机器视觉

机器视觉学院：通信工程学院专业：系统工程姓名：张艳辉学号：2010522112机器视觉自起步发展到现在，已有15年得历史。应该说机器视觉作为一种应用系统，其功能特点是随着工业自动化的发展而逐步完善和发展的。目前全球整个视觉市场总量大概在60~70亿美元，是按照每年8.8%的增长速度增长的。而在中国，这个数字目前看来视乎有些庞大，但是随着加工制造业的发展，中国对机器视觉的需求将承上升趋势。机器视觉的定义及其特点简言之，机器视觉就是用机器代替人眼做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取的目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或是人工视觉难以满足要求场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率且精度不高，用机器视觉检查方法可以大大提高生产效率和成产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。正是由于机器视觉可以快速大量的获取信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化成产过程中，人们机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检测和质量控制等领域。在中国，这种应用也在逐步的被认知，且带来最直接的反应就是国内对机器视觉的需求将越来越多。机器视觉在国内外的应用现状在国外，机器视觉的应用普及主要体现在半导体及电子行业，其中大概40%~50%都集中在半导体行业。具体如PCB印刷电路：各类生产印刷电路板组装技术、设备：单、双面、多层线路板，覆铜板所需的材料及辅料；辅助设施以及耗材、油墨、药水药剂、配件；电子封装技术与设备；丝网印刷设备及丝网周边材料等。SMT表面贴装；SMT工艺与设备、焊接设备、测试仪器、返修设备及各种辅助工具及配件、SMT材料、贴片剂、黏贴剂、焊剂、焊料及防氧化油、焊膏、清洗剂等；再流焊机、峰焊机及自动化生产线设备。电子生产加工设备；电子元件制造设备、半导体及集成电路制造设备、原器件成型设备、电子模具。机器视觉系统还在质量的各种方面已经得到了广泛的应用，且其产品在应用中占据着举足轻重的地位。除此之外，机器视觉还用于其它各个领域。而在中国，以上行业本身就属于新兴的领域，再加之机器视觉产品技术的普及不够，导致以上各行业的应用几乎空白，即便是有，也只是低端方面的应用。目前在我国随着配套基础建设的完善，技术、资金的积累，各行各业对图像和机器视觉技术的工业自动化、智能化需求开始广泛出现，国内有关大专院校、研究所和企业近两年在图像和机器视觉技术领域进行了积极思索和大胆的尝试，逐渐开始了工业现场的应用。其主要应用于制药、印刷、矿泉水瓶盖检测等领域。这些应用大多集中在如药品检测分装、印刷色彩检测等。真正高端的应用还很少，因此，以上相关行业的应用空间还比较大。当然、其它领域如指纹检测等等。领域也有着很好的发展空间。中国机器视觉未来发展趋势在机器视觉赖以普及发展的诸多因素中，有技术层面的，也有商业层面的，但制造也得需求是决定性的。制造也得发展，带来了对机器视觉需求的提升；也决定了机器视觉将由过去单纯的采集、分析、传递数据、动作判断逐渐朝着开放性的方向发展，这一趋势也预示着机器视觉将与自动化更进一步的融合。需求决定产品，只有满足需求的产品才有生存的空间，这是不变的规律，机器视觉也是如此。未来，中国机器视觉发展主要表现为以下一些特性：1、随着产业化的发展对机器视觉的雪球将呈上升趋势机器视觉发展空间较大的部分在半导体和电子行业，而据我国相关数据显示，全球集成电路产业复苏迹象明显；与此同时，全球经济衰退使我国集成电路产业获取了市场优势、成本优势、人才回流等优势；国家加大对集成电路产业这一战略领域的规划力度，“信息化带动工业化”，走“新型工业化道路”为集成电路产业带来了巨大的发展机遇，特别是高端产品和创新产品市场空间巨大，设计环节、国家战略领域、3C应用领域、传统产业类应用领域成为集成电路产业未来几年的重点投资领域。此外，中国已成为全球集成电路的一个重要的需求市场。据相关数据显示，2002年我国集成电路市场需求规模为1135.5亿元人民币，占世界市场规模的9.76%。2002年中国集成电路市场总销量为283.2亿块，总销额为1135.5亿元，同比增长26.2%。中国已成为今年来世界半导体投资的热点。在全国许多地区，特别是长江三角洲地区，都有新的IC制造线和封装测试线投资兴建，IC设计公司的数量每年成倍增长。在产业政策的引导下，上海、北京、天津和深圳等地出现投资IC的好势头；天津motorola投资15亿美元，月投205万片得8英寸芯片成产线和上海中芯国际投资14亿美元，月投8英寸的芯片4.2万片得项目已经投入运行。另外，中国半导体行业协会最新调研数据表明，2000年6月到2002年8月两年间，中国IC产业的投资总额约300亿元，相当于过去40年得投资总和。全国IC设计单位总量两年之间翻两番，已激增到389家，收入过亿元得达7~8家；专业测试公司已有10家左右，我国的IC测试业初具雏形。就以上数据显示，中国的半导体和电子市场已出具规模，而如此强大的半导体产业将需要高质量的技术做后盾。同时他对于产品的高质量、高集成度的要求将越来越高。恰巧，机器视觉将能帮助他们解决以上的问题，因此该行业将是机器视觉最好的用武之地。同时，对于机器视觉的需求将蒸蒸日上。2、统一开放的标准是机器视觉发展的原动力目前国内有近数家机器视觉产品厂商，与国外机器视觉产品相比，国内产品最大的差距并不单纯是在技术上，而且还包括品牌和知识产权上。另一现状是目前过内的机器视觉产品主要以代理国外的品牌为主，以此来逐渐朝着自主研发产品的路线靠近，起步较晚。未来，机器视觉产品的好坏不能够通过单一因素来衡量，应该逐渐按照国际化的统一标准判定，随着中国自动化的逐渐开放，将带领与其相关的产品技术也逐渐开放。因此，依靠封闭的技术难以促进整个行业的发展，只有形成统一开放的标准才能让更多的厂商在相同的平台上开发产品，这也是促进中国机器视觉朝国际化水平发展的动力。3、基于嵌入式的产品将取代板卡式产品从产品本身看，机器视觉会越来越趋于依靠PC技术，并且与数据采集等其他控制和测量的集成会更紧密，且基于嵌入式的产品将逐渐取代板卡式产品，这是一个不断增长的趋势。主要原因是随着计算机技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式系统应用领域越来越广泛，尤其是其具备低功耗技术的特点得到人们重视。另外，嵌入式操作系统绝大部分是以C语言为基础的，因此使用C高级语言进行嵌入式系统开发是一项带有基础性的工作，使用高级语言的优点是可以提高工作效率，缩短开发周期，更主要的是开发出来的产品可靠性、可维护性好、便于不断完善和升级换代等。因此，嵌入式产品将会取代板卡式产品。4、标准化、一体化解决方案也将是机器视觉的必经之路另外，由于机器视觉是自动化得一部分，没有自动化就不会有机器视觉，机器视觉软硬件产品正逐渐成为协作生产制造过程中不同阶段的核心系统，无论是用户还是硬件供应商都将机器视觉产品作为生产线上信息收集的工具，这就要求机器视觉的厂商在未来5-6年内也应该不单纯是只提供产品的供应商，而是逐渐向一体化解决方案的系统集成商迈进。在未来的几年内，随着中国加工制造的发展，对于机器视觉的需求也逐渐增多；随着机器视觉产品的增多，技术的提高，国内机器视觉的应用状况将由初期的低端转向高端。由于机器视觉的介入，自动化将朝着更智能、更快捷的方向发展。另外，由于用户的需求是多样化的，而且要求程度也不同。那么，个性方案和服务在竞争中将日益重要，即用特殊定制的产品来代替标准化的产品也是机器视觉未来发展的一个取向。机器视觉的应用也将进一步促进自动化技术向智能化发展。A．在使用计算机时，当鼠标的光标在屏幕上而你又一时找不到时，你通常采取什么办法立即找到，为什么？当我们在电脑屏幕上一时找不到鼠标的时候，我们可以用手晃一晃鼠标让鼠标运动起来，这样我们便可以迅速的找到鼠标的位置。而这则是用于我们的视觉系统对运动目标十分敏感所造成的。人们已提出了许多种理论来解释对运动的感知。目前最广为接受的理论之一与两个因素有关：1、在视觉系统中存在着运动检测器，它们能记录影响视网膜中相邻点的信号。2、是对人类自身运动的知识，它避免了将人体或人眼的运动归于景物的运动。如同在所有的光学现象中，运动也只能在一定条件或限度内被感知到。如果把一个运动得非常慢的视觉可感知的边缘投影到视网膜上，它将不会被认为是运动的（尽管它有可能在其后被发现已经运动过了）。如果这个视觉边缘运动的非常快，他将被认为是模糊的。运动速度的上下限是一下变量的函数：（1）物体的尺寸大尺寸的物体需要多运动一些才能被看作是运动的。（2）亮度和反差它们越大，运动越被感知得明显。（3）环境运动的感知有一定的相对性，如果有固定的参考点，运动就容易感知到。B.什么是轮廓？轮廓和区域有什么关系？一个非封闭轮廓表示什么？把边缘连接起来就成为轮廓(contour)。轮廓可以是断开的，也可以是封闭的。封闭轮廓对应于区域的边界，而区域内的像素可以通过填充算法来填满。断开的轮廓可能是区域边界的一部分，也可能是图像线条特征，如手写体笔画、图画中的线条等。区域之间的对比度太弱或边缘检测阈值设置太高都有可能产生间断的轮廓。　　轮廓可以用边缘序列表或曲线来表示。曲线通常称为轮廓的数学模型。曲线表示包括线段、二次曲线、三次样条曲线等．下面是几种轮廓表示的评价标准：　　高效：轮廓应该是一种简单和紧凑的表示。　　精确：轮廓应能精确地逼近图像特征。　　有效：轮廓应适合于后处理阶段的计算。　　轮廓表示的精确性由以下三个方面因素决定：①用于轮廓建模的曲线形式；②曲线拟合算法的性能；③边缘位置估计的精确度。轮廓的最简单表示形式是边缘有序表。这种表示的精确度就是边缘估计的精确度，但其表示的紧凑性是最差的，因此不是一种有效的后续图像分析表示方法。用适当的曲线模型来拟合边缘会提高精确度，这是因为曲线模型拟合边缘时往往具有均值化效应，因而可以减少边缘位置误差。曲线模型也会提高轮廓表示的经济性，为后处理提供了一种更适合、更紧凑的表示，例如，一条直线上的边缘集用一直线来拟合是表示这些边缘的最简单和最有效的方法，这一表示也简化了后续处理（如确定线的长度和方向）；另外，由于估计直线与真实直线的均值方差小于真实直线与任何其它边缘之间的均值方差，因此可以说这种表示也增加了精确度。轮廓曲线拟合通常采用内插曲线或逼近曲线来实现。已知一组称为控制点的坐标点，内插是指一条曲线拟合这组控制点，使得曲线通过所有的控制点；逼近是指一条曲线拟合这组这组控制点，使得这条曲线非常接近这些控制点而无需一定通过这些点。在下面几节中，假定由边缘检测器得到的边缘十分准确，并使用内插值方法进行边缘曲线拟合。边缘表是边缘点或边缘段的有序集合。轮廓是边缘表或用于表示边缘表的曲线。边界是包围一个区域的封闭轮廓。在无特别说明的情况下，边缘通常是指边缘点。对大多数曲线拟合算法来说，只需要边缘的位置信息。在很少的几种情况下，即需要边缘位置信息，也需要方向角信息，此时的边缘是指边缘段。平面曲线函数可以表示为三种形式：显式,隐式，或参数式,其中是某一参数．函数的显式表示很少用在机器视觉中，主要原因是平面上的曲线可能卷曲，使得一个值可能对应曲线上多个值。C.什么是摄像机的内部参数、外部参数？分别标定的意义是什么？内部参数是从3—D世界坐标系统变换到其中心在摄像机光学中心的3—D坐标系统，其变换参数为外部参数。内部参数是从摄像机坐标系统中的3—D坐标变换到计算机图像坐标系统中的2—D坐标，其变换参数称为内部参数。分别标定内部参数和外部参数的意义是当用一个摄像机在不同的位置和方向获取多幅图像进行校正时，摄像机的外部参数对于每幅图像是不同的，但内部参数不变。所以，