机器视觉技术介绍

1、工业4.0时代，工厂的自动化设备通常只能应对精确位置，不像人工可以处理简单偏差。而机器视觉能缩短这一差距。随着我国制造业的快速发展，中国本土的企业也逐渐兴起，出现了一批具有一定实力的机器视觉研发生产企业。同时，机器视觉应用范围逐步扩大，工业机器人成为产业进一步发展的热土。工业4.0时代，工厂的自动化设备通常只能应对精确位置，不像人工可以处理简单偏差。而机器视觉能缩短这一差距。根据公开资料，2016年中国机器视觉市场总额达到38亿元，近5年复合增长率达到26.6%。纵观我国产业发展历程，中国机器视觉相关产业起步较晚，最初多用于电子及半导体行业，也有“国外机器视觉的崛起很大程度上是得益于其半导体行

2、业发展”的说法。因为，半导体行业的诸如锡膏印刷机、贴片机、AOI检测这类的设备必须使用高性能机器视觉组件。但在社会现代化进程的大力推进下，机器视觉行业也在中国市场度过了发展的最初时期。随着我国劳动力成本上升，人口红利拐点来临，降本增效及制造业转型需求必将推动国内机器视觉进入快速通道。不仅国际知名品牌纷纷在中国开展业务，中国本土的企业也逐渐兴起，出现了一批具有一定实力的机器视觉研发生产企业。止匕外，机器视觉应用范围也逐步扩大，由起初的电子制造业和半导体生产企业，发展到了包装，汽车，交通和印刷等多个行业。根据前瞻产业研究院发布的机器视觉产业发展前景与投资分析报告数据显示，2015年机器视觉市场规模

3、达3.5亿美元，占全球8.3%,增速达22.2%,位居全球首位，中国已成为继美国和日本之后的全球第三大机器视觉市场。2016-2020年，中国机器视觉市场增速预计将保持在20%U上，将达到十亿美元级的市场空间。其中机器视觉在工业机器人方面的应用最为普遍。近年来，机器人尤其是工业机器人的迅猛发展，带动了机器视觉市场需求的大幅增长。在2016年5月份的世界机器人大会新闻发布会上，信工部副部长毛伟明透露，把智能制造作为该部门今后的重点工作，制定我国工业机器人产业的“十三五”规划，争取更多政策支持机器人关键部件的研发生产和推广。尤其是当前的以高端装备制造为核心的智造工业4.0时代背景下，随着中国制造2

4、025战略的深入，工业智能机器人产业市场呈现爆炸式增长势头，而充当工业机器人“火眼金睛”角色的机器视觉功不可没。对于机器人而言，让工业机械手或机器人“长”一双眼睛，机器视觉赋予其精密的运算系统和处理系统，模拟生物视觉成像和处理信息的方式，让机械手更加拟人灵活的操作执行，同时识别、比对、处理场景，生成执行指令，进而一气呵成的完成动作。由此可见，作为机器人尤其是智能化可视机器人重要的零部件之一，机器视觉对机器人的灵活性及可操作性的提升具有决定性意义。可以预见随着机器视觉与机器人的深入融合，可视机器人将在未来十年内占据智能装备领域重要一席之地。2016年我国政府正式出台“十三五”规划，明确把机器人产

5、业作为我国工业发展的重点方向，推动机器换人，加快企业转型升级，争取在2025年成为制造业强国。在去年5月份的世界机器人大会新闻发布会上，信工部副部长毛伟明透露，把智能制造作为该部门今后的重点工作，制定我国工业机器人产业的“十三五”规划，争取更多政策支持机器人关键部件的研发生产和推广。尤其是当前的以高端装备制造为核心的智造工业4.0时代背景下，随着中国制造2025战略的深入，工业智能机器人产业市场呈现爆炸式增长势头，其中充当工业机器人“火眼金睛”角色的机器视觉功不可没！那么机器视觉究竟给工业机器人一双怎么样的“慧眼”，能够助力工业机器人在工业4.0发展道路上创造辉煌篇章？让工业机械手或机器人“长

6、”一双眼睛，再赋予其精密的运算系统和处理系统，模拟生物视觉成像和处理信息的方式，让机械手更加拟人灵活的操作执行，同时识别、比对、处理场景，生成执行指令，进而一气呵成的完成动作。这种可视机械手能延展传统机械手无法达到的动作，使机械手在功能的开发上和领域的拓展上均有显著的突破。可视机器人，将在未来十年内占据智能装备领域重要一席之地。机器视觉作为机器人尤其是智能化可视机器人重要的零部件之一，对机器人的灵活性及可操作性的提升具有决定性意义。武汉瑞拓德的薛工指出，机器视觉将来被广泛应用于工业机器人领域，主要具有四个显著功能：1）、引导和定位，视觉定位要求机器视觉系统能够快速准确的找到被测零件并确认其位置

7、，上下料使用机器视觉来定位，引导机械手臂准确抓取。在半导体封装领域，设备需要根据机器视觉取得的芯片位置信息调整拾取头，准确拾取芯片并进行绑定，这就是视觉定位在机器视觉工业领域最基本的应用。2）、外观检测：检测生产线上产品有无质量问题，该环节也是取代人工最多的环节。说机器视觉涉及到的医药领域，其主要检测包括尺寸检测、瓶身外观缺陷检测、瓶肩部缺陷检测、瓶口检测等。3）、高精度检测：有些产品的精密度较高，如高度集成的电子电路板，达到0.010.02m甚至到um级，人眼无法检测必须使用机器完成。4）、识别，就是利用机器视觉对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象。可以达到数据的追溯和

8、采集，在汽车零部件、食品、药品等应用较多。而且，随着计算机科学和自动控制技术的发展，越来越多的不同种类的智能机器人出现在生产生活中，视觉系统作为智能机器人系统中一个重要的分支，也越来越受到人们的重视。薛工分析，随着可视机器人的发展，未来新行业应用及功能的拓展会逐渐出现。工业生产方面量比较大的可能是3c电子产业，物流行业，特别是会涉及到3D视觉。民用服务上可能更多的需要体验，难度在于环境的可变性大，对算法的冗余度要求较高，民用应用将主要来源于消费级的产品。随着社会现代化进程的大力推进，我国工业得到了长足的发展。机器视觉检测市场经过长时间的积累，我国也出现了一批具有一定实力的机器视觉研发生产企业。

9、凌云光技术集团有限责任公司自1996年进入图像和视觉行业后，一直致力成为一家具有国际水平的视觉与图像领域的现代高科技企业。20余家国际顶级视觉部件企业建立长期战略合作伙伴关系，引入国际先进的图像技术和产品，服务于中国众多行业的领先企业。从芯片、光源、镜头、相机、采集卡到软件，产品深度覆盖工业、国防、科研、交通、3D交互和生命科学等行业。广州宝盾电子科技有限公司，集工程技术研发、生产、销售与服务于一体，致力于引进国际先进的机器视觉、传感、控制与执行技术，为工厂自动化、物流自动化和过程自动化提供日益智能化的电气产品及解决方案。武汉瑞拓德智能科技有限公司自成立以来，在视觉检测和显示控制上积累了丰富的

10、案例经验，成功为多家智能电子制造企业提供了解决方案，并致力于开放式软件平台的开发，和3D视觉检测系统的开发及运用。北京格灵深瞳信息技术有限公司是一家专注于计算机视觉以及人工智能的科技公司，我们致力于让计算机像人一样主动获取视觉信息并进行精确的实时分析，释放人工智能最大的潜能为人服务。浙江大华技术股份有限公司是领先的监控产品供应商和解决方案服务商，面向全球提供领先的视频存储、前端、显示控制和智能交通等系列化产品。陕西维视数字图像技术有限公司是专业从事机器视觉图像采集产品的研发、机器视觉应用领域设备、计算机图像处理系统解决方案专业提供的高科技企业。该公司主要研发生产图像采集卡、工业相机、工业智能相

11、机、嵌入式图像开发平台，机器视觉图像处理软件，根据客户特殊要求专门开发的机器视觉产品和设备，同时是国外先进的机器视觉部件及视觉系统专业代理及技术服务提供商。以上这些企业借助中国制造业发转型的机遇，会把更多的机器视觉产品应用到工业机器人领域，促进我国机器人行业发展，推动我国制造业转型升级。同时，企业也会在服务国民经济的过程中不断创新和进步，让我国机器视觉设备的研发生产方面，缩短与发达国家之间的差距。智能工业的发展，巨大的传感器市场，可以说，未来五年内传感器的年增长复合率将迅速增高，如ICInsights预计那样，销售额至一2021年将高达101亿美元。近年来，随着智能工业迅速发展，急需一要各种高

12、科技产品辅助生产，催生了各类高科技产品。而据业内专家看来，没有传感器，智能工业、物联网将会是无稽之谈，智能制造等实体经济也是泡沫般存在。近期，ICInsights称，预计到2017年，加速与横摆角速度传感器销售量将增长9%销售额将达到30亿美元；磁场传感器与电子罗盘芯片销量增长8%销售额达到20亿美元；压力传感器销量增长8%销售额达到27亿美元；传动器销量也将增长8%销售额达到49亿美元。由此可见，传感器市场目前是一片“蓝海”/一而今是智能工业化时代，由被可广泛应用于各种消费性及工业应用的无人机便能看出，传感器是智能工业不可缺少的关键元器件。据了解，制造一架高性能无人机至少需要加速度计、陀螺仪

13、、磁罗盘与气压等传感器。止匕外，还需不影响无人机的核心功能运作的特定应用传感器，如湿度传感器等，监测环境湿度参数。将这些传感器安置于无人机的核心位置，可保障无人机稳定，灵敏、速度等性能，确装置功能与导航正常运作。智能工业的发展，需求巨大的传感器市场，可以说，未来五年内传感器的年增长复合率将迅速增高，如ICInsights预计那样，销售额至2021年将高达101亿美元。1 .摄像头和光学部件这一类通常含有一个或多个摄像头和镜头（光学部件），用于拍摄被检测的物体。根据应用，摄像头可以基于如下标准，黑白、复合彩色（Y/C）,RG影色，非标准黑白（可变扫描），步进扫描（progressive-scan

14、）或线扫描。2 .灯光灯光用于照亮部件，以便从摄像头中拍摄到更好的图像，灯光系统可以在不同形状、尺寸和亮度。一般的灯光形式是高频荧光灯、LED白炽灯和石英卤（quartz-halogen）光纤。3 .部件传感器通常以光栅或传感器的形式出现。当这个传感器感知到部件靠近，它会给出一个触发信号。当部件处于正确位置时，这个传感器告诉机器视觉系统去采集图像。:4 .图像采集卡也称为视频抓取卡，这个部件通常是一张插在PC上的卡。这张采集卡的作用将摄像头与PC连接起来。它从摄像头中获得数据（模拟信号或数字信号），然后转换成PC能处理的信息。一它同时可以提供控制摄像头参数（例如触发、曝光时间、快门速度等等）的

15、信号。图像采集卡形式很多，支持不同类型的摄像头，不同的计算机总线。5 .PC平台计算机是机器视觉的关键组成部分。应用在检测方面，通常使用Pentium或更高的CPU。一般来讲，计算机的速度越快，视觉系统处理每一张图片的时间就越短。由于在制造现场中，经常有振动、灰尘、热辐射等等，所以一般需要工业级的计算机。6 .检测软件机器视觉软件用于创建和执行程序、处理采集回来的图像数据、以及作出“通过/失败（PASS/FAIL）”决定。机器视觉有多种形式（C语言库、ActiveX控件、点击编程环境等等），可以是单一功能（例如设计只用来检测LCD或BGA对齐任务等等），也可以是多功能（例如设计一个套件，包含计

16、量、条形码阅读、机器人导航、现场验证等等）7 .数字I/O和网络连接一旦系统完成这个检测部分，这部分必须能与外界通信，例如需要控制生产流程、将“通过/失败（PASS/FAID”的信息送给数据库。通常，使用一张数字I/O板卡和（或）一张网卡来实现机器视觉系统与外界系统和数据库的通信。配置一个基于PC的机器视觉系统认真的计划和注意细节能帮助你确保你的检测系统符合你的应用需求。如下是你必需考虑的几点：确定你的目标，这可能是最重要的一步决定在这个检测任务中你需要实现什么，检测任务通常分为如下几类：测量或计量读取字符或编码（条形码）信息。检测物体的状态认知和识别特殊的特性模式识别将物体与模板进行对比或匹

17、配为机器或机器人导航检测流程可以包含只有一个操作或包含多个与检测任务相关的任务。为了确认你的任务，首先你应该明确为了最大限度检测部件你需要做的测试，也就是你能考虑到会出现的缺陷。二为了明确什么哪个才是最重要的，最好做一张评估表，列出“必须做”和“可以做”的测试。一旦主要的对测试标准满意，随后可以将更多的测试加进去来改善检测过程，一定要记住，添加测试的同时也会增加检测的时间。确定你需要的速度-系统检测每一个部件需要多少时间？这个不只是由PC的速度决定，还受生产流水线速度的影响。很多机器视觉包含了时钟/计时器，所以检测操作的每一步所需要的时间都可以准确测量，从这些数据，我们就可以修改我们的程序以满

18、足时间上的要求。通常，一个基于PC的机器视觉系统每一秒可以检测20-25个部件，与检测部件的多少和处理程序以及计算机的速度有密切关系。聪明地选择你的硬件一套机器视觉系统的性能与它的部件密切相关。在选择的过程中，有很多捷径特别在光学成像上可能很大程度降低系统的效率。如下是在选择部件时你必须紧记的几个基本原则。1 .摄像头摄像头的选择与应用的需求直接相关，通常考虑三点：a）黑白还是彩色；b）部件/目标的运动；G）图像分辨率。柞检测应用中大部分使用黑白摄像头，因为黑白图像能提供90%可视数据，并且比彩色便宜。彩色摄像头主要用于一些需要分析彩色图像的场合里。根据部件在检测时是否移动，决定我们选择标准隔

19、行扫描摄像头还是逐行扫描摄像头。另外，图像的分辨率必须足够高，以提供检测任务需要的足够的数据。最后，摄像头必须质量好和可以避免工业现场中的振动、灰尘和热的影响。J2 .光学部件和照明这个至关重要的因素往往被人所忽略。当你使用一个很差的光学部件或照明，就算你使用最好的机器视觉系统，它表现出的性能甚至比不上一个配上良好光学部件和适当照明的低能力系统。光学部件的目标是产生最好和最大可用面积的图像，并且提供最好的图像分辨率。照明的目标是照亮需要测量或检测的部分的关键特征。通常，照明系统的设计由如下因素决定：颜色、纹理、尺寸、外形、反射率等等。等等。使用模拟输入的图像采集卡，目标是尽量不变地将摄像头采集

20、的图像转换为数字数据。使用不正确的图像采集卡可能得到错误的数据。工业用的图像采集卡通常用于检测任务，多媒体采集卡由于它通过自动增益控制、边沿增强和颜色增强电路来更改图像数据，所以不用在这个领域里。使用数字输入的图像采集卡的目标是将摄像头输出的数字图像数据转换并输送到PC中作处理。一皆虑各种变化：人类的眼睛和大脑可以在不同的条件下识别目标，但是机器视觉系统就不是这样多才多艺了，它只能按程序编写的任务来工作。了解你的系统能看到什么和不能看到什么能帮助你避免失败（例如将好的部件认为是坏的）或其它检测错误。一般要考虑的包括部件颜色、周围光线、焦点、部件的位置和方向和背景颜色的大变化。正确选择软件：机器视觉软件是检测系统中的智能部分，也是最核心的部分。软件的选择决定了你编写调试检测程序的时间、检测操作的性能等等。机器视觉提供了图形化编程界面（通常称为“Point&Click”）通常