計(jì)算機(jī)視覺方向簡介 | 機(jī)器視覺檢測技術(shù)

機(jī)器視覺系統(tǒng)是指利用機(jī)器替代人眼做出各種測量和判斷。機(jī)器視覺是工程領(lǐng)域和科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)非常重要的研究領(lǐng)域，它是一門涉及光學(xué)、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、模式識(shí)別、圖像處理、人工智能、信號(hào)處理以及光電一體化等多個(gè)領(lǐng)域的綜合性學(xué)科。

其應(yīng)用范圍隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展逐漸完善和推廣，其中母子圖像傳感器、CMOS和CCD攝像機(jī)、DSP、ARM嵌入式技術(shù)、圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù)的快速發(fā)展，有力地推動(dòng)了機(jī)器視覺的發(fā)展。

機(jī)器視覺是一種比較復(fù)雜的系統(tǒng)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)系統(tǒng)監(jiān)控對(duì)象都是運(yùn)動(dòng)物體，系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)物體的匹配和協(xié)調(diào)動(dòng)作尤為重要，所以給系統(tǒng)各部分的動(dòng)作時(shí)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)致等，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)或者系統(tǒng)的一部分的重量、體積和功耗都會(huì)有嚴(yán)格的要求。

一個(gè)完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：照明光源、光學(xué)鏡頭、 CCD 攝相機(jī)、圖像采集卡、圖像檢測軟件、監(jiān)視器、通訊單元等。

1、當(dāng)傳感器探測到被檢測物體接近運(yùn)動(dòng)至攝像機(jī)的拍攝中心，將觸發(fā)脈沖發(fā)送給圖像采集卡；

2、圖像采集卡根據(jù)已設(shè)定的程序和延時(shí)，將啟動(dòng)脈沖分別發(fā)送給照明系統(tǒng)和攝像機(jī)；

3、一個(gè)啟動(dòng)脈沖送給攝像機(jī)，攝像機(jī)結(jié)束當(dāng)前的拍照，重新開始一副新的拍照，或者在啟動(dòng)脈沖到來前攝像機(jī)處于等待狀態(tài)，檢測到啟動(dòng)脈沖后啟動(dòng)，在開始新的一副拍照前攝像機(jī)打開曝光構(gòu)件（曝光時(shí)間事先設(shè)定好）；另一個(gè)啟動(dòng)脈沖送給光源，光源的打開時(shí)間需要與攝像機(jī)的曝光時(shí)間匹配；攝像機(jī)掃描和輸出一幅圖像；

4、圖像采集卡接收信號(hào)并通過A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)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)；

5、圖像采集卡將數(shù)字圖像存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中；

6、計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和識(shí)別，獲得檢測結(jié)果；

7、處理結(jié)果控制流水線的動(dòng)作、進(jìn)行定位、糾正運(yùn)動(dòng)的誤差等。

1、圖像采集技術(shù)——機(jī)器視覺的基礎(chǔ)

圖像采集部分一般由光源、鏡頭、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和圖像采集卡構(gòu)成。采集過程可簡單描述為在光源提供照明的條件下，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝目標(biāo)物體并將其轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，最后通過圖像采集卡傳輸給圖像處理部分。

在設(shè)計(jì)圖像采集部分時(shí)，要考慮到多方面的問題，主要是關(guān)于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、圖像采集卡和光源方面的問題。

照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，其直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。到目前為止，還未有哪種機(jī)器視覺照明設(shè)備能通用各種應(yīng)用，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需針對(duì)應(yīng)用選擇相應(yīng)的照明設(shè)備以滿足特定需求。

照明系統(tǒng)按其照射方法可分為:背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。其中，背向照明是指將被測物放在光源和攝像機(jī)之間，以提高圖像的對(duì)比度。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測物的同側(cè)，其優(yōu)點(diǎn)是便于安裝。

結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，并根據(jù)其產(chǎn)生的畸變，解調(diào)出被測物的三維信息。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機(jī)拍攝要求與光源同。

光學(xué)攝像頭的任務(wù)就是進(jìn)行光學(xué)成像，一般在測量領(lǐng)域都又專門的用于測量的攝像鏡頭，因?yàn)槠鋵?duì)成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用。

攝像頭需要注意的一個(gè)問題是畸變。這個(gè)就需要使用相應(yīng)的畸變校正方法，目前也開發(fā)出了很多自動(dòng)畸變自動(dòng)校正系統(tǒng)。

CCD( Charge Coupled Device) 攝像機(jī)及圖像采集卡共同完成對(duì)目標(biāo)圖像的采集與數(shù)字化。目前 CCD，CMOS等固體器件的應(yīng)用技術(shù)，線陣圖型敏感器件，像元尺寸不斷減小，陣列像元數(shù)量不斷增加，像元電荷傳輸速率也得到大幅提高。

在基于PC機(jī)的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像采集卡是控制攝像機(jī)拍照來完成圖像的采集與數(shù)字化，并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的重要設(shè)備。

圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口為：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等形式。

用于機(jī)器視覺的圖像處理與分析方法的核心是，解決目標(biāo)的檢測識(shí)別問題。當(dāng)所需要識(shí)別的目標(biāo)比較復(fù)雜時(shí)，就需要通過幾個(gè)環(huán)節(jié)，從不同的側(cè)面綜合來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別提取的時(shí)候，首先是要考慮如何自動(dòng)地將目標(biāo)物從背景中分離出來。目標(biāo)物提取的復(fù)雜性一般就在于目標(biāo)物與非目標(biāo)物的特征差異不是很大，在確定了目標(biāo)提取方案后，就需要對(duì)目標(biāo)特征進(jìn)行增強(qiáng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，圖像信息處理工作越來越多地借助硬件完成，如 DSP 芯片、專用的圖像信號(hào)處理卡等。

軟件部分主要用來完成算法中并不成熟又較復(fù)雜或需不斷完善改進(jìn)的部分。這一方面提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)又降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。

三、機(jī)器視覺的應(yīng)用與優(yōu)勢

1、機(jī)器視覺技術(shù)的應(yīng)用范圍

（1） 在工業(yè)檢測方面

近幾十年來，在工業(yè)檢測中利用視覺系統(tǒng)的非接觸、速度快、精度合適、現(xiàn)場抗干擾能力強(qiáng)等突出的優(yōu)點(diǎn)，使機(jī)器視覺技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

自動(dòng)視覺識(shí)別檢測目前已經(jīng)用于產(chǎn)品外形和表面缺陷檢驗(yàn)，如木材加工檢測、金屬表面視覺檢測、二極管基片檢查、印刷電路板缺陷檢查、焊縫缺陷自動(dòng)識(shí)別等。

這些檢測識(shí)別系統(tǒng)屬于二維機(jī)器視覺，技術(shù)已經(jīng)較為成熟，其基本流程是用一個(gè)攝像機(jī)獲取圖像，對(duì)所獲取的圖像進(jìn)行處理及模式識(shí)別，檢測出所需的內(nèi)容。

在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，機(jī)器視覺主要用于醫(yī)學(xué)輔助診斷。首先采集核磁共振、超聲波、激光、Ｘ射線、γ射線等對(duì)人體檢查記錄的圖像，再利用數(shù)字圖像處理技術(shù)、信息融合技術(shù)對(duì)這些醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行分析、描述和識(shí)別，最后得出相關(guān)信息，對(duì)輔助醫(yī)生診斷人體病源大小、形狀和異常，并進(jìn)行有效治療發(fā)揮了重要的作用。

不同醫(yī)學(xué)影像設(shè)備得到的是不同特性的生物組織圖像，如Ｘ射線反映的是骨骼組織，核磁共振影像反映的是有機(jī)組織圖像，而醫(yī)生往往需要考慮骨骼有機(jī)組織的關(guān)系，因而需要利用數(shù)字圖像處理技術(shù)將兩種圖像適當(dāng)?shù)丿B加起來，以便于醫(yī)學(xué)分析。

智能交通監(jiān)控領(lǐng)域中，在重要的十字路口安放攝像頭，就可以利用攝像頭的快速拍照功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)違章、逆行等車牌的車牌進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別、存貯，以便相關(guān)的工作人員進(jìn)行查看。

人工檢測法和橋檢車法都是依靠人工用肉眼對(duì)橋梁表面進(jìn)行檢測，其速度慢，效率低，漏檢率高，實(shí)時(shí)性差，影響交通，存在安全隱患，很難大幅應(yīng)用；

無損檢測包括激光檢測、超聲波檢測以及聲發(fā)射檢測等多種檢測技術(shù)，它們儀器昂貴，測量范圍小，不能滿足日益發(fā)展的橋梁檢測要求；

智能化檢測有基于導(dǎo)電性材料的混凝土裂縫分布式自動(dòng)檢測系統(tǒng)和智能混凝土技術(shù)，也有最前沿的基于機(jī)器視覺的檢測方法。

導(dǎo)電性材料技術(shù)雖然使用方便，設(shè)備簡單，成本低廉，但是均需要事先在混凝土結(jié)構(gòu)上涂刷或者埋設(shè)導(dǎo)電性材料進(jìn)行檢測，而且智能混凝土技術(shù)還無法確定裂縫位置、裂縫寬度等一系列問題距實(shí)用化還有較長的距離；

而基于機(jī)器視覺的檢測方法是利用CCD相機(jī)獲取橋梁表觀圖片，然后運(yùn)用計(jì)算機(jī)處理后自動(dòng)識(shí)別出裂縫圖像，并從背景中分離出來然后進(jìn)行裂縫參數(shù)的計(jì)算的方法，它具有便捷、直觀、精確、非接觸、再現(xiàn)性好、適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，能解放勞動(dòng)力，排除人為干擾，具有很好的應(yīng)用前景。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，混凝土橋梁的損壞有90%以上都是由裂縫引起的，因此對(duì)橋梁的健康檢測主要是對(duì)橋梁表觀的裂縫進(jìn)行檢測與測量。

基于機(jī)器視覺的橋梁檢測技術(shù)主要包括三部分內(nèi)容：橋梁表觀圖像的獲取技術(shù)、基于圖像的裂縫自動(dòng)識(shí)別理論與算法以及基于圖像的裂縫寬度等病害程度定量化測量方法。

基于機(jī)器視覺的自動(dòng)化、智能化檢測技術(shù)已經(jīng)在道路、隧道上得到了成功應(yīng)用，在橋梁上也得到了初步的應(yīng)用，但主要集中在視線開闊的高空混凝土構(gòu)件表觀圖像獲取技術(shù)上，在病害的自動(dòng)識(shí)別方面仍停留在理論研究階段，還無法應(yīng)用于實(shí)際工程當(dāng)中。

針對(duì)量大面廣的混凝土梁體，智能化視頻橋梁檢測車進(jìn)入理論與關(guān)鍵部件模型的研制階段，但是受到橋梁細(xì)小裂縫自動(dòng)識(shí)別與清晰圖像快速化獲取難度大的限制，目前離達(dá)到實(shí)用化程度的要求還相距甚遠(yuǎn)。

2、機(jī)器視覺技術(shù)的優(yōu)勢

針對(duì)量大面廣的混凝土梁體

1、效率：工業(yè)自動(dòng)化的快速發(fā)展，使生產(chǎn)效率大幅提升，從而對(duì)檢測效率提出了更高的要求。人工檢測效率是在一個(gè)固定區(qū)間，無法大幅提升，而在流水線重復(fù)且機(jī)械化的檢測過程中，檢察人員很容易出現(xiàn)疲勞而導(dǎo)致檢測效率降低;而機(jī)器視覺能夠更快的檢測產(chǎn)品，特別是在生產(chǎn)線檢測高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，機(jī)器能夠提高檢測效率，速度甚至能夠到達(dá)人工10-20倍；

2、精度：由于人員有物理?xiàng)l件的限制，即使是依靠放大鏡或顯微鏡來檢測產(chǎn)品，也會(huì)受到主觀性方面的影響，精度無法得到保證，而且不同的檢測人員的標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)存在有差異；在精確性上機(jī)器有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它的精度能夠達(dá)到千分之一英寸。而且機(jī)器不受主觀控制，只要參數(shù)設(shè)置沒有差異，相同配置的多臺(tái)機(jī)器均能保持相同精度

3、客觀性：人工檢測難免會(huì)出現(xiàn)疲勞，同時(shí)有一個(gè)致命缺陷，就是情緒帶來的主觀性，檢測結(jié)果會(huì)隨檢察人員心情的好壞產(chǎn)生變化；而機(jī)器沒有喜怒哀樂，它所帶來的檢測結(jié)果自然更加客觀可靠。

4、重復(fù)性：機(jī)器可以以相同的方法一次一次的完成檢測工作而不會(huì)感到疲倦；與此相反，人工長期重復(fù)性檢測肯定會(huì)產(chǎn)生疲勞，同時(shí)每次檢測產(chǎn)品時(shí)都會(huì)有細(xì)微的不同，即使產(chǎn)品是完全相同。

5、環(huán)境：機(jī)器視覺是通過即圖像攝取裝置將目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，在測量工件過程中，無需與工件進(jìn)行接觸，因此能夠適應(yīng)惡劣危險(xiǎn)生產(chǎn)環(huán)境，同時(shí)也不會(huì)對(duì)工件造成接觸性損傷；而人工則需要與工件進(jìn)行接觸性檢測，因?yàn)闊o法應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境，且在檢查過程中不可避免的會(huì)對(duì)工件造成接觸性損傷；

6、成本機(jī)器視覺前期投入會(huì)比較多，但屬于一次性投入，長期產(chǎn)出，由于機(jī)器視覺的發(fā)展越來越迅速，價(jià)格也會(huì)逐漸降低；而人工檢測則需要長期投入，且人工管理成本會(huì)呈不斷上升的趨勢。由于機(jī)器比人工的檢測效率高很多，因此長期來看，機(jī)器視覺成本會(huì)更低；

7、信息集成：機(jī)器視覺可以通過多工位檢測方法，一次性完成待檢產(chǎn)品的輪廓、尺寸、外觀缺陷、產(chǎn)品高度等多技術(shù)參數(shù)的測量；而人工檢測在面對(duì)不同的檢測內(nèi)容時(shí)，只能通過多工位合作協(xié)調(diào)完成，而不同員工檢測標(biāo)準(zhǔn)不一，極容易出現(xiàn)誤檢的情況；

8、數(shù)字化：機(jī)器視覺在工作過程中產(chǎn)生的說要測量數(shù)據(jù)，均可獨(dú)立拷貝或以網(wǎng)絡(luò)連接方式拷出，便于生產(chǎn)過程統(tǒng)計(jì)和分析。同時(shí)還可在檢測后導(dǎo)出指定數(shù)據(jù)并生產(chǎn)報(bào)表，無需人工一一添加，這無疑大大優(yōu)于人工檢測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；

總體來說，機(jī)器視覺對(duì)比人工檢測具有自動(dòng)化、客觀、非接觸和高精度等特點(diǎn)。特別是在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，機(jī)器視覺強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)的精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的可靠性，在重復(fù)和機(jī)械性的工作中具有較大的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)企業(yè)來說是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)重要的一步。

機(jī)器視覺可以說是人工智能的最下層的基礎(chǔ)設(shè)施層， 在人工智能產(chǎn)業(yè)行業(yè)應(yīng)用最主要幾個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中，機(jī)器視覺的應(yīng)用領(lǐng)域非常深、非常多，從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的全景圖來講，中國的人工智能產(chǎn)業(yè)處在快速的生態(tài)的構(gòu)建期。

從整個(gè)機(jī)器視覺的領(lǐng)域來講，它是處在快速的重構(gòu)期，通過市場分析來看，機(jī)器視覺并不是特別新興的領(lǐng)域，這從最早圖像處理衍生到現(xiàn)在，市場上有很多大的廠商對(duì)智能安防和交通做了很久的深耕，他們最開始不是做機(jī)器視覺、人臉識(shí)別起家的，在這幾個(gè)行業(yè)中很多廠商都處于并駕齊驅(qū)、快速發(fā)展階段。

賽迪顧問預(yù)測到2018年中國人工智能市場規(guī)模會(huì)超過406億，這個(gè)復(fù)合增長率會(huì)達(dá)到25.8%，增速是快于全球的整個(gè)增長率的。在市場結(jié)構(gòu)上來講，也是存在著整體的情況。投資規(guī)模來講，在去年一年，從投資的整個(gè)額度包括投資筆數(shù)都呈快速增加的態(tài)勢，而且很多從事人工智能和機(jī)器視覺的企業(yè)數(shù)量也在快速地增加。

未來，通過人工智能方面利好的政策，在這四個(gè)領(lǐng)域會(huì)有比較大的機(jī)遇，安防、交通，金融，消費(fèi)電子這是機(jī)器視覺領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的應(yīng)用行業(yè)方向。

第一是現(xiàn)在巨頭做機(jī)器視覺，包括人工智能演進(jìn)，他們都是呈開元化，這在中國來講比如華為，對(duì)他們來說開源的思路，到底開源怎么用，有很多理念上跟國外還是有一定的差距，很多開源做完代碼自己封裝自己用了，其實(shí)從整個(gè)思路來講，國外開源理念上是更先進(jìn)的。當(dāng)然有其背后的原因，很多企業(yè)基本上在提交人工智能代碼上走著開源化部署道路。

整個(gè)產(chǎn)業(yè)的演進(jìn)方向，目前處在快速回報(bào)期。整個(gè)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品技術(shù)演進(jìn)會(huì)存在周期的波動(dòng)，機(jī)器視覺領(lǐng)域以及計(jì)算機(jī)視覺，仍是處在快速的回報(bào)期，也就是說它的技術(shù)已經(jīng)得到成熟，市場關(guān)注度也在快速地回升，它是未來能夠得到快速回報(bào)的重點(diǎn)產(chǎn)品和領(lǐng)域。

最后就是在目前中國整個(gè)市場發(fā)展，包括政府的規(guī)劃中，智慧城市這個(gè)話題又重新火熱起來了，很多年前建設(shè)了很多，但是發(fā)展都不是特別順利，現(xiàn)在隨著人工智能整個(gè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，這個(gè)動(dòng)力和熱潮，主要原因就是技術(shù)實(shí)力能夠解決真正的剛需和真正的問題，在數(shù)據(jù)方面我們預(yù)測今年中國智慧城市建設(shè)數(shù)量超過500個(gè)，在整個(gè)智慧城市的產(chǎn)業(yè)定義上來講，機(jī)器視覺領(lǐng)域需求量特別大的，很多的包括智慧城市的定義就是說，什么叫智慧城市，就是攝象頭數(shù)量多少個(gè)，這是一個(gè)很剛性的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)智能，包括具備人臉識(shí)別功能攝象頭需求量未來是非常大的。