机器视觉基础知识 Fundamentals of Machine Vision（简介，行业和好处，应用和功能） - 知乎

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AUTOMATED VISION SYSTEMS, INC. San Jose, California 95124 U.S.A.）。作者和贡献者对原文内容享有版权。请阅读原文以了解详细信息和权限限制。翻译权归本翻译者所有，非商业用途，仅用于学术研究和交流目的。未经授权，不得用于商业目的或其他侵权行为。本翻译保留所有权利。如有引用或使用，请注明原文出处和作者。本翻译文章中的内容仅供参考，可能存在错误或不准确之处，请读者自行核实原文内容。

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简介

图片是人类、动物或机器可以体验到的最丰富信息的输入。因此，毫不奇怪，人们正在推动技术使图像为自动化服务。

阅读完本文后，您将对机器视觉有深入了解，包括其应用领域、用户受益情况、不同类型的机器视觉系统，以及对视觉系统工作原理的基本理解。

讨论始于机器视觉的定义，并指出在技术不断扩展下可能需要对该定义进行修改的地方。它展示了广泛应用机器视觉的各种行业，以及它们从中获益的方式，以及视觉系统的功能和应用。它阐述了在机器视觉中使用的不同类型的图像，探讨了视觉系统的构成，以及每个视觉系统都需要具备的部件。最后，它介绍了图像的处理过程，并简要介绍了深度学习是如何改变视觉系统编程方式的。

机器视觉的定义

长期以来，我一直使用以下的机器视觉定义：

自动获取和分析图像，以获得所需数据，并用于控制过程或活动。

让我们来看一下这个定义中的关键词和短语。

  • 图像：自然而然地，任何涉及“视觉”都必须涉及图像。图像对于无论是人类还是机器的视觉都是核心。正如稍后我们将看到的，机器视觉中使用了各种不同类型的图像。
  • 获取和分析：机器视觉不仅涉及获取，那就是摄影。它也不仅涉及分析，那就是计算机视觉。机器视觉涉及到获取和分析，通常以高速进行。
  • 自动：这个特点，即自动行为，仍然是机器视觉系统的主要特点。然而，也有一些视觉系统是由某些事件触发的，比如按下按钮或声音指令。也许需要从定义中去掉这个条件。
  • 所需数据：没有生活经验，无论技术有多么先进，都无法评估一个任意场景并识别出场景中的一切。为了可行，视觉系统必须期望一个“已知”的对象，并能够返回有关该对象的具体所需数据。
  • 控制过程或活动：早期的机器视觉系统用于与机器（如机器人）合作或在生产线上进行质量检查。虽然这些活动仍然是视觉系统主要的应用领域，但还有一些用途超越了这些边界，比如计数人数或提供有助于疾病诊断的信息，这表明这个限制需要进行修改。

最后，甚至“机器”这个词在机器视觉中可能需要修订，因为有许多视觉系统不与机器一起工作或作为机器的一部分。有人建议去掉“机器”一词，只用“视觉系统”来表达。

行业和好处

行业

机器视觉涉及众多行业和活动。几乎每个离散零部件制造行业都在使用它。它也已经扩展到其他非制造领域。下面是表格1（部分）的列表：

机器视觉的好处

在机器视觉的早期阶段，其合理性主要基于节省人工劳动成本，因为这是最容易量化的。随着认识的深入，人们意识到了其他好处，并且开明的管理层学会了如何量化这些好处，从而帮助企业引入机器视觉，促进企业的发展。

  • 减少废品和返工：及早发现问题，甚至更好的是在问题发生之前就能识别出问题，这是机器视觉降低成本的一种方式。
  • 提高生产效率：视觉系统的速度使得生产线可以更快地运转，如果不需要人工跟进的话。因此需要更少的劳动力，生产线的转换过程更快、更顺畅。
  • 提高灵活性：通过用机器视觉取代硬工具，生产线能够更实际地用于更广泛的产品范围。
  • 更好的安全性：机器视觉可以执行一些对工人有安全风险的任务，并使工人的位置处于降低安全风险的状态。
  • 更好的过程控制：除了完成任务外，机器视觉还可以记录有用的生产数据，让制造管理层及早发现可能导致问题的趋势。
  • 提高质量：机器视觉检测比人工检查更可靠；它不受厌倦、疲劳和分心的影响。机器视觉是定量的，比起主观而受变量影响的人类判断更准确。机器视觉系统可以进行更多的检查，而这对于人类检查员来说是不太现实的。
  • 减少质保和现场服务成本：当发货产品的质量提高时，质保成本和现场服务成本会降低。
  • 改善客户关系：当向客户提供更高质量的产品时，增加了客户的信任，客户更有可能再次下订单。
  • 实现新技术和尖端产品：许多新产品需要人类无法实现的能力。

应用和功能

虽然机器视觉的应用和功能是互补的，但我们应该区分它们并展示它们之间的关系。

功能是机器视觉系统的能力，例如进行测量（测量尺寸）。应用是使用机器视觉的目的，例如质量保证。以下是每个应用类别和功能类别的简要解释。表2和表3显示了应用和功能之间的关系。

应用

  • 机器/设备导引：视觉系统提供类似于手眼协调的功能，并确保适当的环境。例如选择正确的零件进行拾取、精确地将零件放置进行装配，以及检测机器或设备应避免的障碍物或危险。
  • 质量保证：确保正确的零件组装，零件具有正确的尺寸，或零件没有瑕疵，如零件表面划痕。
  • 测试和校准：检查显示器的可见输出以确保显示正确的信息，或查看旋钮或刻度盘的输入设置以验证输出的准确性。
  • 实时过程控制：在制造过程中检查零件或装配的尺寸、完整性或正确性，以便在产生不合格品之前立即进行调整或修正。
  • 数据收集：提供尺寸、完整性或序列号等数据以备份和以后检索，可能用于进行统计过程控制。
  • 机器监控：检查机器（工具或零件）的尺寸或缺陷，以便在需要时立即进行调整或维护。
  • 物料搬运：拆包、路由或打包物料。
  • 分拣：根据尺寸、形状或颜色等属性将离散零件分离。
  • 计数：通过产品代码或质量传送时简单的光电探测器无法工作来计数物体。

功能

  • 定位和方向 - 在二维或三维空间中提供物体的姿态、平移和旋转信息。
  • 尺寸测量 - 提供精确的尺寸测量结果。
  • 缺陷检测 - 检测不希望和意外出现的元素，比如划痕，这些元素可能无法准确描述。
  • 验证 - 检查装配件是否包含所需零件，并且没有不需要的零件，或者某个零件的特征是否完全符合要求。
  • 识别 - 读取条形码、二维码或可读字符。
  • 认知 - 根据大小、形状和孔的数量等特征确定零件的身份。
  • 跟踪 - 跟踪零件的运动或引导焊接火炬或胶水分配器等工具沿着一条路径进行工作。
  • 安全 - 识别可能对设备或工作人员造成危害的情况，并提供相应的警示。

表2 - 按应用分类的功能

应用

功能

Robot/machine guidance 机器/设备导引

Location and orientation 定位和方向
Identification 识别
Recognition 认知
Tracking 跟踪
Safety 安全

Quality assurance 质量保证

Gauging 测量
Flaw detection 缺陷检测
Verification 验证
Identification 识别

Test and calibration 测试和校准

Location and orientation 定位和方向
Gauging 测量
Recognition 认知
Tracking 跟踪

Real-time process control 实时过程控制

Gauging 测量
Verification 验证
Identification 识别

Data collection 数据收集

Gauging 测量
Verification 验证
Identification 识别
Recognition 认知

Machine monitoring 机器监控

Location and orientation 定位和方向
Gauging 测量
Flaw detection 缺陷检测
Verification 验证

Material handling 物料搬运

Location and orientation 定位和方向
Gauging 测量
Verification 验证
Identification 识别
Recognition 认知
Tracking 跟踪
Safety 安全

Sorting 分拣

Gauging 测量
Flaw detection 缺陷检测
Verification 验证
Identification 识别
Recognition 认知

Counting 计数

Identification 识别
Recognition 认知

表3 - 按功能分类的应用

功能

应用

Location and orientation 定位和方向

Robot/machine guidance 机器/设备导引
Test and calibration 测试和校准
Machine monitoring 机器监控
Material handling 物料搬运

Gauging 测量

Quality assurance 质量保证
Test and calibration 测试和校准
Real-time processing control 实时过程监控
Data collection 数据收集
Machine monitoring 机器监控
Material handling 物料搬运
Sorting 分拣

Flaw detection 缺陷检测

Quality assurance 质量保证
Machine monitoring 机器监控
Sorting 分拣

Verification 验证

Quality assurance 质量保证
Test and calibration 测试和校准
Real-time process control 实时过程控制
Data collection 数据收集
Machine monitoring 机器监控
Sorting 分拣

Identification 识别

Robot/machine guidance 机器/设备导引
Quality assurance 质量保证
Real-time process control 实时过程控制
Data collection 数据收集
Material handling 物料搬运
Sorting 分拣
Counting 计数

Recognition 认知

Robot/machine guidance 机器/设备导引
Test and calibration 测试和校准
Data collection 数据收集
Material handling 物料搬运
Sorting 分拣
Counting 计数

Tracking 跟踪

Robot/machine guidance 机器/设备导引
Test and calibration 测试和校准
Material handling 物料搬运

Safety 安全

Robot/machine guidance 机器/设备导引
Material handling 物料搬运

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创建于: 2024-03-01 10:25:21
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