一、機(jī)器視覺的定義

機(jī)器視覺是一種通過光學(xué)設(shè)備和非接觸式傳感器自動接收并處理真實(shí)物體的圖像的設(shè)備，以獲得所需信息或控制機(jī)器人的運(yùn)動。

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼進(jìn)行測量和判斷。本質(zhì)上，機(jī)器視覺是圖像分析技術(shù)在工廠自動化中的應(yīng)用，通過使用光學(xué)系統(tǒng)，工業(yè)數(shù)碼相機(jī)和圖像處理工具，以模擬人類的視覺功能并做出相應(yīng)的決策，通過指揮特定的裝置來實(shí)現(xiàn)這些決策。

在現(xiàn)代的自動化生產(chǎn)過程中，機(jī)器視覺已開始逐漸取代人工視覺，特別是在工況檢測，成品檢驗(yàn)，質(zhì)量控制等領(lǐng)域。隨著工業(yè)4.0時代的到來，這種趨勢已不可逆轉(zhuǎn)。

二、為什么要使用機(jī)器視覺代替人工視覺？

原因有很多，主要有以下幾點(diǎn)：

1、從生產(chǎn)效率的角度來看，由于長時間工作后操作者容易感到疲勞，因此人工視覺的質(zhì)量低下，準(zhǔn)確性不高，機(jī)器視覺可以大大提高生產(chǎn)效率和自動化程度。

2、從成本控制的角度來看，培訓(xùn)一名合格的操作員需要企業(yè)管理人員花費(fèi)大量的人力和物力，而且簡單的培訓(xùn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，后續(xù)還需要大量的時間來提高操作員的實(shí)踐水平。而機(jī)器視覺系統(tǒng)只要設(shè)計(jì)，調(diào)試和運(yùn)行得當(dāng)，就可以長時間不間斷地使用工作，同時確保生產(chǎn)效果。

3、在某些特殊的工業(yè)環(huán)境中，例如焊接，火藥制造等工作條件檢測，人工視覺可能會對操作人員的人身安全構(gòu)成威脅，而機(jī)器視覺在一定程度上有效地避免了這些風(fēng)險。

三、機(jī)器視覺涵蓋哪些領(lǐng)域？

機(jī)器視覺系統(tǒng)由不同的功能模塊組成，因此設(shè)計(jì)出一個成功的機(jī)器視覺系統(tǒng)對工程師的要求是很高的。

通常，機(jī)器視覺涵蓋的專業(yè)領(lǐng)域如下：

1、電氣工程：用于機(jī)器視覺系統(tǒng)中的硬件和軟件設(shè)計(jì)。

2、工程數(shù)學(xué)：圖像處理技術(shù)的基礎(chǔ)。

3、物理：照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

4、機(jī)械工程：機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用。好的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以更好地為制造提供更多技術(shù)支持，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

四、機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成部分

完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)通常由光學(xué)系統(tǒng)（光源，鏡頭，工業(yè)相機(jī)），圖像采集單元，圖像處理單元，執(zhí)行器和人機(jī)界面組成。功能模塊是相輔相成的，缺一不可。

1、照明（光源）

照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素。光源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常重要，它與輸入數(shù)據(jù)直接相關(guān)，即圖像的質(zhì)量和應(yīng)用效果。

工程師需要首先確定有效的照明條件，并根據(jù)用戶需求和產(chǎn)品特性選擇相應(yīng)的照明設(shè)備，以確保在這種照明條件下生成的圖像可以突出顯示用戶所需的目標(biāo)信息特征。

光源通常分為可見光源和不可見光源。工業(yè)上通常使用的可見光源是LED，鹵素?zé)?，熒光燈等。不可見光源主要是近紅外光，紫外光，X射線等。

LED光源是一種廣泛用于教學(xué)的機(jī)器視覺光源，具有高效，長壽命，防潮，抗震，節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。這是工程師在設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)時的選擇。

不可見光源主要用于滿足某些特定需求，例如管道焊接過程的檢測，因?yàn)椴豢梢姽獾拇┩钢荒艿竭_(dá)檢測點(diǎn)。

2、鏡頭

鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的重要組件，其作用是光學(xué)成像。

鏡頭的主要參數(shù)是焦距，景深，分辨率，工作距離和視場。

景深是指鏡頭可以獲取圖像時，被攝物體與焦點(diǎn)前后之間的距離范圍。

視場表示攝像機(jī)可以觀察到的范圍，通常以角度表示。一般來說，視野越大，觀察范圍越大。

工作距離是指鏡頭與被攝物體之間的距離。工作距離越長，成本越高。

在設(shè)計(jì)機(jī)器視覺系統(tǒng)時，請選擇參數(shù)符合用戶需求的鏡頭。

3、工業(yè)相機(jī)

在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，工業(yè)相機(jī)必不可少。它們就像人的眼睛，用于捕獲圖像。工業(yè)相機(jī)根據(jù)感光器的不同可分為：CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)。

CCD照相機(jī)的成本較高，但成像質(zhì)量，成像透明度和色彩豐富度比CMOS照相機(jī)要好得多。CCD攝像機(jī)根據(jù)其使用的CCD感光元件可以分為線陣式和面陣式兩種。

線陣式CCD相機(jī)采用“線”的形式，并且圖像信息只能以行為為單位進(jìn)行處理，分辨率高、速度快。它主要用于工業(yè)，醫(yī)療，科研等領(lǐng)域相配套的機(jī)器視覺系統(tǒng)上。

面陣式相機(jī)可以一次獲取整個圖像的信息，價格相對便宜。

4、圖像采集單元

圖像采集單元中的重要元素是圖像采集卡，它是圖像采集單元和圖像處理單元之間的接口。它用于數(shù)字化獲取的圖像，并將其輸入并存儲在計(jì)算機(jī)中。

5、圖像處理單元

包含大量圖像處理算法。采集圖像后，使用這些算法處理數(shù)字圖像，進(jìn)行分析和計(jì)算，然后輸出結(jié)果。

6、執(zhí)行器和人機(jī)界面

完成圖像采集和處理工作后，需要輸出圖像處理結(jié)果，并進(jìn)行與結(jié)果相匹配的操作，例如剔除不良品，報(bào)警等，并通過人機(jī)界面顯示生產(chǎn)信息。

五、機(jī)器視覺系統(tǒng)的原理

通過光學(xué)系統(tǒng)，將被攝物體轉(zhuǎn)換為圖像信號，然后將圖像信號傳輸至圖像采集卡，并根據(jù)像素分布，亮度，顏色等信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，圖像處理單元有效地計(jì)算出這些數(shù)字信號并獲得拍攝目標(biāo)的特征值，以根據(jù)判別結(jié)果指導(dǎo)設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動作。