我們先從機(jī)器視覺的定義開始，根據(jù)制造工程師協(xié)會(huì)的定義：機(jī)器視覺就是使用光學(xué)非接觸式感應(yīng)設(shè)備自動(dòng)接收并解釋真實(shí)場(chǎng)景的圖像以獲得信息控制機(jī)器或流程。為了更好地理解機(jī)器視覺，下面，我們以啤酒廠采用的填充液位檢測(cè)系統(tǒng)為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明：

▲圖1啤酒瓶填充液位檢驗(yàn)示例

當(dāng)每個(gè)啤酒瓶移動(dòng)經(jīng)過檢測(cè)傳感器時(shí)，檢測(cè)傳感器將會(huì)觸發(fā)視覺系統(tǒng)發(fā)出頻閃光，拍下啤酒瓶的照片。采集到啤酒瓶的圖像并將圖像保存到內(nèi)存后，視覺軟件將會(huì)處理或分析該圖像，并根據(jù)啤酒瓶的實(shí)際填充液位發(fā)出通過-未通過響應(yīng)。如果視覺系統(tǒng)檢測(cè)到一個(gè)啤酒瓶未填充到位，即未通過檢測(cè)，視覺系統(tǒng)將會(huì)向轉(zhuǎn)向器發(fā)出信號(hào)，將該啤酒瓶從生產(chǎn)線上剔除。操作員可以在顯示屏上查看被剔除的啤酒瓶和持續(xù)的流程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

另外，機(jī)器視覺系統(tǒng)還能夠進(jìn)行物品測(cè)量，比如確定火花塞間隙或提供位置信息，引導(dǎo)機(jī)器人在制造組裝過程中將元件對(duì)位，圖2顯示的例子主要是說(shuō)明機(jī)器視覺系統(tǒng)如何能夠用于進(jìn)行濾油器（右）通過或未通過檢測(cè)，以及測(cè)量支架上中心軸頭的寬度（左）。

▲圖2機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠在生產(chǎn)線上進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和檢驗(yàn)，比如加工支架（左）或?yàn)V油器（右）

在這個(gè)應(yīng)用示例中，填充液位檢驗(yàn)系統(tǒng)僅可提供兩種結(jié)果，這顯示了二進(jìn)制系統(tǒng)的特征：

1、如果產(chǎn)品合格，則檢測(cè)結(jié)果為“通過”

2、如果產(chǎn)品不合格，則檢測(cè)結(jié)果為“未通過”。

機(jī)器視覺的優(yōu)勢(shì)究竟有哪些？

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雖然人類視覺最擅長(zhǎng)于對(duì)復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化的場(chǎng)景進(jìn)行定性解釋，但機(jī)器視覺則憑借速度、精度和可重復(fù)性等優(yōu)勢(shì)，擅長(zhǎng)于對(duì)結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景進(jìn)行定量測(cè)量，舉例來(lái)說(shuō)，在生產(chǎn)線上，機(jī)器視覺系統(tǒng)每分鐘能夠?qū)?shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)元件進(jìn)行檢測(cè)。配備適當(dāng)分辨率的相機(jī)和光學(xué)元件后，機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠輕松檢驗(yàn)小到人眼無(wú)法看到的物品細(xì)節(jié)特征。

另外，由于消除了檢驗(yàn)系統(tǒng)與被檢驗(yàn)元件之間的直接接觸，機(jī)器視覺還能夠防止元件損壞，也避免了機(jī)械部件磨損的維護(hù)時(shí)間和成本投入。通過減少制造過程中的人工參與，機(jī)器視覺還帶來(lái)了額外的安全性和操作優(yōu)勢(shì)。此外，機(jī)器視覺還能夠防止?jié)崈羰沂艿饺藶槲廴荆材茏尮と嗣馐芪ｋU(xiǎn)環(huán)境的威脅。

機(jī)器視覺在實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)略目標(biāo)過程中的重要作用

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機(jī)器視覺的應(yīng)用領(lǐng)域

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?識(shí)別：

標(biāo)準(zhǔn)一維碼、二維碼的解碼

光學(xué)字符識(shí)別（OCR）和確認(rèn)（OCV）

?檢測(cè)：

色彩和瑕疵檢測(cè)

零件或部件的有無(wú)檢測(cè)

目標(biāo)位置和方向檢測(cè)

?測(cè)量：

尺寸和容量檢測(cè)

預(yù)設(shè)標(biāo)記的測(cè)量，如孔位到孔位的距離

?機(jī)械手引導(dǎo)：

輸出空間坐標(biāo)引導(dǎo)機(jī)械手精確定位

機(jī)器視覺系統(tǒng)的分類

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智能相機(jī)/基于嵌入式/基于PC

機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成

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?圖像獲取：

光源、鏡頭、相機(jī)、采集卡、機(jī)械平臺(tái)

?圖像處理與分析：

工控主機(jī)、圖像處理分析軟件、圖形交互界面。

?判決執(zhí)行：

電傳單元、機(jī)械單元

?光源---種類

LED：

  壽命長(zhǎng)/可以有各種顏色/便于做成各種復(fù)雜形狀/光均勻穩(wěn)定/可以閃光；

熒光燈：

光場(chǎng)均勻/價(jià)格便宜/亮度較LED高；

鹵素?zé)簦?/strong>

亮度特別高/通過光纖傳輸后可做成；

氙燈：

使用壽命約1000小時(shí)/亮度高，色溫與日光接近。

（大部分機(jī)器視覺照明采用LED）

?光源---光路原理

照相機(jī)并不能看見物體，而是看見從物體表面反射過來(lái)的光。

鏡面反射：

平滑表面以對(duì)頂角反射光線

漫射反射：

粗糙表面會(huì)從各個(gè)方向漫射光線

發(fā)散反射：

多數(shù)表面既有紋理，又有平滑表面，會(huì)對(duì)光線進(jìn)行發(fā)散反射

?光源---作用和要求

在機(jī)器視覺中的作用

1.照亮目標(biāo)，提高亮度

2.形成有利于圖像處理的效果

3.克服環(huán)境光照影響，保證圖像穩(wěn)定性

4.用作測(cè)量的工具或參照

良好的光場(chǎng)設(shè)計(jì)要求

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對(duì)比度明顯，目標(biāo)與背景的邊界清晰

背景盡量淡化而且均勻，不干擾圖像處理

與顏色有關(guān)的還需要顏色真實(shí)，亮度適中，不過曝或欠曝；

?光源---光場(chǎng)構(gòu)造

明場(chǎng)：

光線反射進(jìn)入照相機(jī)

暗場(chǎng)：

光線反射離開照相機(jī)

?光源---構(gòu)造光源

使用不同照明技術(shù)對(duì)被測(cè)目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生不同的影響，以滾珠軸承為例：

?鏡頭---主要參數(shù)

工業(yè)的鏡頭大都是多組鏡片組合在一起的。計(jì)算時(shí)會(huì)忽略厚度對(duì)透鏡的影響將其等效成沒有厚度的播透鏡模型，即理想凸透鏡。

參數(shù)：

焦距/視場(chǎng)/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍數(shù)/畸變/接口

分辨率：

對(duì)色彩和紋理的分辨能力。

畸變：

鏡頭中心區(qū)域和四周區(qū)域的放大倍數(shù)不相同。

畸變的校正一般用黑白分明的方格圖像來(lái)進(jìn)行，過程并不復(fù)雜。一般如果畸變小于2%，人眼觀察不到；若畸變小于CCD的一個(gè)像素，攝像機(jī)也看不見。

?鏡頭---分類

CCTV鏡頭/專業(yè)攝影鏡頭/遠(yuǎn)心鏡頭

?鏡頭---遠(yuǎn)心鏡頭

在測(cè)量系統(tǒng)中，物距常發(fā)生變化，從而使像高發(fā)生變化，所以測(cè)得的物體尺寸也發(fā)生變化，即產(chǎn)生了測(cè)量誤差；

即使物距是固定的，也會(huì)因?yàn)镃CD敏感表面不易精確調(diào)整在像平面上，同樣也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。

采用遠(yuǎn)心物鏡中的像方遠(yuǎn)心物鏡可以消除物距變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，而物方遠(yuǎn)心物鏡則可以消除CCD位置不準(zhǔn)帶來(lái)的測(cè)量誤差。

?相機(jī)

種類：

線&面、隔/逐、黑/彩、數(shù)/模、低/高、CCD/CMOS

指標(biāo)：

象元尺寸、分辨率、靶面大小、感應(yīng)曲線、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、速度噪聲、填充因子、體積、質(zhì)量、工作環(huán)境等

工作模式：

Freerun、Trigger（多種）、長(zhǎng)時(shí)間曝光等

傳輸方式：

GIGE，Cameralinker,模擬