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(jù)統(tǒng)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(guān)系，感知外部世界豐富多采的信息。

然而，面對紛繁復(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，我們會發(fā)現(xiàn)一些有趣的結(jié)論：人眼的分辨率約為1600萬像素左右，幀速率約為20fps動態(tài)范圍有14-16Bit左右，光譜響應(yīng)范圍為400nm-700nm。超出了這個范圍，人眼將無法準(zhǔn)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(chǎn)品，以便拓展人類的視野，增強我們認(rèn)識世界和改造世界的能力。由此，逐漸形成了一門新學(xué)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(gòu)想出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代。1947年貝爾實驗室研制出第一個晶體管，拉開半導(dǎo)體行業(yè)的序幕。由于固態(tài)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(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)已能初步滿足人類需求。半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為機器視覺奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)，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(jì)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(tǒng)誕生在1967年。系統(tǒng)采用了閉路電視成像，將視頻信號傳輸?shù)诫娮与娐分杏糜跈z測工件。隔行掃描、模擬信號、固定分辨率在現(xiàn)在看起來相當(dāng)落后，但這標(biāo)志著機器視覺由理論變?yōu)楝F(xiàn)實。

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

時間進(jìn)入70年代，大規(guī)模、超大規(guī)模電子計算機先后出現(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，機器視覺進(jìn)入了真正的發(fā)展期。

80年代開始，個人電腦行業(yè)大舉興起，機器視覺技術(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)如今機器視覺已從最開始的半導(dǎo)體檢測到現(xiàn)在滲透到各行各業(yè)，與我們的生活息息相關(guān)。

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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(yōu)勢非常明顯：

精準(zhǔn)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(jìn)行正確的判斷。機器視覺以其區(qū)域廣闊的分辨率和幀頻占據(jù)明顯優(yōu)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(shù)到幾百fps均可自由選擇，工作環(huán)境無論是在可見光下還是紅外、X光等特殊環(huán)境均可找到相應(yīng)的機器視覺系統(tǒng)。

穩(wěn)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(jìn)行視覺判斷所得結(jié)果通常會因人員的不同而出現(xiàn)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(jié)果。機器視覺系統(tǒng)各部分均由機器元件組成，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)性一人類會因工作時間的持續(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，從而對視覺產(chǎn)生影響。而機器視覺系統(tǒng)則可以在長時間重復(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)。

速度快一在視覺速度上，機器可以輕松達(dá)到人類可望不可及的高度。當(dāng)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(chǎn)線上，機器視覺代替人類視覺能夠大幅度提高生產(chǎn)效率。

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

非接觸—機器視覺系統(tǒng)在工作時不和工作對象產(chǎn)生接觸，對雙方對象均不會產(chǎn)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(huán)境中，可代替人進(jìn)行視覺類工作，降低人工操作風(fēng)險，提高產(chǎn)品精密性。

3.機器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般來說，機器視覺系統(tǒng)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(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。

相機是前端成像系統(tǒng)中的核心器件，相機中的芯片是決定相機性能的關(guān)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(shù)上有很大差別，但他們的作用都是通過光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)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(zhuǎn)換（將入射光信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換與輸出（CCD以模擬信號的形式輸出，CMOS可以直接輸出數(shù)字信號）

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，每個像元都起到吸收光強，并轉(zhuǎn)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(jié)點將所有像元中產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓，因此需要通過電荷轉(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)生的電荷信號在像元內(nèi)部直接轉(zhuǎn)化為電壓信號，不需要進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)決定其各個像元獨立進(jìn)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換，每個像元中放大器之間的差異導(dǎo)致長期以來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)量要求較低的場合。隨著近年來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，動態(tài)范圍擴大，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，CMOS芯片目前正在得到越來越廣泛的應(yīng)用。

視覺軟件是整個機器視覺系統(tǒng)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(xiàn)對特定目標(biāo)特征的檢測。由于機器視覺系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使應(yīng)用于機器視覺系統(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，便于后續(xù)的專業(yè)視覺工具進(jìn)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(tài)學(xué)操作、輪廓提取、幾何變換、顏色空間變換。

專業(yè)視覺工具是專門針對機器視覺應(yīng)用特性開發(fā)的綜合視覺工具，最主要的四大功能包括：標(biāo)定工具、定位工具、測量工具、檢測工具。

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物理空間的映射關(guān)系，實現(xiàn)由圖像坐標(biāo)到空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。常用靶標(biāo)類型為棋盤靶標(biāo)、點陣靶標(biāo)。

期盼靶標(biāo)	點陣靶標(biāo)

定位工具

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

區(qū)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(jìn)行準(zhǔn)確測量，實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的檢測。

                                                           測量工具

檢測工具

檢測工具能夠高效的產(chǎn)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(huán)節(jié)。

檢測工具

此外，專業(yè)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。