批量、高速運(yùn)動物體的捕捉、識別、檢查和相應(yīng)的動作，這是人難以做到的。這一特性對于軍事和現(xiàn)代制造業(yè)有特別重要的意義。  
   ● 在惡劣環(huán)境下工作?？梢源嫒嗽趷毫迎h(huán)境下工作。  
   ● 與海量知識和規(guī)則庫結(jié)合進(jìn)行快速檢查和判斷?？梢詫@得的圖像與預(yù)先存儲的大量規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行快速比對檢查。  
   ● 快速定量分析。機(jī)器視覺系統(tǒng)不僅能模擬人類視覺做出判斷，更具有人類視覺所不具有的快速精確定量測量和分析能力，對生產(chǎn)過程的調(diào)節(jié)和控制有極大的幫助。  
   ● 一定的靈活性。通過調(diào)整軟件和參數(shù)可以適應(yīng)一定范圍內(nèi)變化的對象，優(yōu)于傳統(tǒng)的光學(xué)、電子、機(jī)械傳感器。  
   ● 節(jié)省人力開銷，保護(hù)工作人員的健康。  

機(jī)器視覺的應(yīng)用領(lǐng)域  

   機(jī)器視覺的獨特優(yōu)點使得它在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，甚至發(fā)揮著不可替代的作用，極大地提升了這些行業(yè)的技術(shù)水平。  
   1. 軍事。軍事領(lǐng)域是對新技術(shù)最渴望、最敏感的領(lǐng)域，對于機(jī)器視覺同樣也不例外。最早的視覺和圖像分析系統(tǒng)就是用于偵察圖像的處理分析和武器制導(dǎo)?，F(xiàn)代高精度制導(dǎo)武器中基于可見光、紅外線的制導(dǎo)，就是一套完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)。通過傳感器成像、彈載計算機(jī)分析圖像在復(fù)雜的背景中識別目標(biāo)并給出制導(dǎo)指令，在海灣戰(zhàn)爭中制造了導(dǎo)彈從窗口飛進(jìn)大樓的效果。無人駕駛飛機(jī)、無人戰(zhàn)車也都借助機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行環(huán)境分析、路徑導(dǎo)引和攻擊導(dǎo)向。即使在后方，危險的彈藥庫搬運(yùn)操作也可以借助裝備視覺系統(tǒng)的機(jī)械手進(jìn)行。未來可能出現(xiàn)在戰(zhàn)場上的機(jī)器人戰(zhàn)士，毫無疑問，也必然會裝備有敏銳的視覺系統(tǒng)。  
   2. 半導(dǎo)體/電子。機(jī)器視覺大概有40%～50%的應(yīng)用集中在半導(dǎo)體和電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域。在這一領(lǐng)域，無論是在表面檢測、自動定位、字符檢測和識別還是尺寸測量方面，機(jī)器視覺都有著廣泛的應(yīng)用。與在許多行業(yè)機(jī)器視覺還屬于“高檔”技術(shù)不同，在半導(dǎo)體/電子制造領(lǐng)域，機(jī)器視覺的應(yīng)用正在走向普及化和多元化。面對越來越高的集成度、越來越密集的線路和元件、越來越快的制造速度，用機(jī)器視覺檢測、定位、導(dǎo)引幾乎是唯一的選擇。目前在半導(dǎo)體的前道和后道工藝以及電子元器件制造及終端電子產(chǎn)品中，都可以看到機(jī)器視覺的應(yīng)用; 在IC制造業(yè)，如晶圓的雕刻、晶圓的切割方面，都需要定位與檢測; 在封裝方面主要集中在對封裝后器件的質(zhì)量檢驗，主要包括一些測量與檢測的功能，而激光打標(biāo)后的字符質(zhì)量檢驗可能是最為大家熟知的一個應(yīng)用。PCB制造是近年發(fā)展較快的一個領(lǐng)域，除了傳統(tǒng)的自動定位（打孔機(jī)等）、自動檢測（印刷機(jī)等）外，基于機(jī)器視覺技術(shù)的AOI（自動光學(xué)檢測）已成為高精度PCB制板不可缺少的檢測設(shè)備，用于制板底片檢查、PCB裸板檢查、元件貼裝后的檢查等。在電子元器件制造上，利用機(jī)器視覺進(jìn)行檢測和測量，除了原來的普通器件測量和檢查外，LCD屏的檢測將成為重點。  
   3. 醫(yī)療。用于醫(yī)學(xué)圖像分析，血液細(xì)胞自動分類計數(shù)、染色體分析、癌癥細(xì)胞識別、內(nèi)鏡檢查等。  
   4. 制藥。藥品生產(chǎn)中外觀質(zhì)量檢查，藥品形狀、厚度等尺寸檢查、數(shù)量統(tǒng)計。  
   5. 郵政。通過機(jī)器視覺系統(tǒng)自動識別郵政編碼，實現(xiàn)信函自動分揀。  
   6. 機(jī)械制造業(yè)。在制造業(yè)中，機(jī)器視覺技術(shù)可以有效地用于產(chǎn)品的質(zhì)量檢測，快速檢查產(chǎn)品表面缺陷，檢查產(chǎn)品制造尺寸。機(jī)器視覺技術(shù)可實現(xiàn)三維測量和檢測，還可以用于裝配引導(dǎo)。  
   7. 印鈔造幣。鈔票的印刷質(zhì)量和數(shù)量有著嚴(yán)格的要求。機(jī)器視覺技術(shù)可以代替人對鈔票印刷質(zhì)量進(jìn)行仔細(xì)的檢查，以保證鈔券的印刷質(zhì)量。還可以對鈔票的編號進(jìn)行自動復(fù)核，對鈔券數(shù)量進(jìn)行快速無接觸清點。  
   8. 智能交通。機(jī)器視覺可用于交通流量分析、車牌識別，在電子警察系統(tǒng)中，通過視覺檢測技術(shù)對于車輛行為進(jìn)行分析、判斷違章、記錄圖像、識別車牌號碼并記錄。  
   9. 物流。進(jìn)行條碼、標(biāo)簽、物品的識別與物品分揀，以及集裝箱號碼識別。  
   10. 煙草行業(yè)。機(jī)器視覺可用于煙草分級、異物剔除、包裝質(zhì)量檢查。  
   11. 農(nóng)產(chǎn)品分選。采用機(jī)器視覺技術(shù)，可以對農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行快速地自動分級分揀。例如采用機(jī)器視覺中的色選技術(shù)，可以將大米中的黑粒、異物等剔除，以提高大米的等級，可給企業(yè)帶來巨大的效益。  
   12. 紡織。紡織原料中的異種纖維，如棉花中的麻繩、塑料纖維、干草等，嚴(yán)重影響紡織品質(zhì)量。統(tǒng)計表明異種纖維給紡織業(yè)帶來的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同等重量的黃金價值。機(jī)器視覺中的色選技術(shù)可以有效剔除紡織原料中的雜質(zhì)，提升產(chǎn)品質(zhì)量。在紡織、印染過程中，機(jī)器視覺技術(shù)可以實時監(jiān)控產(chǎn)品質(zhì)量、檢出疵點。  
   13. 食品飲料?？捎脵C(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行液位高度檢測、外觀檢測、條碼檢測。  

應(yīng)用前景  

   機(jī)器視覺的廣泛應(yīng)用已經(jīng)吸引了眾多的廠商，目前已形成了一個頗具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，出現(xiàn)了一批年產(chǎn)值數(shù)億美元的大公司。整個行業(yè)形成了從光源、相機(jī)、鏡頭、板卡、軟件到系統(tǒng)集成產(chǎn)品這樣完整的產(chǎn)業(yè)鏈條。從應(yīng)用的角度看，也形成了器件（軟件）供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商、產(chǎn)品制造商、最終用戶密切合作互動的局面。  

   在中國，盡管機(jī)器視覺市場的發(fā)展晚于歐美，但進(jìn)入21世紀(jì)以來，呈現(xiàn)出加速發(fā)展的良好勢頭。機(jī)器視覺技術(shù)逐步走出實驗室和軍事領(lǐng)域，在我國各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是近四五年來，更是呈現(xiàn)爆炸式增長的態(tài)勢。到2007年，從事機(jī)器視覺行業(yè)的公司已多達(dá)六七百家，領(lǐng)先者如凌云、大恒、威視、嘉恒中自、視覺龍、漢王等，它們在系統(tǒng)集成和自主產(chǎn)品開發(fā)方面，碩果累累，產(chǎn)值過億元人民幣。部分國產(chǎn)機(jī)器視覺系統(tǒng)不僅價格低廉，而且從性能上已可與國外產(chǎn)品相媲美甚至超越之。  

   從應(yīng)用的角度看，國內(nèi)機(jī)器視覺的應(yīng)用仍受制于成本、用戶的認(rèn)識以及自身的技術(shù)缺憾，離全面普及尚有較大距離。當(dāng)前比較成功的應(yīng)用主要集中于電子/半導(dǎo)體產(chǎn)品制造、煙草、特種印刷、醫(yī)療等行業(yè)，在地域上以華南珠三角、華東長三角、華北京津地區(qū)為核心，既是機(jī)器視覺用戶群密集區(qū)又是開發(fā)力量的密集區(qū)。  

   與發(fā)達(dá)國家相比，中國機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)仍處于相對落后的水平，尤其在基礎(chǔ)器件制造方面，基礎(chǔ)性的高端技術(shù)基本上掌握在外國廠商手中。在自身技術(shù)的提高、行業(yè)的拓展、用戶的培養(yǎng)和引導(dǎo)方面，都需要做很細(xì)致艱苦的工作。不發(fā)達(dá)意味著更大的商機(jī)，只有為用戶真正創(chuàng)造價值，才能真正實現(xiàn)機(jī)器視覺技術(shù)的價值。在中國成為世界制造中心的今天，經(jīng)過各方面的不懈努力，中國機(jī)器視覺的輝煌和市場的興旺指日可待。  

作者簡介  

   金剛 模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)博士，畢業(yè)于華中科技大學(xué)圖像所。主要研究方向為計算機(jī)視覺、圖像處理、模式識別、人工智能、自然景物仿真，對計算機(jī)視覺、圖像處理領(lǐng)域有十余年研發(fā)經(jīng)驗，參與完成三維掃描、號牌識別、視頻測速、鈔券清分、印版檢測、卷煙條包檢測、AOI等多個項目的研發(fā)?，F(xiàn)在凌云公司從事機(jī)器視覺和圖像檢測領(lǐng)域的研究開發(fā)工作。