機器視覺，是通過光學裝置和非接觸式的傳感器，自動地接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置。這是美國制造工程師協(xié)會(SME)機器視覺分會和美國機器人工業(yè)協(xié)會(RIA)自動化視覺分會，對機器視覺的定義。

? SME——Society of Manufacturing Engineers

? RIA——Robotic Industrial Association

機器視覺，就是用機器代替人眼，來做測量和判斷。本質上，機器視覺是圖像分析技術在工廠自動化中的應用，通過使用光學系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)字相機和圖像處理工具，來模擬人的視覺能力，并做出相應的決策，通過指揮某種特定的裝置執(zhí)行這些決策。

在現(xiàn)代自動化生產過程中，機器視覺已經開始慢慢取代人工視覺，尤其是在工況檢測、成品檢驗、質量控制等領域，隨著工業(yè)4.0時代的到來，這一趨勢不可逆轉。

為什么要用機器視覺替代人工視覺

原因有很多，以下列出較主要的幾點：

1、從生產效率的角度來說，由于操作工在長時間工作下容易疲憊，人工視覺質量效率低下且精度不高，而機器視覺可以提高生產效率和自動化程度。

2、從成本控制的角度來說，培訓一個合格的操作工需要企業(yè)管理者花費大量的人力物力，然而單純的培訓還遠遠不夠，后續(xù)還需要花費大量的時間，使操作工的水平在實踐中得到提升。而機器視覺系統(tǒng)只要設計、調試和操作得當，可以在很長一段時間內不間斷使用，同時確保生產效果。

3、在某些特殊工業(yè)環(huán)境中實施工況檢測，如焊接制造等，人工視覺可能會對操作工的人身安全造成威脅，而機器視覺從某種程度上有效地規(guī)避了這些風險。

機器視覺涵蓋哪些領域

一個機器視覺系統(tǒng)是由不同的功能模塊共同組成，設計出一個成功的機器視覺系統(tǒng)，對工程師要求很高。

一般來說，機器視覺所涵蓋的專業(yè)領域如下：

1、電氣工程：用于機器視覺系統(tǒng)中硬件和軟件的設計。

2、工程數(shù)學：圖像處理技術的基礎。

3、物理：照明系統(tǒng)設計的基礎。

4、機械工程：機器視覺系統(tǒng)的應用。好的機器視覺系統(tǒng)能更好地為制造業(yè)提供更多有利于提高產品質量和生產效率的技術支持。

機器視覺系統(tǒng)的構成模塊

一個完整的機器視覺系統(tǒng)一般由光學系統(tǒng)(光源、鏡頭、工業(yè)相機)、圖像采集單元、圖像處理單元、執(zhí)行機構及人機界面等模塊組成，功能模塊相輔相成，缺一不可。

照明(光源)

照明是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，光源系統(tǒng)的設計至關重要，直接關系到輸入數(shù)據(jù)，即圖像的質量和應用效果。

工程師需根據(jù)用戶需求和產品特性，首先確定有效的照明條件，選擇相應的照明裝置，才能確保在此光照條件下生成的圖像能突顯出用戶需要的目標信息特征。

光源一般分為可見光源和不可見光源，工業(yè)上常用的可見光源有LED、鹵素燈、熒光燈等;不可見光源主要為近紅外光、紫外光、X射線等。

LED光源是目前運用教多的機器視覺光源，它具有效率高、壽命長、防潮抗震、節(jié)能環(huán)保等特點，是工程師在設計照明系統(tǒng)時的選擇。

不可見光源主要用來應對一些特定的需求，如管道焊接工藝的檢測，由于不可見光的可穿透性，才能到達檢測點。

鏡頭

鏡頭是機器視覺系統(tǒng)中的重要組件，其作用是光學成像。

鏡頭的主要參數(shù)有焦距、景深(DOF，Depth of Field)、分辨率、工作距離、視場(FOV，F(xiàn)ield of View)等。

景深，是指鏡頭能夠獲得圖像時，被攝物體離此焦點前后的距離范圍。

視場，表示攝像頭所能觀測到的范圍，通常以角度表示，一般說來，視場越大，觀測范圍越大。

工作距離，是指鏡頭到被攝物體的距離，工作距離越長，成本越高。

在設計機器視覺系統(tǒng)時，要選擇參數(shù)與用戶需求相匹配的鏡頭。

工業(yè)相機

在機器視覺系統(tǒng)中工業(yè)相機必不可少，它就像人眼一樣，用來捕獲圖像。相機按其感光器的不同，可分為：CCD相機;CMOS 相機。

?CCD—Charge Coupled Device

?CMOS —Complementary MetalOxide Semiconductor

CCD相機的成本較高，但成像品質、成像通透性、色彩的豐富性等較CMOS相機出色很多。CCD相機按其使用的CCD感光元件可分為線陣式和面陣式兩大類。

線陣相機，是呈“線”狀的，對圖像的信息只能以行為單位進行處理，分辨率高，速度快，主要應用于工業(yè)、醫(yī)療、科研等領域中，相配套的機器視覺系統(tǒng)上。

面陣式相機則一次可以獲得整幅圖像的信息，價格相對便宜。

圖像采集單元

圖像采集單元中重要的元件是圖像采集卡，它是圖像采集單元與圖像處理單元的接口，用來將采集到的圖像進行數(shù)字化，并輸入、存儲到計算機中。

圖像處理單元包含大量圖像處理算法。在取得圖像后，用這些算法對數(shù)字圖像進行處理，分析計算，并輸出結果。

執(zhí)行機構與人機界面

在完成圖像采集和處理工作之后，需要將圖像處理的結果輸出，并做出與結果相匹配的動作，如剔廢、報警等，并通過人機界面顯示生產信息。

機器視覺系統(tǒng)的原理

通過光學系統(tǒng)，將需要拍攝的目標轉換成為圖像信號，再將圖像信號傳送至圖像采集卡，并根據(jù)像素分布、亮度、顏色等信息，轉換成為數(shù)字信號。

圖像處理單元對這些數(shù)字信號進行有效地運算并獲得拍攝目標的特征值，從而根據(jù)判別的結果來指揮設備進行相對應的動作。

機器視覺系統(tǒng)的流程

這張圖，是一個完整的機器視覺系統(tǒng)構架圖。

以安瓿注射劑中異物自動燈檢為例，該機器視覺系統(tǒng)的工作流程如下：

首先，待檢的安瓿瓶由機械輸送裝置輸送至檢測工位，傳感器向PLC發(fā)出“物體已到達”信號。

隨后，相機(camera and lens)和光源(light source)被觸發(fā)并同步開啟，對待檢安瓿瓶中液體進行圖像獲取。

接著，獲取到的藥液狀態(tài)圖像在圖像采集卡(image processing hardware)中進行數(shù)字化，并將被數(shù)字化的圖像存儲在計算機中。

然后，所存儲的信息被運到圖像處理軟件，對數(shù)字圖像信號進行處理與異物特征分析，判斷液體質量是否合乎要