視覺是人類認知世界的重要手段，通過視覺獲得的信息占人類獲得外部信息的80%以上。人類通過視覺感知外部世界信息，再通過大腦進行相應的判斷，做出相應的動作。讓機器像人一樣也有視覺功能是人類長久以來的夢想。隨著計算機、人工智能、光學、電子、控制技術的發展，特別是CCD、DSP、圖像處理、模式識別、計算機視覺技術的飛速進步，一門新興的技術——機器視覺（Machine Vision），正在將這一夢想變為現實。  

   機器視覺技術使得計算機系統能通過圖像認知周圍環境，并做出相應的判斷，根據設定的規則控制系統的行為。這就使得機器系統具備了類似人類的視覺和進行判斷的能力。美國制造工程師協會機器視覺分會和美國機器人工業協會（RIA，Robotic Industries Association）對機器視覺下的定義為: “機器視覺是通過光學裝置和非接觸傳感器自動接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置”。簡單地說，機器視覺就是用機器代替人眼和大腦完成各種測量和判斷。機器視覺首先處理圖像（視覺）信息，并根據處理結果對下一步動作給出控制。一個機器視覺系統就是一個能自動獲取目標物體圖像，對所獲取圖像的各種特征量進行處理、分析、測量和判斷，并做出定性分析和定量解釋，從而得到有關目標物體的認識并做出相應動作決策的系統。機器視覺系統的功能包括: 物體定位、特征檢測、缺陷判斷、目標識別、計數和運動跟蹤等。  

機器視覺的發展歷程  

   機器視覺技術出現于20世紀中期。最初用于對二維圖像的分析和識別，如光學字符識別、工件表面檢測、航片解讀、顯微圖像判讀等，基本上屬于圖像處理和識別的范疇。L.Robert在1965年發表了《三維物體的機器感知》這一著名論文，闡述了利用計算機科學所提供的手段實現從二維圖像獲得三維信息的可能性，開創了以理解三維場景為目的的三維機器視覺研究，到20世紀70年代，一些機器視覺應用系統陸續出現。  

   20世紀70年代Marr提出的視覺計算理論是機器視覺理論研究的一個里程碑，該理論成為機器視覺研究的基礎理論框架。此后，有關機器視覺的各種理論研究迅猛發展，圖像處理、模式識別、計算機視覺等領域新的方法和理論不斷涌現，為機器視覺的發展奠定了理論基礎。同時，計算機、電子技術、CCD、DSP、光學、機械等硬件技術的進步也是日新月異，從光源、相機、圖像采集卡到計算機和嵌入式系統，幾乎每一個機器視覺系統的有關環節都出現了性能的大幅提升甚至質的飛躍。更高分辨率的圖像、更快的處理器、更好的光源，同時還伴隨著成本的降低和體積的減小，這一切為機器視覺的發展準備了堅實的硬件平臺。  

   理論和器件的發展加上來自社會生產的廣泛需求，導致了機器視覺技術的飛速發展。時至今日，機器視覺已廣泛應用于軍事、制造業、半導體/電子、紡織、食品、印刷、醫療、煙草、交通、物流、娛樂、體育等許多行業，已經深入到我們生產、生活的各個方面。機器視覺已成為數十億美元產值的新興產業。  
   典型的機器視覺系統以計算機為中心，由視覺傳感器、圖像采集系統、圖像處理系統和控制機構組成。視覺傳感器和圖像采集系統采集圖像，并將光學圖像轉變為數字圖像，圖像處理系統對圖像進行處理和分析，得到需要的各種信息，并做出相應的動作決策。機器視覺系統可以在相當程度上代替人眼視覺系統，甚至具有比人眼視覺更高的分辨率、更快的速度，獲得人眼所不能看到的波長范圍的信息，完成快速檢測、定位、識別、導航、測量等各種任務。  

機器視覺系統的特點  

   機器視覺將計算機和電子系統的高速計算能力、可重復性、快速反應能力與人眼視覺的高度智能化和抽象能力、判斷能力結合，是實現儀器設備精密控制、智能化、自動化的有效途徑，堪稱現代工業生產的“機器眼睛”。與傳統的傳感器和人工操作相比具有獨特的優點:  
   ● 精度高。采用高分辨率的光學成像系統和圖像采集系統，機器視覺可以達到比人眼高得多的檢測精度。  
   ● 非接觸。機器視覺系統可以實現非接觸量測和檢測，對被測物體不會造成任何損傷和改變。  
   ● 連續性和穩定性。機器視覺系統可以避免人眼工作的疲勞和狀態的不穩定，實現長時間連續的測量識別和分析。  
   ● 較寬的光譜響應范圍。通過使用人眼看不見的譜段，如紅外線、紫外線、X光，實現對特殊特征的識別和觀察，擴展了視覺范圍。  
   ● 快速。結合計算機的高速計算能力和成像器件的高速響應能力，機器視覺系統可以實現對大批量、高速運動物體的捕捉、識別、檢查和相應的動作，這是人難以做到的。這一特性對于軍事和現代制造業有特別重要的意義。  
   ● 在惡劣環境下工作。可以代替人在惡劣環境下工作。  
   ● 與海量知識和規則庫結合進行快速檢查和判斷。可以將獲得的圖像與預先存儲的大量規則和標準進行快速比對檢查。  
   ● 快速定量分析。機器視覺系統不僅能模擬人類視覺做出判斷，更具有人類視覺所不具有的快速精確定量測量和分析能力，對生產過程的調節和控制有極大的幫助。  
   ● 一定的靈活性。通過調整軟件和參數可以適應一定范圍內變化的對象，優于傳統的光學、電子、機械傳感器。  
   ● 節省人力開銷，保護工作人員的健康。  

機器視覺的應用領域  

   機器視覺的獨特優點使得它在許多領域得到應用，甚至發揮著不可替代的作用，極大地提升了這些行業的技術水平。  
   1. 軍事。軍事領域是對新技術最渴望、最敏感的領域，對于機器視覺同樣也不例外。最早的視覺和圖像分析系統就是用于偵察圖像的處理分析和武器制導。現代高精度制導武器中基于可見光、紅外線的制導，就是一套完整的機器視覺系統。通過傳感器成像、彈載計算機分析圖像在復雜的背景中識別目標并給出制導指令，在海灣戰爭中制造了導彈從窗口飛進大樓的效果。無人駕駛飛機、無人戰車也都借助機器視覺系統進行環境分析、路徑導引和攻擊導向。即使在后方，危險的彈藥庫搬運操作也可以借助裝備視覺系統的機械手進行。未來可能出現在戰場上的機器人戰士，毫無疑問，也必然會裝備有敏銳的視覺系統。  
   2. 半導體/電子。機器視覺大概有40%～50%的應用集中在半導體和電子產品制造領域。在這一領域，無論是在表面檢測、自動定位、字符檢測和識別還是尺寸測量方面，機器視覺都有著廣泛的應用。與在許多行業機器視覺還屬于“高檔”技術不同，在半導體/電子制造領域，機器視覺的應用正在走向普及化和多元化。面對越來越高的集成度、越來越密集的線路和元件、越來越快的制造速度，用機器視覺檢測、定位、導引幾乎是唯一的選擇。目前在半導體的前道和后道工藝以及電子元器件制造及終端電子產品中，都可以看到機器視覺的應用; 在IC制造業，如晶圓的雕刻、晶圓的切割方面，都需要定位與檢測; 在封裝方面主要集中在對封裝后器件的質量檢驗，主要包括一些測量與檢測的功能，而激光打標后的字符質量檢驗可能是最為大家熟知的一個應用。PCB制造是近年發展較快的一個領域，除了傳統的自動定位（打孔機等）、自動檢測（印刷機等）外，基于機器視覺技術的AOI（自動光學檢測）已成為高精度PCB制板不可缺少的檢測設備，用于制板底片檢查、PCB裸板檢查、元件貼裝后的檢查等。在電子元器件制造上，利用機器視覺進行檢測和測量，除了原來的普通器件測量和檢查外，LCD屏的檢測將成為重點。  
   3. 醫療。用于醫學圖像分析，血液細胞自動分類計數、染色體分析、癌癥細胞識別、內鏡檢查等。  
   4. 制藥。藥品生產中外觀質量檢查，藥品形狀、厚度等尺寸檢查、數量統計。  
   5. 郵政。通過機器視覺系統自動識別郵政編碼，實現信函自動分揀。  
   6. 機械制造業。在制造業中，機器視覺技術可以有效地用于產品的質量檢測，快速檢查產品表面缺陷，檢查產品制造尺寸。機器視覺技術可實現三維測量和檢測，還可以用于裝配引導。  
   7. 印鈔造幣。鈔票的印刷質量和數量有著嚴格的要求。機器視覺技術可以代替人對鈔票印刷質量進行仔細的檢查，以保證鈔券的印刷質量。還可以對鈔票的編號進行自動復核，對鈔券數量進行快速無接觸清點。  
   8. 智能交通。機器視覺可用于交通流量分析、車牌識別，在電子警察系統中，通過視覺檢測技術對于車輛行為進行分析、判斷違章、記錄圖像、識別車牌號碼并記錄。  
   9. 物流。進行條碼、標簽、物品的識別與物品分揀，以及集裝箱號碼識別。  
   10. 煙草行業。機器視覺可用于煙草分級、異物剔除、包裝質量檢查。  
   11. 農產品分選。采用機器視覺技術，可以對農產品進行快速地自動分級分揀。例如采用機器視覺中的色選技術，可以將大米中的黑粒、異物等剔除，以提高大米的等級，可給企業帶來巨大的效益。  
   12. 紡織。紡織原料中的異種纖維，如棉花中的麻繩、塑料纖維、干草等，嚴重影響紡織品質量。統計表明異種纖維給紡織業帶來的損失遠遠高于同等重量的黃金價值。機器視覺中的色選技術可以有效剔除紡織原料中的雜質，提升產品質量。在紡織、印染過程中，機器視覺技術可以實時監控產品質量、檢出疵點。  
   13. 食品飲料。可用機器視覺技術進行液位高度檢測、外觀檢測、條碼檢測。  

應用前景  

   機器視覺的廣泛應用已經吸引了眾多的廠商，目前已形成了一個頗具規模的產業，出現了一批年產值數億美元的大公司。整個行業形成了從光源、相機、鏡頭、板卡、軟件到系統集成產品這樣完整的產業鏈條。從應用的角度看，也形成了器件（軟件）供應商、系統集成商、產品制造商、最終用戶密切合作互動的局面。  

   在中國，盡管機器視覺市場的發展晚于歐美，但進入21世紀以來，呈現出加速發展的良好勢頭。機器視覺技術逐步走出實驗室和軍事領域，在我國各行各業得到了廣泛的應用，尤其是近四五年來，更是呈現爆炸式增長的態勢。到2007年，從事機器視覺行業的公司已多達六七百家，領先者如凌云、大恒、威視、嘉恒中自、視覺龍、漢王等，它們在系統集成和自主產品開發方面，碩果累累，產值過億元人民幣。部分國產機器視覺系統不僅價格低廉，而且從性能上已可與國外產品相媲美甚至超越之。  

   從應用的角度看，國內機器視覺的應用仍受制于成本、用戶的認識以及自身的技術缺憾，離全面普及尚有較大距離。當前比較成功的應用主要集中于電子/半導體產品制造、煙草、特種印刷、醫療等行業，在地域上以華南珠三角、華東長三角、華北京津地區為核心，既是機器視覺用戶群密集區又是開發力量的密集區。  

   與發達國家相比，中國機器視覺產業仍處于相對落后的水平，尤其在基礎器件制造方面，基礎性的高端技術基本上掌握在外國廠商手中。在自身技術的提高、行業的拓展、用戶的培養和引導方面，都需要做很細致艱苦的工作。不發達意味著更大的商機，只有為用戶真正創造價值，才能真正實現機器視覺技術的價值。在中國成為世界制造中心的今天，經過各方面的不懈努力，中國機器視覺的輝煌和市場的興旺指日可待。  

作者簡介  

   金剛 模式識別與智能系統專業博士，畢業于華中科技大學圖像所。主要研究方向為計算機視覺、圖像處理、模式識別、人工智能、自然景物仿真，對計算機視覺、圖像處理領域有十余年研發經驗，參與完成三維掃描、號牌識別、視頻測速、鈔券清分、印版檢測、卷煙條包檢測、AOI等多個項目的研發。現在凌云公司從事機器視覺和圖像檢測領域的研究開發工作。