什么是機(jī)器視覺系統(tǒng)
摘要：機(jī)器視覺技術(shù)是計算機(jī)學(xué)科的一個重要分支，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)，涉及到計算機(jī)、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機(jī)電一體化等多個領(lǐng)域。自起步發(fā)展至今，機(jī)器視覺已經(jīng)有20多年的歷史，其功能以及應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中特別是目前的數(shù)字圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機(jī)、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識別等技術(shù)的快速發(fā)展，大大地推動了機(jī)器視覺的發(fā)展。
簡而言之，機(jī)器視覺就是利用機(jī)器代替人眼來作各種測量和判斷。在生產(chǎn)線上，人來做此類測量和判斷會因疲勞、個人之間的差異等產(chǎn)生誤差和錯誤，但是機(jī)器卻會不知疲倦地、穩(wěn)定地進(jìn)行下去。一般來說，機(jī)器視覺系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對于每一個應(yīng)用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機(jī)、檢測目標(biāo)的尺寸還是檢測目標(biāo)有無缺陷、視場需要多大、分辨率需要多高、對比度需要多大等。從功能上來看，典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。
一個完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要工作過程如下：
1、工件定位檢測器探測到物體已經(jīng)運動至接近攝像系統(tǒng)的視野中心，向圖像采集部分發(fā)送觸發(fā)脈沖。
2、圖像采集部分按照事先設(shè)定的程序和延時，分別向攝像機(jī)和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動脈沖。
3、攝像機(jī)停止目前的掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機(jī)在啟動脈沖來到之前處于等待狀態(tài)，啟動脈沖到來后啟動一幀掃描。
4、攝像機(jī)開始新的一幀掃描之前打開曝光機(jī)構(gòu)，曝光時間可以事先設(shè)定。
5、另一個啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時間應(yīng)該與攝像機(jī)的曝光時間匹配。
6、攝像機(jī)曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出。
7、圖像采集部分接收模擬視頻信號通過A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機(jī)數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。
8、圖像采集部分將數(shù)字圖像存放在處理器或計算機(jī)的內(nèi)存中。
9、處理器對圖像進(jìn)行處理、分析、識別，獲得測量結(jié)果或邏輯控制值。
10、處理結(jié)果控制流水線的動作、進(jìn)行定位、糾正運動的誤差等。
從上述的工作流程可以看出，機(jī)器視覺是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因為大多數(shù)系統(tǒng)監(jiān)控對象都是運動物體，系統(tǒng)與運動物體的匹配和協(xié)調(diào)動作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動作時間和處理速度帶來了嚴(yán)格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機(jī)器人、飛行物體導(dǎo)制等，對整個機(jī)器視覺系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會有嚴(yán)格的要求。
機(jī)器視覺系統(tǒng)的優(yōu)點有：
1、非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
2、機(jī)器視覺系統(tǒng)具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴(kuò)展了人眼的視覺范圍。
3、長時間穩(wěn)定工作，人類難以長時間對同一對象進(jìn)行觀察，而機(jī)器視覺則可以長時間地作測量、分析和識別任務(wù)。
機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂等等行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，可以說已經(jīng)深入到我們的生活、生產(chǎn)和工作的方方面面。
簡而言之，機(jī)器視覺就是利用機(jī)器代替人眼來作各種測量和判斷。在生產(chǎn)線上，人來做此類測量和判斷會因疲勞、個人之間的差異等產(chǎn)生誤差和錯誤，但是機(jī)器卻會不知疲倦地、穩(wěn)定地進(jìn)行下去。一般來說，機(jī)器視覺系統(tǒng)包括了照明系統(tǒng)、鏡頭、攝像系統(tǒng)和圖像處理系統(tǒng)。對于每一個應(yīng)用，我們都需要考慮系統(tǒng)的運行速度和圖像的處理速度、使用彩色還是黑白攝像機(jī)、檢測目標(biāo)的尺寸還是檢測目標(biāo)有無缺陷、視場需要多大、分辨率需要多高、對比度需要多大等。從功能上來看，典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。
一個完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)的主要工作過程如下：
1、工件定位檢測器探測到物體已經(jīng)運動至接近攝像系統(tǒng)的視野中心，向圖像采集部分發(fā)送觸發(fā)脈沖。
2、圖像采集部分按照事先設(shè)定的程序和延時，分別向攝像機(jī)和照明系統(tǒng)發(fā)出啟動脈沖。
3、攝像機(jī)停止目前的掃描，重新開始新的一幀掃描，或者攝像機(jī)在啟動脈沖來到之前處于等待狀態(tài)，啟動脈沖到來后啟動一幀掃描。
4、攝像機(jī)開始新的一幀掃描之前打開曝光機(jī)構(gòu)，曝光時間可以事先設(shè)定。
5、另一個啟動脈沖打開燈光照明，燈光的開啟時間應(yīng)該與攝像機(jī)的曝光時間匹配。
6、攝像機(jī)曝光后，正式開始一幀圖像的掃描和輸出。
7、圖像采集部分接收模擬視頻信號通過A/D將其數(shù)字化，或者是直接接收攝像機(jī)數(shù)字化后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)。
8、圖像采集部分將數(shù)字圖像存放在處理器或計算機(jī)的內(nèi)存中。
9、處理器對圖像進(jìn)行處理、分析、識別，獲得測量結(jié)果或邏輯控制值。
10、處理結(jié)果控制流水線的動作、進(jìn)行定位、糾正運動的誤差等。
從上述的工作流程可以看出，機(jī)器視覺是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因為大多數(shù)系統(tǒng)監(jiān)控對象都是運動物體，系統(tǒng)與運動物體的匹配和協(xié)調(diào)動作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動作時間和處理速度帶來了嚴(yán)格的要求。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，例如機(jī)器人、飛行物體導(dǎo)制等，對整個機(jī)器視覺系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會有嚴(yán)格的要求。
機(jī)器視覺系統(tǒng)的優(yōu)點有：
1、非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性。
2、機(jī)器視覺系統(tǒng)具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴(kuò)展了人眼的視覺范圍。
3、長時間穩(wěn)定工作，人類難以長時間對同一對象進(jìn)行觀察，而機(jī)器視覺則可以長時間地作測量、分析和識別任務(wù)。
機(jī)器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通、醫(yī)療、金融甚至體育、娛樂等等行業(yè)都獲得了廣泛的應(yīng)用，可以說已經(jīng)深入到我們的生活、生產(chǎn)和工作的方方面面。
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