1.機(jī)器視覺(jué)的歷史

人類(lèi)感知外部世界主要是通過(guò)視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和嗅覺(jué)等感覺(jué)器官，而視覺(jué)，是人類(lèi)最重要的感覺(jué)功能。視，就是看；覺(jué)，就是感覺(jué)、感知。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人所感知的外界信息有80%以上是由視覺(jué)得到的，“百聞不如一見(jiàn)”這句話(huà)生動(dòng)地說(shuō)明了視覺(jué)對(duì)獲得客觀世界信息的重要性。通過(guò)視覺(jué)，我們可以感受到物體的位置，亮度以及物體之間的相互關(guān)系，感知外部世界豐富多采的信息。

然而，面對(duì)紛繁復(fù)雜的大千世界，人眼的感知能力也是非常有限的。如果用成像器件的某些指標(biāo)去分析人眼，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一些有趣的結(jié)論：人眼的分辨率約為1600萬(wàn)像素左右，幀速率約為20fps動(dòng)態(tài)范圍有14-16Bit左右，光譜響應(yīng)范圍為400nm-700nm。超出了這個(gè)范圍，人眼將無(wú)法準(zhǔn)確做出視覺(jué)分辨。

一直以來(lái)，人們都在努力尋找能夠代替和彌補(bǔ)人眼先天不足的產(chǎn)品，以便拓展人類(lèi)的視野，增強(qiáng)我們認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力。由此，逐漸形成了一門(mén)新學(xué)科——機(jī)器視覺(jué)。

機(jī)器視覺(jué)，顧名思義就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)理論構(gòu)想出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代。1947年貝爾實(shí)驗(yàn)室研制出第一個(gè)晶體管，拉開(kāi)半導(dǎo)體行業(yè)的序幕。由于固態(tài)成像芯片的問(wèn)世，1954年到1956年，全晶體管電視機(jī)和晶體管電子計(jì)算機(jī)先后問(wèn)世，此時(shí)顯示技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)已能初步滿(mǎn)足人類(lèi)需求。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器視覺(jué)奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)，50年代后期，用機(jī)器來(lái)代替人類(lèi)視覺(jué)的想法被人首次提出。

隨著20世紀(jì)60年代集成電路電視機(jī)和集成電路計(jì)算機(jī)先后問(wèn)世，世界上最早的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)誕生在1967年。系統(tǒng)采用了閉路電視成像，將視頻信號(hào)傳輸?shù)诫娮与娐分杏糜跈z測(cè)工件。隔行掃描、模擬信號(hào)、固定分辨率在現(xiàn)在看起來(lái)相當(dāng)落后，但這標(biāo)志著機(jī)器視覺(jué)由理論變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

1969年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家威廉.博伊爾和約翰.史密斯發(fā)明CCD圖像傳感芯片，這個(gè)劃時(shí)代的發(fā)明使人們可以數(shù)字信號(hào)的模式獲得圖像信息，為圖像技術(shù)帶來(lái)巨大飛躍。

時(shí)間進(jìn)入70年代，大規(guī)模、超大規(guī)模電子計(jì)算機(jī)先后出現(xiàn)，圖像技術(shù)也在日新月異的發(fā)展，各方面技術(shù)都較為成熟，機(jī)器視覺(jué)進(jìn)入了真正的發(fā)展期。

80年代開(kāi)始，個(gè)人電腦行業(yè)大舉興起，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)伴隨著PC的更新和普及得到了飛速的成熟和發(fā)展，現(xiàn)如今機(jī)器視覺(jué)已從最開(kāi)始的半導(dǎo)體檢測(cè)到現(xiàn)在滲透到各行各業(yè)，與我們的生活息息相關(guān)。

智能安防	流量技術(shù)	流量與軌跡分析
智能虹膜識(shí)別	危險(xiǎn)事件探測(cè)	智能物流

2.機(jī)器視覺(jué)的特點(diǎn)

和人類(lèi)視覺(jué)相比較，機(jī)器視覺(jué)的優(yōu)勢(shì)非常明顯：

精準(zhǔn)性一受生理?xiàng)l件的限制，人眼在光譜波段、分辨率和速度上都存在生理極限，超出此極限后人眼就無(wú)法進(jìn)行正確的判斷。機(jī)器視覺(jué)以其區(qū)域廣闊的分辨率和幀頻占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)。相機(jī)分辨率從最常見(jiàn)的VGA分辨率到千萬(wàn)像素級(jí)分辨率，幀頻從個(gè)位數(shù)到幾百fps均可自由選擇，工作環(huán)境無(wú)論是在可見(jiàn)光下還是紅外、X光等特殊環(huán)境均可找到相應(yīng)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。

穩(wěn)定性一個(gè)體差異在人類(lèi)中廣泛存在，且人類(lèi)的情緒變化會(huì)對(duì)自身主觀判斷造成影響。人眼進(jìn)行視覺(jué)判斷所得結(jié)果通常會(huì)因人員的不同而出現(xiàn)各種誤差，固定人員心情不同時(shí)做出的視覺(jué)判斷也會(huì)有不同的結(jié)果。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)各部分均由機(jī)器元件組成，其良好的穩(wěn)定性和客觀性保證了所得結(jié)果能保持一致。

重復(fù)性一人類(lèi)會(huì)因工作時(shí)間的持續(xù)、工作內(nèi)容的重復(fù)而產(chǎn)生生理狀態(tài)的變化，如勞累疲倦等，從而對(duì)視覺(jué)產(chǎn)生影響。而機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)則可以在長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)性的工作中保持相同的狀態(tài)，保證每一次的工作結(jié)果都能達(dá)到同樣的標(biāo)準(zhǔn)。

速度快一在視覺(jué)速度上，機(jī)器可以輕松達(dá)到人類(lèi)可望不可及的高度。當(dāng)工作對(duì)象是運(yùn)動(dòng)物體特別是高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，比如說(shuō)生產(chǎn)線(xiàn)上，機(jī)器視覺(jué)代替人類(lèi)視覺(jué)能夠大幅度提高生產(chǎn)效率。

低成本一機(jī)器運(yùn)動(dòng)速度快，一臺(tái)機(jī)器可以輕松承擔(dān)幾個(gè)人的工作量。另外機(jī)器可以連續(xù)工作，不需要休息、請(qǐng)假，可以在提高產(chǎn)能的同時(shí)節(jié)省人工開(kāi)支。

非接觸—機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在工作時(shí)不和工作對(duì)象產(chǎn)生接觸，對(duì)雙方對(duì)象均不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，尤其是在一些具有危險(xiǎn)性、惡劣的或高精密的工作項(xiàng)目和環(huán)境中，可代替人進(jìn)行視覺(jué)類(lèi)工作，降低人工操作風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品精密性。

3.機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般由以下五大部分組成：光源、鏡頭、相機(jī)、圖像采集卡和處理軟件。光源、鏡頭、相機(jī)組成前端的成像系統(tǒng)，決定了系統(tǒng)成像的好壞；采集卡和處理軟件組成后端的圖像處理系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)對(duì)圖像進(jìn)行分析處理的算法研究、軟硬件優(yōu)化技術(shù)、硬件處理技術(shù)等。

相機(jī)是前端成像系統(tǒng)中的核心器件，相機(jī)中的芯片是決定相機(jī)性能的關(guān)鍵部分。機(jī)器視覺(jué)中主要采用的兩類(lèi)光電傳感芯片分別為CCD芯片和CMOS芯片，這兩類(lèi)芯片在技術(shù)上有很大差別，但他們的作用都是通過(guò)光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)以獲得圖像。二者的成像過(guò)程都同樣按以下步驟：

1.光電轉(zhuǎn)換（將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)）

2.電荷收集（以一定的形式收集并貯存代表入射光能量的電荷信號(hào)）

3.信號(hào)轉(zhuǎn)換與輸出（CCD以模擬信號(hào)的形式輸出，CMOS可以直接輸出數(shù)字信號(hào)）

CCD和CMOS芯片都是由結(jié)構(gòu)為金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS結(jié)構(gòu)）的像元陣列構(gòu)成，每個(gè)像元都起到吸收光強(qiáng)，并轉(zhuǎn)換為光生電荷信號(hào)的作用。二者不同之處在于：

CCD芯片采用一個(gè)讀出節(jié)點(diǎn)將所有像元中產(chǎn)生的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓，因此需要通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移將所有像元中的電荷依次轉(zhuǎn)移到讀出節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換并讀出。	CMOS芯片像元中產(chǎn)生的電荷信號(hào)在像元內(nèi)部直接轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，不需要進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，每個(gè)像元直接輸出電壓信號(hào)。

兩種芯片相比較來(lái)說(shuō)，CMOS芯片制作工藝相對(duì)較為簡(jiǎn)單，價(jià)格相對(duì)低廉，成品尺寸限制較小，耗能較小，但由于CMOS芯片結(jié)構(gòu)決定其各個(gè)像元獨(dú)立進(jìn)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換，每個(gè)像元中放大器之間的差異導(dǎo)致長(zhǎng)期以來(lái)CMOS芯片成像質(zhì)量劣于CCD芯片，噪聲較高，一般用于圖像質(zhì)量要求較低的場(chǎng)合。隨著近年來(lái)CMOS芯片技術(shù)的不斷革新，CMOS芯片光電靈敏度提高，噪聲減小，動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大，成像質(zhì)量提高，性能參數(shù)逐漸和CCD芯片相接近，再加上其本身的固有優(yōu)勢(shì)，CMOS芯片目前正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

視覺(jué)軟件是整個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分，視覺(jué)軟件主要通過(guò)對(duì)圖像的分析、處理和識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定目標(biāo)特征的檢測(cè)。由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使應(yīng)用于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的圖像處理軟件技術(shù)得到了高速發(fā)展。

圖像處理和分析工具主要功能是進(jìn)行圖像增強(qiáng)，便于后續(xù)的專(zhuān)業(yè)視覺(jué)工具進(jìn)行識(shí)別和理解。常用的圖像處理和分析工具包括：直方圖工具、濾波操作、形態(tài)學(xué)操作、輪廓提取、幾何變換、顏色空間變換。

專(zhuān)業(yè)視覺(jué)工具是專(zhuān)門(mén)針對(duì)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用特性開(kāi)發(fā)的綜合視覺(jué)工具，最主要的四大功能包括：標(biāo)定工具、定位工具、測(cè)量工具、檢測(cè)工具。

標(biāo)定工具

標(biāo)定工具的主要功能是建立圖像像素空間與真實(shí)物理空間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)由圖像坐標(biāo)到空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。常用靶標(biāo)類(lèi)型為棋盤(pán)靶標(biāo)、點(diǎn)陣靶標(biāo)。

期盼靶標(biāo)	點(diǎn)陣靶標(biāo)

定位工具

定位工具的目的為在圖像中確定一個(gè)或多個(gè)預(yù)先訓(xùn)練過(guò)得特征的位置，并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行度量。

區(qū)域定位	幾何定位

測(cè)量工具

測(cè)量工具的目的在于利用圖像對(duì)物體的2-D尺寸進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)。

                                                           測(cè)量工具

檢測(cè)工具

檢測(cè)工具能夠高效的產(chǎn)生實(shí)時(shí)圖像與模版圖像之間的差值圖像，是缺陷檢測(cè)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

檢測(cè)工具

此外，專(zhuān)業(yè)視覺(jué)工具還包括二維特征分析工具、字符識(shí)別工具、條碼識(shí)別工具、顏色分析工具。