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機器視覺技術(shù)的在不同行業(yè)的應(yīng)用

-上海映初智能科技有限公司

工業(yè)4.0離不開智能制造，智能制造離不開機器視覺。如果說工業(yè)機器人是人類手的延伸、交通工具是人類腿的延伸，那么機器視覺就相當(dāng)于人類視覺在機器上的延伸，是實現(xiàn)工業(yè)自動化和智能化的必要手段。機器視覺具有高度自動化、率、高精度和適應(yīng)較差環(huán)境等優(yōu)點，為我國工業(yè)自動化打開“新視界”。

傳統(tǒng)工業(yè)制造企業(yè)在視覺圖像技術(shù)方面需要構(gòu)建四大能力：

• 智能識別
•  
• 智能測量
•  
• 智能檢測
•  
• 智能互聯(lián)
•  

1. 簡介及分類

機器視覺是指利用相機、攝像機等傳感器，配合機器視覺算法賦予智能設(shè)備人眼的功能，從而進行物體的識別、檢測、測量等功能。機器視覺可以分為工業(yè)視覺、計算機視覺兩類。

機器視覺	工業(yè)視覺	計算機視覺
應(yīng)用領(lǐng)域	智能制造	未來消費、服務(wù)等智能生活領(lǐng)域
功能目標(biāo)	主要解決需要人眼進行工件的定位、測量、檢測等重復(fù)性勞動	賦予智能機器人視覺、實現(xiàn)對于外界位置信息、圖像信息的識別與判斷
硬件需求	要求較高、需要對工業(yè)相機的幀頻、分辨率等指標(biāo)依據(jù)需求篩選	除特殊情況、大部分對于相機或攝像頭的要求并不高
算法需求	往往側(cè)重于度的提高	更加復(fù)雜，側(cè)重于采用數(shù)學(xué)邏輯或深度學(xué)習(xí)進行物體的標(biāo)定與識別
產(chǎn)業(yè)成熟度	較高、在半導(dǎo)體、包裝等行業(yè)的測量、檢測已有較廣泛的應(yīng)用	總體上還處于初步探索階段、初創(chuàng)企業(yè)層出不窮

• 1：機器視覺分類

1. 構(gòu)成及原理

機器視覺系統(tǒng)一般由光源、鏡頭、工業(yè)相機、圖像采集卡、圖像處理單元和視覺處理軟件構(gòu)成。

 

圖1：機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1. 優(yōu)勢及特點

機器視覺具有高度自動化、率、高精度和適應(yīng)較差環(huán)境的優(yōu)點。

機器視覺性能優(yōu)勢	優(yōu)勢原因
非接觸測量	對于觀測者和被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷，從而提高系統(tǒng)的可靠性
光譜響應(yīng)范圍較大	具有交款的光譜響應(yīng)范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴展了人眼的視覺范圍
超長待機	能夠長時間穩(wěn)定工作，人類難以長時間對同一對象進行觀察，而機器視覺則可以長時
	間的測量、分析和識別任務(wù)
定位功能	具備定位功能，能夠自動判斷物體的位置，并將位置信息通過一定的通信協(xié)議輸出，此
	功能多用于全自動裝配和生產(chǎn)
測量功能	測量功能，能夠自動測量產(chǎn)品的外觀尺寸，比如外協(xié)輪廓、孔徑、高度、面積等尺寸的
	測量
缺陷檢測功能	缺陷檢測功能是機器視覺用的zui多的一種功能，她可以檢測產(chǎn)品表面的一些信息?；?/span>
	本上需要用人眼來的產(chǎn)品品質(zhì)，都可以用視覺技術(shù)來替代。

表2：機器視覺性能優(yōu)勢原理

是實現(xiàn)智能制造的必要手段

如果說工業(yè)機器人是人類手的延伸、交通工具是人類腿的延伸，那么機器視覺就相當(dāng)于人類視覺在機器上的延伸。機器視覺實現(xiàn)了對工件尺寸、形狀、顏色等特征的自動判斷和識別，可以讓機器代替人眼做測量和判斷，是實現(xiàn)工業(yè)自動化和智能化的必要手段。

	人類視覺	機器視覺
性	差，64灰度級，不能分辨微小的目標(biāo)	強，256灰度級，可觀測微米級的目標(biāo)
速度性	慢，無法看清較快運動的目標(biāo)	快，快門時間可達10微秒
適應(yīng)性	弱，很多環(huán)境對人體有害	強，對環(huán)境適應(yīng)性強
客觀性	低，數(shù)據(jù)無法量化	高，數(shù)據(jù)可量化
重復(fù)性	弱，易疲勞	強，可持續(xù)工作
可靠性小	易疲勞，受情緒波動	檢測效果穩(wěn)定可靠
效率性	效率低	效率高
信息集成	不易信息集成	方便信息集成

表3：機器視覺與人類視覺對比

 

圖2：機器視覺應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域的功能

2.機器視覺下游應(yīng)用現(xiàn)狀

應(yīng)用廣泛

作為一種給機器人帶來視覺功能的關(guān)鍵技術(shù)，機器視覺應(yīng)用廣泛。從工業(yè)視覺到計算機視覺，從人機交互到自動駕駛，從虛擬現(xiàn)實到物體自動識別，機器視覺都能擔(dān)當(dāng)著重要角色。

 

圖3：機器視覺應(yīng)用領(lǐng)域

1. 工業(yè)領(lǐng)域

工業(yè)機器人領(lǐng)域的機器視覺下游市場主要是半導(dǎo)體及電子制造、汽車、食品與包裝和制藥行業(yè)，其他如煙草、農(nóng)業(yè)、機械零部件等也是機器視覺應(yīng)用的重要行業(yè)。

 

圖4：機器視覺在包裝機械和機械零部件應(yīng)用示例

行業(yè)	使用量	具體應(yīng)用	未來發(fā)展
電子設(shè)備	各細分環(huán)節(jié)使用量各異，其中iPhone生產(chǎn)全過程需70套以上系統(tǒng)	PCB板印刷電路、電子封裝、絲網(wǎng)印刷、SMT表面封裝、SPI錫膏檢測、回流焊和波峰焊、半導(dǎo)體及集成電路制造等	智能手機、平板電腦和可穿戴設(shè)備等消費電子領(lǐng)域的需求有望發(fā)展
汽車	一條生產(chǎn)線十幾個系統(tǒng)	面板印刷質(zhì)量檢測、字符檢測、精密測量、工件表面缺陷檢測、自由曲面檢測等	汽車質(zhì)量把控、汽車智能化、輕量化趨勢對檢測提出了更高要求，對視覺技術(shù)的需求逐步提高
制藥	一條裝配流水線上至少5處，但目前大多數(shù)企業(yè)只有zui后的1-2套	藥瓶封裝缺陷檢測、膠囊封裝質(zhì)量檢測、藥粒缺失檢測、生產(chǎn)日期打碼檢測、藥片顏色識別、分揀等	伴隨著制藥行業(yè)自動化升級改造提速，需求持續(xù)上漲
食品與包裝機械	各細分環(huán)節(jié)使用量各異	外觀封裝檢測、食品封裝缺漏檢測、外觀和內(nèi)部質(zhì)量檢測、分揀	近年來公眾對食品安全要求日益嚴(yán)格，促使相關(guān)檢測市場發(fā)展
印刷機械	生產(chǎn)線一條使用6套左右	印刷質(zhì)量檢測、印刷字符檢測、條碼識別、色差檢測等	伴隨著印刷行業(yè)自動化升級改造提速，需求持續(xù)上漲

表4：機器視覺工業(yè)應(yīng)用情況

工業(yè)領(lǐng)域的機器視覺難點在于精度和速度，要求都在毫米級，且工業(yè)領(lǐng)域工業(yè)機器人抓手的變動是在三維空間內(nèi)。

機器視覺+機器人

機器視覺在機器人上的應(yīng)用是十分必要的，工業(yè)機器人和服務(wù)機器人都需要機器人視覺當(dāng)做自己的“眼睛”，但工業(yè)機器人和服務(wù)機器人對機器人視覺的需求卻是不同的。

機器視覺在工業(yè)機器人和服務(wù)機器人上的區(qū)別，首先就是應(yīng)用場景。在工業(yè)機器人的環(huán)境里，計算機視覺看到的場景是相對單一，但服務(wù)機器人的應(yīng)用場景就要復(fù)雜很多。場景之外，便是精度方面。在工業(yè)機器人里面，計算機視覺的辨識精度一定是在毫米級以下的，包括靜態(tài)的辨識精度和動態(tài)的辨識精度，靜態(tài)指的是相機或者觀測物品相對處在一個靜止的狀態(tài)，它這個時候的辨識精度取決于相機的分辨率，包括物品的邊緣是否清晰，差異化是否很明確，這個時候精度甚至可以達到微米級以下，服務(wù)機器人大部分的精度并不會很高，可能會在厘米級以上。

機器視覺+食品藥品

*，食品藥品關(guān)系到人類的生命健康，如果因為藥品的質(zhì)量問題而對人的生命造成威脅，這將是一個大的災(zāi)難。因而各藥品生產(chǎn)廠家，尤其是世界大廠對藥品的整個生產(chǎn)過程甚至后段的包裝都給予了非常大的重視。在食品藥品的生產(chǎn)、包裝過程中，無論是藥品的泡罩包裝、液體灌裝，還是后段的壓蓋、貼標(biāo)、噴碼，以及zui后的裝盒檢測，機器視覺技術(shù)都可以發(fā)揮其*的功能。

利用機器視覺的方法，可以快速、準(zhǔn)確地檢測到制藥包裝是否完好無缺，通過設(shè)定圖像傳感器，獲取包裝后的對象圖片信息，通過預(yù)先設(shè)定的面積參數(shù)對每個藥?；蛘咚幤窟M行檢測對比，這樣，破損的藥?；蛘呷逼康陌b都將被檢測出來，正確的正常通過。

機器視覺+安防

安防是人工智能市場空間的應(yīng)用領(lǐng)域，我們可以預(yù)測，在今后的5-10年，安防行業(yè)必然將發(fā)展到人工智能應(yīng)用全面爆發(fā)的階段，安防機器視覺的拐點已經(jīng)到來。

作為高精度、非接觸的測量系統(tǒng)，視覺系統(tǒng)涉及到視覺、光學(xué)和圖像處理，屬於高科技產(chǎn)業(yè)，機器視覺與運動控制、智能通信等*技術(shù)的結(jié)合正在推動著工業(yè)自動化生產(chǎn)的面貌的提升。

 

圖5：基于機器視覺的工業(yè)機器人定位技術(shù)流程

1. 服務(wù)機器人領(lǐng)域

掃地機器人

目前實現(xiàn)自主規(guī)避障礙&規(guī)劃路線的掃地機器人的技術(shù)路徑主要有兩類，機器視覺技術(shù)和激光雷達導(dǎo)航技術(shù)?；跈C器視覺的掃地機器人，指通過攝像頭獲取圖像，通過算法實現(xiàn)規(guī)劃路徑、躲避障礙。

路徑規(guī)劃方式	隨機碰撞	激光導(dǎo)航	機器視覺
清潔時間	較長	短	短
覆蓋率	較低	較高	高
脫困能力	低	高	高
技術(shù)研發(fā)成本	低	較高	高
售價范圍	1500-3000元	4000-6000元	5000-8000元
代表品牌	iRobot Roomba、三星、科沃斯等	Neato、科沃斯地寶、Xrobot	IRobot980、Dyson360eye
缺點	清潔率低	受落地窗、花瓶等反光物體影響，旋轉(zhuǎn)式激光雷達壽命問題	目前來看，地位精度不如激光導(dǎo)航，價格略高于激光導(dǎo)航
優(yōu)點	價格低廉	精度較高、可以用于較大空間	適配于各種室內(nèi)居室

表5：不同技術(shù)方案的掃地機器人特點對比

基于機器視覺技術(shù)的掃地機器人，目前主要有兩款產(chǎn)品，一款是iRobot 980，一款是Dyson 360 eye。

 

圖6：iRobot 980和Dyson 360 eye

1. 無人駕駛領(lǐng)域

攝像頭（機器視覺）、激光雷達、毫米波雷達、超聲波雷達、GPS是無人駕駛汽車感知系統(tǒng)的五大重要傳感器。

 

表6：攝像頭（機器視覺）與其他四類無人駕駛汽車傳感器的特性對比

3.我國機器視覺發(fā)展?fàn)顩r

目前活躍在我國機器視覺市場上的力量主要可以分為三類：綜合自動化工業(yè)公司、專門機器視覺廠商、國內(nèi)專門機器視覺公司，其中外資廠商仍然占據(jù)機器視覺市場主導(dǎo)地位，我國機器視覺行業(yè)企業(yè)以產(chǎn)品代理商和系統(tǒng)集成及設(shè)備制造為主，底層開發(fā)商較少。

 

表7：我國機器視覺市場上的三類力量（來源：立本信息研究院）

 

表8：國內(nèi)機器視覺產(chǎn)業(yè)鏈上公司分布（來源：工控網(wǎng)）

從行業(yè)公司來看，我國的機器視覺品牌已超100多家，我國自己的機器視覺企業(yè)也超過102家，機器視覺產(chǎn)品代理商超過200家，專業(yè)的機器視覺系統(tǒng)集成商超過50家。

4.上海映初智能科技有限公司的定位及技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

1. 公司定位

   ?按照公司的技術(shù)底蘊和發(fā)展預(yù)期，公司定位為底層系統(tǒng)開發(fā)商，為客戶提供完整的系統(tǒng)解決方案。

     硬件方面：視覺的硬件采用國內(nèi)外廠商的產(chǎn)品；機械、控制方面均自主開發(fā)。

      算法方面：依靠繆博士的*技術(shù)，全部自主開發(fā)；

      軟件方面：系統(tǒng)軟件采用windows OS，圖像識別與處理軟件自主開發(fā)；

      系統(tǒng)方面：根據(jù)客戶需求提供；

      生產(chǎn)方面：機械部件采用OEM方式。

 

1. 應(yīng)用領(lǐng)域

1. 制藥行業(yè)
2. 工業(yè)機器人
3. 機械加工
4. 電子行業(yè)：板印刷電路、電子封裝、絲網(wǎng)印刷等方面的檢測。
5. 各類顏色識別
6. 食品與包裝行業(yè)