在現代工業自動化生產中，涉及到各種各樣的檢驗、生產監視及零件識別應用，例如零配件批量加工的尺寸檢查，自動裝配的完整性檢查，電子裝配線的元件自動定位，ic上的字元識別等。通常人眼無法連續、穩定地完成這些帶有高度重複性和智慧型性的工作，其它物理量感測器也難有用武之地。
由此人們開始考慮利用光電成像系統採集被控目標的影象，而後經計算機或專用的影象處理模組進行數位化處理，根據影象的畫素分布、亮度和顏色等資訊，來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。這樣，就把計算機的快速性、可重複性，與人眼視覺的高度智慧型化和抽象能力相結合，由此產生了機器視覺的概念。
乙個成功的機器視覺系統是乙個經過細緻工程處理來滿足一系列明確要求的系統。當這些要求完全確定後，這個系統就設計並建立來滿足這些精確的要求。
機器視覺的優點包括以下幾點：
■精度高
作為乙個精確的測量儀器，設計優秀的視覺系統能夠對一千個或更多部件的乙個進行空間測量。因為此種測量不需要接觸，所以對脆弱部件沒有磨損和危險。
■連續性
視覺系統可以使人們免受疲勞之苦。因為沒有人工操作者，也就沒有了人為造成的操作變化。多個系統可以設定單獨執行。
■成本效率高
隨著計算機處理器**的急劇下降，機器視覺系統成本效率也變得越來越高。乙個價值10000美元的視覺系統可以輕鬆取代三個人工探測者，而每個探測者每年需要20000美元的工資。另外，視覺系統的操作和維持費用非常低。
■靈活性
視覺系統能夠進行各種不同的測量。當應用變化以後，只需軟體做相應變化或者公升級以適應新的需求即可。
許多應用滿意過程控制（spc）的公司正在考慮應用機器視覺系統來傳遞持續的、協調的和精確的測量spc命令。在spc中，製造引數是被持續監控的。整個過程的控制就是要保證這些引數在一定的範圍內。
這使製造者在生產過程失去控制或出現壞部件時能夠調節過程引數。
機器視覺系統比光學或機器感測器有更好的可適應性。它們使自動機器具有了多樣性、靈活性和可重組性。當需要改變生產過程時，對機器視覺來說「工具更換」僅僅是軟體的變換而不是更換昂貴的硬體。
當生產線重組後，視覺系統往往可以重複使用
機器視覺系統的構成
機器視覺技術用計算機來分析乙個影象，並根據分析得出結論。現今機器視覺有兩種應用。機器視覺系統可以探測部件，在此光學器件允許處理器更精確的觀察目標並對哪些部件可以通過哪些需要廢棄做出有效的決定；機器視覺也可以用來創造乙個部件，即運用複雜光學器件和軟體相結合直接指導製造過程。
儘管機器視覺應用各異，但都包括以下幾個過程；
■影象採集
光學系統採集影象，影象轉換成模擬格式並傳入計算機儲存器。
■影象處理
處理器運用不同的演算法來提高對結論有重要影響的影象要素。
■特性提取
處理器識別並量化影象的關鍵特性，例如印刷電路板上洞的位置或者聯結器上引腳的個數。然後這些資料傳送到控制程式。
■判決和控制
處理器的控制程式根據收到的資料做出結論。例如：這些資料報括印刷電路板上的洞是否在要求規格以內或者乙個自動機器如何必須移動去拾取某一部件。
機器視覺系統解析
典型的視覺系統一般包括：光源、光學系統，相機、影象處理單元（或影象採集卡）、影象分析處理軟體、監視器、通訊/輸入輸出單元等。
影象採集
影象的獲取實際上是將被測物體的視覺化影象和內在特徵轉換成能被計算機處理的資料，它直接影響到系統的穩定性及可靠性。一般利用光源、光學系統，相機、影象處理單元（或影象捕獲卡）獲取被測物體的影象。
■光源光源和影響機器視覺系統輸入的重要因素，因為它直接影響輸入資料的質量和至少30%的應用效果。由於沒有通用的機器視覺照明裝置，所以針對每個特定的應用例項，要選擇相應的照明裝置，以達到最佳效果。許多任務業用的機器視覺系統用可見光作為光源，這主要是因為可見光容易獲得，**低，並且便於操作。
常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。
但是，這些光源的乙個最大缺點是光能不能保持穩定。以日光燈為例，在使用的第乙個100小時內，光能將下降15%，隨著使用時間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩定，是實用化過程中急需要解決的問題。
另乙個方面，環境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的影象資料存在雜訊，一般採用加防護屏的方法，減少環境光的影響。由於存在上述問題，在現今的工業應用中，對於某些要求高的檢測任務，常採用x射線、超聲波等不可見光作為光源。
由光源構成的照明系統按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結構光和頻閃光照明等。其中，背向照明是被測物放在光源和相機之間，它的優點是能獲得高對比度的影象；前向照明是光源和相機位於被測物的同側，這種方式便於安裝；結構光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據它們產生的畸變，解調出被測物的三維資訊；頻閃光照明是將高頻率的光脈衝照射到物體上，要求相機的掃瞄速度與光源的頻閃速度同步。
■光學系統
對於機器視覺系統來說,影象是唯一的資訊**，而影象的質量是由光學系統的恰當選擇來決定。通常，由於影象質量差引起的誤差不能用軟體糾正。機器視覺技術把光學部件和成像電子結合在一起，並通過計算機控制系統來分辨、測量、分類和探測正在通過自動處理系統的部件。
機器視覺系統通常能快到100%的探測所處理的產品而不會降低生產線的速度。由於越來越多的製造商正需要「6-sigma「（小於百萬分之三的有效單位）結果，以便能夠在當今質量意識很強的市場中更有競爭力，這種能力顯得非常重要。另外，這些系統能夠與滿意過程控制（spc）非常理想的配合。
光學系統的主要引數與影象感測器的光敏面的格式有關，一般包括：光圈、視場、焦距、f數等。
■相機相機是實際上是乙個光電轉換裝置，即將影象感測器所接收到的光學影象，轉化為計算機所能處理的電訊號。光電轉換器件是構成相機的核心器件。目前，典型的光電轉換器件為真空攝像管、ccd、cmos影象感測器等。
真空電視攝像管由密封在玻璃管罩內的攝像靶、電子槍兩部分組成。攝像靶將輸入光學影象的光照度分布轉換為靶面相應象素電荷的二維空間分布，主要完成光電轉換和電荷存貯任務；電子槍則完成影象訊號的掃瞄拾取過程。電視攝像管型成像系統具有高畫質晰度、高靈敏度、寬光譜和高幀速成像等特點。
但由於電視攝像管屬於真空管器件，其重量、體積及功耗均較大。
ccd是目前機器視覺最為常用的影象感測器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、訊號讀取於一體，是典型的固體成像器件。ccd的突出特點是以電荷作為訊號，而不同於其器件是以電流或者電壓為訊號。
這類成像器件通過光電轉換形成電荷包，而後在驅動脈衝的作用下轉移、放大輸出影象訊號。典型的ccd相機由光學鏡頭、時序及同步訊號發生器、垂直驅動器、模擬/數字訊號處理電路組成。下圖為ccd相機的原理框圖。
ccd作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯後、低電壓工作、低功耗等優點。
cmos（***plementary metal oxide semiconductor）影象感測器的開發最早出現在20世紀70 年代初。90 年代初期，隨著超大規模積體電路 (vlsi) 製造工藝技術的發展，cmos影象感測器得到迅速發展。cmos影象感測器將光敏元陣列、影象訊號放大器、訊號讀取電路、模數轉換電路、影象訊號處理器及控制器整合在一塊晶元上，還具有區域性象素的程式設計隨機訪問的優點。
目前，cmos影象感測器以其良好的整合性、低功耗、寬動態範圍和輸出影象幾乎無拖影等特點而得到廣泛應用。
影象的處理和分析
在機器視覺系統中，相機的主要功能光敏元所接收到的光訊號轉換為電壓的幅值訊號輸出。若要得到被計算機處理與識別的數碼訊號，還需對**資訊進行量化處理。影象採集卡是進行**資訊量化處理的重要工具。
■影象採集／處理卡
影象採集卡主要完成對模擬**訊號的數位化過程。**訊號首先經低通濾波器濾波，轉換為在時間上連續的模擬訊號；按照應用系統對影象解析度的要求，得用取樣/保持電路對邊疆的**訊號在時間上進行間隔取樣，把**訊號轉換為離散的模擬訊號；然後再由a/d轉換器轉變為數碼訊號輸出。而影象採集／處理卡在具有模數轉換功能的同時，還具有對**影象分析、處理功能，並同時可對相機進行有效的控制。
■影象處理處理軟體
機器視覺系統中，視覺資訊的處理技術主要依賴於影象處理方法，它包括影象增強、資料編碼和傳輸、平滑、邊緣銳化、分割、特徵抽取、影象識別與理解等內容。經過這些處理後，輸出影象的質量得到相當程度的改善，既改善了影象的視覺效果，又便於計算機對影象進行分析、處理和識別。
機器視覺系統的應用
機器視覺系統是實現儀器裝置精密控制、智慧型化、自動化有有效途徑，堪稱現代工業生產的「機器眼睛」。其最大優點為：
（１）實現非接觸測量。對觀測與被觀測者都不會產生任何損傷，從而提高了系統的可靠性；
（２）具有較寬的光譜響應範圍。機器視覺則可以利用專用的光敏元件，可以觀察到人類無法看到的世界，從而擴充套件了人類的視覺範圍。
（３）長時間工作。人類難以長時間地對同一物件進行觀察。機器視覺系統則可以長時間地執行觀測、分析與識別任務,並可應用於惡劣的工作環境。
機器視覺系統 研究生
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