1.機器視覺的歷史

人類感知外部世界主要是通過視覺、觸覺、聽覺和嗅覺等感覺器官，而視覺，是人類最重要的感覺功能。視，就是看；覺，就是感覺、感知。據統計，人所感知的外界信息有80%以上是由視覺得到的，“百聞不如一見”這句話生動地說明了視覺對獲得客觀世界信息的重要性。通過視覺，我們可以感受到物體的位置，亮度以及物體之間的相互關系，感知外部世界豐富多采的信息。

然而，面對紛繁復雜的大千世界，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去分析人眼，我們會發現一些有趣的結論：人眼的分辨率約為1600萬像素左右，幀速率約為20fps動態范圍有14-16Bit左右，光譜響應范圍為400nm-700nm。超出了這個范圍，人眼將無法準確做出視覺分辨。

一直以來，人們都在努力尋找能夠代替和彌補人眼先天不足的產品，以便拓展人類的視野，增強我們認識世界和改造世界的能力。由此，逐漸形成了一門新學科——機器視覺。

機器視覺，顧名思義就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺理論構想出現在20世紀50年代。1947年貝爾實驗室研制出第一個晶體管，拉開半導體行業的序幕。由于固態成像芯片的問世，1954年到1956年，全晶體管電視機和晶體管電子計算機先后問世，此時顯示技術和數據處理技術已能初步滿足人類需求。半導體技術的發展為機器視覺奠定了重要的技術基礎，50年代后期，用機器來代替人類視覺的想法被人首次提出。

隨著20世紀60年代集成電路電視機和集成電路計算機先后問世，世界上最早的機器視覺系統誕生在1967年。系統采用了閉路電視成像，將視頻信號傳輸到電子電路中用于檢測工件。隔行掃描、模擬信號、固定分辨率在現在看起來相當落后，但這標志著機器視覺由理論變為現實。

1969年，美國貝爾實驗室的兩位科學家威廉.博伊爾和約翰.史密斯發明CCD圖像傳感芯片，這個劃時代的發明使人們可以數字信號的模式獲得圖像信息，為圖像技術帶來巨大飛躍。

時間進入70年代，大規模、超大規模電子計算機先后出現，圖像技術也在日新月異的發展，各方面技術都較為成熟，機器視覺進入了真正的發展期。

80年代開始，個人電腦行業大舉興起，機器視覺技術伴隨著PC的更新和普及得到了飛速的成熟和發展，現如今機器視覺已從最開始的半導體檢測到現在滲透到各行各業，與我們的生活息息相關。

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2.機器視覺的特點

和人類視覺相比較，機器視覺的優勢非常明顯：

精準性一受生理條件的限制，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法進行正確的判斷。機器視覺以其區域廣闊的分辨率和幀頻占據明顯優勢。相機分辨率從最常見的VGA分辨率到千萬像素級分辨率，幀頻從個位數到幾百fps均可自由選擇，工作環境無論是在可見光下還是紅外、X光等特殊環境均可找到相應的機器視覺系統。

穩定性一個體差異在人類中廣泛存在，且人類的情緒變化會對自身主觀判斷造成影響。人眼進行視覺判斷所得結果通常會因人員的不同而出現各種誤差，固定人員心情不同時做出的視覺判斷也會有不同的結果。機器視覺系統各部分均由機器元件組成，其良好的穩定性和客觀性保證了所得結果能保持一致。

重復性一人類會因工作時間的持續、工作內容的重復而產生生理狀態的變化，如勞累疲倦等，從而對視覺產生影響。而機器視覺系統則可以在長時間重復性的工作中保持相同的狀態，保證每一次的工作結果都能達到同樣的標準。

速度快一在視覺速度上，機器可以輕松達到人類可望不可及的高度。當工作對象是運動物體特別是高速運動的物體時，比如說生產線上，機器視覺代替人類視覺能夠大幅度提高生產效率。

低成本一機器運動速度快，一臺機器可以輕松承擔幾個人的工作量。另外機器可以連續工作，不需要休息、請假，可以在提高產能的同時節省人工開支。

非接觸—機器視覺系統在工作時不和工作對象產生接觸，對雙方對象均不會產生任何損傷，尤其是在一些具有危險性、惡劣的或高精密的工作項目和環境中，可代替人進行視覺類工作，降低人工操作風險，提高產品精密性。

3.機器視覺系統結構

一般來說，機器視覺系統一般由以下五大部分組成：光源、鏡頭、相機、圖像采集卡和處理軟件。光源、鏡頭、相機組成前端的成像系統，決定了系統成像的好壞；采集卡和處理軟件組成后端的圖像處理系統，主要負責對圖像進行分析處理的算法研究、軟硬件優化技術、硬件處理技術等。

相機是前端成像系統中的核心器件，相機中的芯片是決定相機性能的關鍵部分。機器視覺中主要采用的兩類光電傳感芯片分別為CCD芯片和CMOS芯片，這兩類芯片在技術上有很大差別，但他們的作用都是通過光電效應將光信號轉換為電信號進行存儲以獲得圖像。二者的成像過程都同樣按以下步驟：

1.光電轉換（將入射光信號轉換成電信號）

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）

3.信號轉換與輸出（CCD以模擬信號的形式輸出，CMOS可以直接輸出數字信號）

CCD和CMOS芯片都是由結構為金屬-氧化物-半導體（MOS結構）的像元陣列構成，每個像元都起到吸收光強，并轉換為光生電荷信號的作用。二者不同之處在于：

CCD芯片采用一個讀出節點將所有像元中產生的電荷信號轉換成電壓，因此需要通過電荷轉移將所有像元中的電荷依次轉移到讀出節點進行電荷-電壓轉換并讀出。	CMOS芯片像元中產生的電荷信號在像元內部直接轉化為電壓信號，不需要進行電荷轉移，每個像元直接輸出電壓信號。

兩種芯片相比較來說，CMOS芯片制作工藝相對較為簡單，價格相對低廉，成品尺寸限制較小，耗能較小，但由于CMOS芯片結構決定其各個像元獨立進行電荷-電壓轉換，每個像元中放大器之間的差異導致長期以來CMOS芯片成像質量劣于CCD芯片，噪聲較高，一般用于圖像質量要求較低的場合。隨著近年來CMOS芯片技術的不斷革新，CMOS芯片光電靈敏度提高，噪聲減小，動態范圍擴大，成像質量提高，性能參數逐漸和CCD芯片相接近，再加上其本身的固有優勢，CMOS芯片目前正在得到越來越廣泛的應用。

視覺軟件是整個機器視覺系統的另一個重要組成部分，視覺軟件主要通過對圖像的分析、處理和識別，實現對特定目標特征的檢測。由于機器視覺系統在現代工業領域的廣泛應用，使應用于機器視覺系統的圖像處理軟件技術得到了高速發展。

圖像處理和分析工具主要功能是進行圖像增強，便于后續的專業視覺工具進行識別和理解。常用的圖像處理和分析工具包括：直方圖工具、濾波操作、形態學操作、輪廓提取、幾何變換、顏色空間變換。

專業視覺工具是專門針對機器視覺應用特性開發的綜合視覺工具，最主要的四大功能包括：標定工具、定位工具、測量工具、檢測工具。

標定工具

標定工具的主要功能是建立圖像像素空間與真實物理空間的映射關系，實現由圖像坐標到空間坐標的轉換。常用靶標類型為棋盤靶標、點陣靶標。

期盼靶標	點陣靶標

定位工具

定位工具的目的為在圖像中確定一個或多個預先訓練過得特征的位置，并對其質量進行度量。

區域定位	幾何定位

測量工具

測量工具的目的在于利用圖像對物體的2-D尺寸進行準確測量，實現對產品質量的檢測。

                                                           測量工具

檢測工具

檢測工具能夠高效的產生實時圖像與模版圖像之間的差值圖像，是缺陷檢測中非常重要的一個環節。

檢測工具

此外，專業視覺工具還包括二維特征分析工具、字符識別工具、條碼識別工具、顏色分析工具。