機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

白普俊 田迪 秦亞利

摘要：機(jī)器視覺(jué)在自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用已得到廣泛認(rèn)同，其核心技術(shù)包括定位、測(cè)量、檢測(cè)和識(shí)別等方面。本文對(duì)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在各工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行系統(tǒng)梳理，歸納出該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和該行業(yè)的推進(jìn)因素，分析國(guó)內(nèi)市場(chǎng)和技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器視覺(jué)；工業(yè)應(yīng)用；視覺(jué)檢測(cè)；視覺(jué)測(cè)量

1 概述

近年來(lái)，工業(yè)自動(dòng)化和智能化的大趨勢(shì)已經(jīng)基本形成，并且隨著CCD/CMOS傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)作為一種信息獲取便利、使用適應(yīng)性強(qiáng)的技術(shù)也被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用[1]，已經(jīng)逐步成為工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的系統(tǒng)。

機(jī)器視覺(jué)的研究是從20世紀(jì)60年代中期美國(guó)學(xué)者L.R.羅伯茲關(guān)于理解多面體組成的研究開(kāi)始的。發(fā)展到現(xiàn)在，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)成為一門涉及諸多領(lǐng)域的交叉學(xué)科。這些技術(shù)在機(jī)器視覺(jué)中是并列且融合的關(guān)系，相互協(xié)調(diào)應(yīng)用才能構(gòu)成一個(gè)成功的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)。

機(jī)器視覺(jué)主要是通過(guò)相關(guān)軟硬件系統(tǒng)的協(xié)同工作來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，但并不僅限于人眼的簡(jiǎn)單延伸，更重要的是具備人腦的一部分思考和分析功能：從被觀察目標(biāo)的圖像中客觀地提取信息（人眼功能），進(jìn)行分析處理并加以理解（人腦功能），最終用于各類環(huán)境下的信息和決策輸出。

機(jī)器視覺(jué)按其應(yīng)用功能主要可劃分為定位、測(cè)量、檢測(cè)和識(shí)別四個(gè)方面[2，3]，四者之間并無(wú)明確的界限，彼此均有技術(shù)重疊性和獨(dú)特性。將四方面技術(shù)合理有效結(jié)合，則可滿足多種工況下的任務(wù)需求，其中在工業(yè)生產(chǎn)中有70%～80%的機(jī)器視覺(jué)單元應(yīng)用在檢測(cè)環(huán)節(jié)。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

由于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于設(shè)備集成，可為機(jī)器人等其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供輸入?yún)?shù)。因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中或極度危險(xiǎn)及污染的環(huán)境中，人們將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等方面，取代人工操作且比人工檢更操作精確、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，推進(jìn)智能自動(dòng)化制造的進(jìn)程。

最初，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在國(guó)際范圍內(nèi)最大的應(yīng)用領(lǐng)域是半導(dǎo)體及電子行業(yè)。在半導(dǎo)體行業(yè)中機(jī)器視覺(jué)技術(shù)與的諸如錫膏印刷機(jī)、AOI檢測(cè)等設(shè)備結(jié)合使用，從上游晶圓加工制造的分類切割，到末端電路板印刷、貼片，都依賴于高精度的視覺(jué)測(cè)量對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件的引導(dǎo)和定位[2]。在國(guó)際市場(chǎng)上，半導(dǎo)體制造行業(yè)對(duì)于機(jī)器視覺(jué)的需求占整個(gè)市場(chǎng)需求的40%-50%。因此，也有“機(jī)器視覺(jué)的崛起很大程度上是得益于其半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展”的說(shuō)法。

在電子制造領(lǐng)域，小到電容、連接器等元器件，大到PC主板、硬盤，在行業(yè)鏈條的各個(gè)環(huán)節(jié)，都有機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其在3C產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備上應(yīng)用最廣泛。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)可以快速檢測(cè)排線的順序是否有誤、電子元器件是否錯(cuò)裝漏裝、接插件尺寸是否合規(guī)等。另外，機(jī)器視覺(jué)還可以進(jìn)行表面檢測(cè)和引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行高精度PCB定位和SMT元件放置，主要應(yīng)用在PCB印刷電路、電子封裝、SMT表面貼裝、SPI錫膏檢測(cè)等。

目前，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)已經(jīng)廣泛擴(kuò)展應(yīng)用于汽車、機(jī)械、制藥、食品、包裝、紡織、農(nóng)業(yè)、煙草、交通、物流等工業(yè)部門以及醫(yī)學(xué)、軍事領(lǐng)域[3]。在汽車制造行業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要用于裝配的在線檢測(cè)和零部件的離線檢測(cè)，還有表面檢測(cè)，比如面板印刷質(zhì)量檢測(cè)、字符檢測(cè)、工件表面缺陷檢測(cè)等。在物流行業(yè)，可以使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)進(jìn)行快遞的分揀分類，可減少人工勞動(dòng)、減少物品的損壞率、提高分揀效率。另外，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)還可應(yīng)用于：交通行業(yè)的車牌辨認(rèn)和流量檢測(cè)、制藥行業(yè)的包裝檢測(cè)、飲料行業(yè)的容量檢測(cè)和外包裝檢測(cè)、煙草行業(yè)的煙標(biāo)檢測(cè)和外包裝檢測(cè)、紡織行業(yè)的布匹瑕疵檢測(cè)、機(jī)械五金行業(yè)的螺絲釘檢測(cè)、大型工件平行度和垂直度測(cè)量、機(jī)械零件的自動(dòng)識(shí)別分類和幾何尺寸測(cè)量、運(yùn)輸行業(yè)的貨品分揀、鋼鐵行業(yè)的自動(dòng)探傷和鋼板外表缺點(diǎn)檢測(cè)等方面。

3 發(fā)展趨勢(shì)

機(jī)器視覺(jué)的誕生可在工業(yè)生產(chǎn)中最大程度地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備精密控制、自動(dòng)化、智能化的有效途徑，堪稱現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的“機(jī)器眼睛”。相比于人工檢測(cè)操作，機(jī)器視覺(jué)的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

1）可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，無(wú)需對(duì)被觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行接觸處理。

2）具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，可觀察到人眼無(wú)法看到的范圍。

3）可持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，不受環(huán)境或疲勞等因素的影響，始終保持客觀檢測(cè)。

4）應(yīng)用形成規(guī)模后，可提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)生顯著經(jīng)濟(jì)效益。

在國(guó)內(nèi)，視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用開(kāi)始于90年代，因?yàn)楫?dāng)時(shí)此行業(yè)本身就屬于新興的領(lǐng)域，再加之機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品技術(shù)的普及不夠，導(dǎo)致當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)大多為國(guó)外品牌，國(guó)內(nèi)大多機(jī)器視覺(jué)公司基本上是靠代理國(guó)外各種機(jī)器視覺(jué)品牌起家。然而，隨著機(jī)器視覺(jué)的不斷應(yīng)用和國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求的逐步增大，國(guó)內(nèi)廠商在軟、硬件以及集成應(yīng)用等技術(shù)上已經(jīng)日趨成熟。

總體而言，主要有如下三大因素持續(xù)推動(dòng)著機(jī)器視覺(jué)行業(yè)的發(fā)展：

1）應(yīng)用需求推動(dòng)：機(jī)器視覺(jué)在制造業(yè)以及其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，帶來(lái)了市場(chǎng)對(duì)該技術(shù)的認(rèn)同，隨之而來(lái)的是，將機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)升級(jí)中的需求也在不斷增強(qiáng)。

2）成本節(jié)約推動(dòng)：機(jī)器視覺(jué)在應(yīng)用中展現(xiàn)出的客觀、穩(wěn)定、高效、可持續(xù)等方面的優(yōu)勢(shì)，為用戶的升級(jí)改造提供了強(qiáng)力的技術(shù)支撐，從長(zhǎng)期角度來(lái)看，可大大節(jié)省人力成本。

3）技術(shù)革新推動(dòng)：用戶需求的多樣化以及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈性，使得軟硬件廠商必須通過(guò)不斷地技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級(jí)，才能占領(lǐng)市場(chǎng)，這反過(guò)來(lái)也有力的促進(jìn)了機(jī)器視覺(jué)本身的技術(shù)革新。

伴隨著人工智能產(chǎn)業(yè)的升溫，機(jī)器視覺(jué)行業(yè)正在邁向新的發(fā)展階段，市場(chǎng)規(guī)模將加速擴(kuò)張。樂(lè)觀預(yù)計(jì)，未來(lái)幾年機(jī)器視覺(jué)行業(yè)年均增長(zhǎng)率可維持在30%左右，到2021年，市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億元。在未來(lái)的幾年內(nèi)，隨著中國(guó)加工制造業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)于機(jī)器視覺(jué)的需求也逐漸增多。隨著機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品的增多＼技術(shù)的提高，國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用狀況將由初期的低端轉(zhuǎn)向高端。由于機(jī)器視覺(jué)的介入，自動(dòng)化將朝著更智能、更快速的方向發(fā)展。機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品憑借其強(qiáng)大的性能優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在眾多的企業(yè)、高校、科研機(jī)構(gòu)的大型項(xiàng)目和系統(tǒng)上得到很好的應(yīng)用，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。伴隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，機(jī)器視覺(jué)行業(yè)的市場(chǎng)份額也將逐步擴(kuò)大。隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)自身的成熟和發(fā)展，可以預(yù)計(jì)它將在現(xiàn)代和未來(lái)企業(yè)中將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。總體來(lái)說(shuō)，中國(guó)的機(jī)器視覺(jué)行業(yè)前景可期。

4 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用已得到了廣泛的認(rèn)同，在生產(chǎn)自動(dòng)化升級(jí)中扮演著重要的角色，國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展也初具規(guī)模。我國(guó)在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域是具有公認(rèn)的強(qiáng)大市場(chǎng)潛力，這也對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與革新提供了廣闊的歷練平臺(tái)。在需求、成本和技術(shù)等方面的綜合推動(dòng)下，機(jī)器視覺(jué)將成為自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)變過(guò)程中的重要技術(shù)工具之一。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：白普俊（1987—），男，滿族，遼寧省東港市，中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究院210所，研究方向：機(jī)電控制、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)。

（作者單位：中國(guó)航天科工集團(tuán)第六研究院210所）