机器视觉技术发展及其工业应用

薛峰　陈川

摘要：机器视觉技术是由多学科交叉形成的新兴学科，在众多领域均有所应用。随着我国经济实力的不断提升，科学技术得到了迅猛的发展，该学科在理论与实践上有了迅猛的发展。文章简要地阐述了机器视觉中的关键技术的发展的状况，同时综合性地叙述了其在工业上的应用，以期时今后该学科的研究与应用有所帮助。

关键词：机器视觉技术；计算机视觉；自动检测；图像信号处理；工业应用

从字面意思理解，机器视觉技术是利用计算机来替代人的视觉，换句话说，也就是利用计算机来代替人的视觉来对现实事物进行三维判定。该项技术是人工智能中一门重要的处于蓬勃发展中的分支学科。机器视觉技术是由计算机、人工智能、神经生物学、图像处理、心理物理学等众多学科相交叉产生的一门新兴学科。该项技术有着速度快、精度高、噪音小、抗扰能力强、使用方便等诸多优势，可以在相对恶劣的条件下进行工作，可以提高企业的生产效率和降低劳动成本。随着科学技术的不断发展，该项技术已经广泛应用于各个行业生产中。

1 机器视觉技术的发展现状

1.1 光源照明技术

选取的光源和照明方案的效果好坏直接影响机器视觉系统的成功与否。优质的光源和照明方案要尽可能做到突出物体特征、又有极高的对比度、确保整体亮度等。通常情况下选取透射光或反射光。在选择照明设备时要满足几何形状的要求，并要对其使用寿命进行考虑。

1.1.1 光学镜头

光学镜头在进行成像时的质量将会对机器视觉技术的使用有着直接的影响。一般情况下，光学镜头有定焦和变焦两类。在相同的档次下，定焦比变焦的成像要更好，所以优先选取变焦镜头。另外，还要考虑焦距、接口等因素。

1.1.2 摄像机

在获取图像时通常有主动和被动视觉两类。摄像机是最为常用的被动视觉元件，主要的核心在于电子耦合器。电子耦合器有着质量轻、体积小、成像清晰、寿命长等优势，在机器视觉中有着广泛的应用。

1.1.3 图像采集卡

图像采集卡是连接图像采集与处理部分的重要元件。因为在进行图像信号传输时要求传输速度极高，一般的传输接口无法达到需求，这便是需要使用图像采集卡的重要原因。部分高档的图像采集卡拥有DPS处理模块，可以对图像进行一定的提前处理。

1.2 信号处理

对已经采集到的信号进行处理，这是机器视觉技术中最为关键的一步。现在多数的较为先进的处理技术已经应用于其中。随着信息技术的高速发展，众多的计算机、微电子和集成电路技术不断进步，为图像处理提供了优质的硬件支持。

1.3 执行机构

执行机构是可以使机器视觉系统实现其功能的最后元件。要确保其在进行制作与安装过程中的精度，此外在设计过程中，充分考虑稳定性等。但是由于现在以计算机为基础尚未进行模块化，安装上存在困难，尤其是工业上已经大量使用的PLC接口进行连接时存在问题。

2 应用于工业上的机器视觉技术

视觉技术最重要的优势便是可以不与被观测物体直接接触，不会对观测者与被观测对象造成损害，非常安全，这是其他感官所无法替代的。通常来讲，人类肉眼无法观测到的机器视觉是完全可以办到的，也就是可以扩大肉眼的视觉范围。而且机器可以在人类无法适应的环境下进行工作，没有疲劳地进行长时间的工作，因此可以应用于众多的长时间工作于恶劣环境中。但是，当前的机器视觉尚处于对平面图像的识别与处理，对于立体的成像相对有限。

2.1 在自动检测中的应用

自动检测是在自动化生产过程中的极其重要的步骤。机器视觉已经广泛使用于自动检测系统中，检测方式主要有两种方式，即几何测量测试与自动识别检测。

在制造技术中有着不可替代作用的技术便是几何测量技术。以前使用的测量技术在读数时非常繁琐，测量时间较长，人工测量时有着极大的误差，自动化程度不高。测量技术在测试领域是新发展起来的技术，它的发展有着视觉技术推动的结果。当前时期主要有工业CT、激光扫描、激光雷达、结构光测量等方式，它们均有着自身的优势与不足。自动识别检测主要在产品外形或表面探伤上进行应用，这类系统的技术相对较为成熟。

2.2 在智能装配中的应用

在当今社会的工业生产中，装配工作占整个商品生产过程中的主要部分，而且装配质量的好坏将会直接影响产品的性能。装配工作因为有着复杂以及多样性的特点，在对其应用自动化技术过程中存在诸多的困难。视觉系统可以极大地减少产品的研发时间，在不进行更改硬件的基础上对各类零部件进行相应的处理。机器视觉技术不但能够完成相对简单的工作，而且可以在极其恶劣或者有害的环境内进行装配工作的展开。当前时期在工业生产中已经引进了大量的含有视觉系统的机器人进行工作。目前对于装配过程中机器视觉的难点在于对立体物体的识别与定位，今后的主要研究方向是三维重建以及立体匹配。

3 视觉伺服系统

视觉可以进行不需接触便可以测量的特点使其在伺服系统中有着非常重要的作用。一种较为普遍的应用便是使视觉传感与操作结合于同一个开环的系统内，伺服系统的精确度只由视觉传感以及执行机构二者的精确度进行影响。它的视觉控制使用的是开环视觉方式，也就是说，将图像中包含物体的特征进行提取，同时利用该信息进行相应执行，机构会有所反映，这里的视觉信息只是作为指令来进行使用。通常根据误差信号对视觉伺服系统进行分类，可以分为以位置和图像为基础以及混合两种形式的系统。

4 结语

根据对国内外发展状况的研究，机器视觉技术已经成为各国大力发展与研究的方向。众多行业对其的需求成为推动机器视觉系统向前发展的动力源。我国的理论研究已经处于世界先进水平，但是实际应用却有所不足。对此，我国要对国际上的发展情况加以跟进，结合我国包括工、农、医、军事、交通等各行业的实际情况展开对视觉技术的研究，进行视觉技术实际应用情况的研究，促进机器视觉化在我国的快速发展，增加实际应用的能力，以此推动我国现代化的建设水平。