人工(gōng)智能(néng)的“慧眼”——機器視覺技(jì )術

據統計，人類獲取外部信息的83%都來源于眼睛，位于五官之首，由此可(kě)見，視覺是人類觀察世界和認知世界的重要手段。通過視覺，我們可(kě)以獲取外界事物(wù)的大小(xiǎo)、明暗、顔色、狀态等信息，還可(kě)以在不需要進行身體(tǐ)接觸的情況下，直接與周圍環境進行智能(néng)交互。

随着信息技(jì )術的發展，人們也不遺餘力地将人類視覺能(néng)力賦予計算機、機器人或各種智能(néng)設備。既然人工(gōng)智能(néng)需要像人一樣思考和行動，那麽發展人工(gōng)智能(néng)，首先就要先幫助機器“看懂這個世界”。

機器視覺作(zuò)為(wèi)實現工(gōng)業自動化和智能(néng)化的關鍵核心技(jì )術，正成為(wèi)人工(gōng)智能(néng)發展較快的一個分(fēn)支。機器視覺對于人工(gōng)智能(néng)的意義，正如眼睛之于人類的價值，重要性不言而喻。

{什麽是機器視覺？}

人類視覺主要依靠眼睛和大腦來完成對物(wù)體(tǐ)的觀察和理(lǐ)解，人類通過眼睛對物(wù)體(tǐ)進行觀察和捕捉；圖像信息經視覺神經傳給大腦進行分(fēn)析和理(lǐ)解，大腦能(néng)夠對視場内的物(wù)體(tǐ)自動進行空間分(fēn)離，得到物(wù)體(tǐ)位置、尺寸、紋理(lǐ)、色彩和運動狀态等詳細特征信息，從而快速判斷物(wù)體(tǐ)的名(míng)稱、類别和分(fēn)類等等屬性信息。

機器視覺同理(lǐ)，本質(zhì)上，機器視覺是圖像分(fēn)析技(jì )術在工(gōng)廠自動化中(zhōng)的應用(yòng)，通過使用(yòng)光學(xué)系統、工(gōng)業數字相機和圖像處理(lǐ)工(gōng)具(jù)，來模拟人的視覺能(néng)力，并做出相應的決策，然後通過指揮某種特定的裝(zhuāng)置執行這些決策。

簡單來說，機器視覺就是用(yòng)機器代替人眼，對事物(wù)進行觀察、測量和判斷。

{機器視覺由什麽組成？}

從字面意思來理(lǐ)解， “視”是将外界信息通過成像來顯示成數字信号反饋給計算機，需要依靠一整套的硬件解決方案，包括光源、相機、圖像采集卡、視覺傳感器等。“覺”則是計算機對數字信号進行處理(lǐ)和分(fēn)析，主要是軟件算法。

因此，機器視覺系統架構主要分(fēn)為(wèi)硬件設備和軟件算法兩部分(fēn)，其中(zhōng)硬件設備主要包括光源系統、鏡頭、攝像機、圖像采集卡和視覺處理(lǐ)器；軟件包中(zhōng)核心算法主要包括傳統的數字圖像處理(lǐ)算法和基于深度學(xué)習的圖像處理(lǐ)算法。

機器視覺是一項綜合技(jì )術，包括圖像處理(lǐ)、機械工(gōng)程技(jì )術、控制、電(diàn)光源照明、光學(xué)成像、傳感器、模拟與數字視頻技(jì )術、計算機軟硬件技(jì )術(圖像增強和分(fēn)析算法、圖像卡、I/O卡等)。一個典型的機器視覺應用(yòng)系統包括圖像捕捉、光源系統、圖像數字化模塊、數字圖像處理(lǐ)模塊、智能(néng)判斷決策模塊和機械控制執行模塊。

{機器視覺的優勢？}

既然人類發明出了機器視覺，它一定有(yǒu)很(hěn)多(duō)過人之處，以下這幾點是它的突出優勢：

1、從生産(chǎn)效率的角度來說，在大批量重複性工(gōng)業生産(chǎn)過程中(zhōng)，人工(gōng)視覺容易疲憊，質(zhì)量效率低下且精(jīng)度不高，而機器視覺可(kě)以大大提高生産(chǎn)效率和自動化程度。

2、從成本控制的角度來說，培訓一個合格的操作(zuò)工(gōng)需要企業管理(lǐ)者花(huā)費大量的人力物(wù)力，然而單純的培訓還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，後續還需要花(huā)費大量的時間，使操作(zuò)工(gōng)的水平在實踐中(zhōng)得到提升。而機器視覺系統隻要設計、調試和操作(zuò)得當，可(kě)以在很(hěn)長(cháng)一段時間内不間斷使用(yòng)，同時确保生産(chǎn)效果。

另外，由于消除了檢測系統與被檢驗物(wù)品之間的直接接觸，機器視覺還能(néng)夠防止物(wù)品損壞，防止潔淨室受到人為(wèi)污染，同時也避免了機械部件磨損的維護時間和成本投入。

3、在某些特殊工(gōng)業環境中(zhōng)，比如一些不适于人工(gōng)作(zuò)業的危險工(gōng)作(zuò)環境（如焊接、火藥制造）人工(gōng)視覺可(kě)能(néng)會對操作(zuò)工(gōng)的人身安(ān)全造成威脅，而機器視覺從某種程度上有(yǒu)效地規避了這些風險；或者人工(gōng)視覺難以滿足要求（機械縫隙零件檢測）的場合，常用(yòng)機器視覺來替代人工(gōng)視覺。

舉例來說，在生産(chǎn)線(xiàn)上，機器視覺系統每分(fēn)鍾能(néng)夠對數百個甚至數千個元件進行檢測。配備适當分(fēn)辨率的相機和光學(xué)元件後，機器視覺系統能(néng)夠輕松檢驗小(xiǎo)到人眼無法看到的物(wù)品細節特征。

也就是說，機器在某種程度上已經達到了人類的水平。事實上，AlphaGo的出現已經證明了在一些領域，機器擁有(yǒu)超越人類的能(néng)力。

在現代自動化生産(chǎn)過程中(zhōng)，機器視覺将會在工(gōng)況檢測、成品檢驗、質(zhì)量控制等領域被廣泛應用(yòng)，随着工(gōng)業4.0時代的到來，這一趨勢不可(kě)逆轉。

{機器視覺的應用(yòng)}

機器視覺身手如此了得，當然不能(néng)大材小(xiǎo)用(yòng)，在不斷的發展過程中(zhōng)，它已經在很(hěn)多(duō)場景下大展身手。在工(gōng)業領域中(zhōng)的應用(yòng)主要歸為(wèi)四大類，包括：識别、檢測、測量、定位與引導。

1識别

在識别應用(yòng)中(zhōng)，機器視覺系統通過讀取一維碼、二維碼、部件标識碼、元件标簽、字符内容來進行識别，除此以外，機器視覺系統還可(kě)以通過定位獨特的圖案來識别元件，或者基于顔色、形狀或尺寸來識别元件。

目前機器視覺在識别領域已經用(yòng)于産(chǎn)品外形和表面缺陷檢驗，如木(mù)材加工(gōng)檢測、金屬表面視覺檢測、二極管基片檢查、印刷電(diàn)路闆缺陷檢查、焊縫缺陷自動識别等。

2檢測

檢測是機器視覺在工(gōng)業領域中(zhōng)主要的應用(yòng)之一。在檢測應用(yòng)中(zhōng)，機器視覺系統通過檢測産(chǎn)品是否存在缺陷、污染物(wù)、功能(néng)性瑕疵和其他(tā)不合規之處，來确認産(chǎn)品是否滿足品質(zhì)要求。

機器視覺還能(néng)夠檢測産(chǎn)品的完整性，比如在食品和醫(yī)藥行業，機器視覺用(yòng)于确保産(chǎn)品與包裝(zhuāng)的匹配性，以及檢查包裝(zhuāng)瓶上的安(ān)全密封墊、封蓋和安(ān)全環是否存在。

3測量

在測量應用(yòng)中(zhōng)，機器視覺系統通過計算被測物(wù)幾何位置之間的距離來進行測量，然後确定這些測量結果是否符合規格。如果不符合，視覺系統将向機器控制器發送一個未通過信号，進而觸發生産(chǎn)線(xiàn)上的不合格産(chǎn)品剔除裝(zhuāng)置，将該物(wù)品從生産(chǎn)線(xiàn)上剔除。

在實踐中(zhōng)，當元件移動經過相機視場時，固定式相機将會采集該元件的圖像，然後，機器視覺系統将使用(yòng)軟件來計算圖像中(zhōng)不同點之間的距離。機器視覺特有(yǒu)的特點就是可(kě)以實現非接觸式測量，避免了許多(duō)傳統的接觸式測量帶來的二次損傷。

4定位和引導

在任何機器視覺應用(yòng)中(zhōng)，無論是簡單的裝(zhuāng)配檢測，還是複雜的3D機器人應用(yòng)，都需要采用(yòng)圖案匹配技(jì )術定位相機視場内的目标物(wù)品或特征。目标物(wù)品的定位往往決定機器視覺應用(yòng)的成敗。

引導就是使用(yòng)機器視覺來報告元件的位置和方向。首先，機器視覺系統可(kě)以定位元件的位置和方向，将元件與規定的公(gōng)差進行比較，以及确保元件處于正确的角度，以驗證元件裝(zhuāng)配是否正确。其次，引導可(kě)用(yòng)于在二維（2D）或三維（3D）空間内将元件的位置和方向報告給機器或機器控制器，讓機器能(néng)夠定位元件或機器，以便将元件對位。

舉個例子

為(wèi)了更好地理(lǐ)解機器視覺，下面，我們以壓網布焊接檢測系統為(wèi)例來進行說明：

當每個網布移動經過檢測傳感器時，檢測傳感器将會觸發視覺系統發出頻閃光，拍下照片。

采集到網布的圖像并将圖像保存到内存後，視覺軟件将會處理(lǐ)或分(fēn)析該圖像，并根據網布表面是否完好、焊接是否标準發出通過/未通過響應。

如果視覺系統檢測到一個網布表面有(yǒu)損壞或未焊接完整，即未通過檢測，視覺系統将會向轉向器發出信号，将該網布從生産(chǎn)線(xiàn)上剔除。操作(zuò)員可(kě)以在顯示屏上查看被剔除的網布和持續的流程統計數據。

結 語

在工(gōng)業領域，工(gōng)業機器人對物(wù)體(tǐ)準确抓取、物(wù)流機器人障礙避讓等等都是運用(yòng)了機器視覺技(jì )術。機器視覺是人工(gōng)智能(néng)正在快速發展的一個重要分(fēn)支。随着人工(gōng)智能(néng)的爆發，作(zuò)為(wèi)代表技(jì )術之一的機器視覺，有(yǒu)望迎來更大發展，在智能(néng)工(gōng)廠、無人商(shāng)店(diàn)、自動駕駛、機器人等領域掀起新(xīn)的風暴！