【導(dǎo)讀】機(jī)器視覺廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,涵蓋眾多應(yīng)用場景。在制造業(yè)中,利用機(jī)器視覺執(zhí)行的任務(wù)有:對子組件進(jìn)行最終檢查,查驗(yàn)零件有無潛在制造缺陷等等。在自動(dòng)化領(lǐng)域,機(jī)器視覺在引導(dǎo)機(jī)器人方面發(fā)揮著重要作用。此外,它還用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)矩陣碼、檢查食品包裝和讀取條形碼。機(jī)器視覺白皮書將全面介紹機(jī)器視覺系統(tǒng)及市場,本文為第一部分,將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)用途、市場趨勢、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
機(jī)器視覺廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域,涵蓋眾多應(yīng)用場景。在制造業(yè)中,利用機(jī)器視覺執(zhí)行的任務(wù)有:對子組件進(jìn)行最終檢查,查驗(yàn)零件有無潛在制造缺陷等等。在自動(dòng)化領(lǐng)域,機(jī)器視覺在引導(dǎo)機(jī)器人方面發(fā)揮著重要作用。此外,它還用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)矩陣碼、檢查食品包裝和讀取條形碼。機(jī)器視覺白皮書將全面介紹機(jī)器視覺系統(tǒng)及市場,本文為第一部分,將重點(diǎn)介紹系統(tǒng)用途、市場趨勢、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)用途
機(jī)器視覺利用攝像頭從環(huán)境中收集視覺數(shù)據(jù),然后通過硬件和軟件聯(lián)合處理這些數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合各種應(yīng)用的格式。機(jī)器視覺技術(shù)經(jīng)常采用專門的光學(xué)元件來捕獲圖像,以便對圖像的特定方面進(jìn)行處理、分析和量化。
這類應(yīng)用可以檢查生產(chǎn)線上正在生產(chǎn)的部件的特定特征,比如評估部件是否滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),如果不滿足,則可能會(huì)丟棄部件。機(jī)器視覺系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器,這些傳感器位于配備專用光學(xué)元件的工業(yè)攝像頭中并受到保護(hù)。傳感器捕獲圖像后,交由計(jì)算機(jī)硬件和軟件進(jìn)行處理、分析、測量圖像的不同屬性,從而輔助決策。
除了制造業(yè)中的質(zhì)量控制之外,機(jī)器視覺系統(tǒng)還有許多其他應(yīng)用。比如,可用于交通管理系統(tǒng),監(jiān)視和控制交通流量,提高道路的安全性和效率。在醫(yī)療領(lǐng)域,機(jī)器視覺可以為診斷過程提供支持,通過精準(zhǔn)的圖像分析,盡早發(fā)現(xiàn)疾病。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,機(jī)器視覺系統(tǒng)可以監(jiān)測農(nóng)作物健康狀況,并實(shí)現(xiàn)收割過程的自動(dòng)化。
此外,在零售業(yè),機(jī)器視覺可以促進(jìn)自動(dòng)結(jié)賬系統(tǒng)的應(yīng)用,改善客戶體驗(yàn)和運(yùn)營效率。因此,機(jī)器視覺系統(tǒng)功能強(qiáng)大,應(yīng)用廣泛,已成為現(xiàn)代科技不可或缺的一部分。
各種視覺系統(tǒng)
機(jī)器視覺系統(tǒng)可用于檢查各種各樣的產(chǎn)品,包括食品、飲料、藥品和電子產(chǎn)品等。機(jī)器視覺系統(tǒng)使用多種機(jī)器視覺技術(shù),包括圖像識(shí)別、光學(xué)字符識(shí)別 (OCR) 和物體檢測,從而識(shí)別缺陷并加以分類。另外,它也可用于測量物體的尺寸和形狀,或是在整個(gè)生產(chǎn)過程中跟蹤和追溯產(chǎn)品。機(jī)器視覺系統(tǒng)可以幫助提高產(chǎn)品質(zhì)量,降低成本,并確保產(chǎn)品安全。通過在生產(chǎn)過程中盡早識(shí)別和糾正缺陷,機(jī)器視覺系統(tǒng)可以幫助避免召回和退貨。
1.損傷和缺陷:機(jī)器視覺系統(tǒng)可用于識(shí)別各種損傷和缺陷,例如孔洞、空隙、邊緣損壞、圖案瑕疵、浸管彎曲、封口損壞或缺失、噴霧扳機(jī)損壞或缺失。
2.字符和代碼:機(jī)器視覺系統(tǒng)可用于識(shí)別和驗(yàn)證字符和代碼,例如點(diǎn)陣和非點(diǎn)打印、光學(xué)字符識(shí)別(OCR) 和 光學(xué)字符驗(yàn)證(OCV)、批次、日期和條形碼、一維和二維條形碼(二維碼和定制圖案),以及用于跟蹤和追溯。
3.密封完整性檢查:機(jī)器視覺系統(tǒng)可用于在密封性檢查中,檢查產(chǎn)品的密封完整性。
4.對齊和定位:機(jī)器視覺系統(tǒng)可用于確保產(chǎn)品正確對齊和定位,例如圖形位置和對齊,蓋子與容器匹配等。
5.匹配和驗(yàn)證:機(jī)器視覺系統(tǒng)可用于匹配和驗(yàn)證產(chǎn)品,例如確保蓋子和標(biāo)簽圖案匹配,以及確保噴霧扳機(jī)或蓋子的朝向正確。
6.填充和方向:機(jī)器視覺系統(tǒng)可用于檢查產(chǎn)品的填充和方向,例如填充前瓶子是否存在、方向是否正確。
市場信息和趨勢
根據(jù) Expert Market Research 的報(bào)告,2023 年全球機(jī)器視覺市場規(guī)模達(dá)到了約 108.8 億美元。預(yù)計(jì) 2024 年至 2032 年期間,該市場將以 7.90% 的復(fù)合年增長率 (CAGR) 增長,到 2032 年將達(dá)到近 215.1 億美元的規(guī)模。
工業(yè) 4.0 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 等先進(jìn)創(chuàng)新技術(shù)的采用和實(shí)施,是推動(dòng)機(jī)器視覺市場增長的主要?jiǎng)恿χ弧9I(yè)各領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型,加上數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、機(jī)器學(xué)習(xí)、云計(jì)算和人工智能等先進(jìn)技術(shù)的加速融合,也在推動(dòng)應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)。為了能推進(jìn)實(shí)時(shí)決策、提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平,各行各業(yè)都越來越關(guān)注裝備計(jì)算機(jī)視覺設(shè)備、嵌入式軟件、先進(jìn)傳感器和機(jī)器人的智能工廠,從而提振了機(jī)器視覺市場。然而,這種先進(jìn)設(shè)備的初始成本很高,而且頻繁維護(hù)也需要投入大量的資金和人力,這些因素可能會(huì)阻礙該市場增長。
機(jī)器視覺應(yīng)用憑借低硬件成本,快速高效的處理器,以及完整、可擴(kuò)展的軟件而越來越受歡迎,這些軟件可提供部署和開發(fā)機(jī)器視覺系統(tǒng)所需的各種要素。
得益于汽車、包裝、制藥及其他工業(yè)應(yīng)用的迅猛增長,亞太地區(qū)的機(jī)器視覺市場正蓬勃發(fā)展。隨著亞太地區(qū)工業(yè)化的不斷推進(jìn),各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)技術(shù)的投資顯著增加,預(yù)計(jì)會(huì)為機(jī)器視覺市場的擴(kuò)張創(chuàng)造機(jī)會(huì)。此外,中國、印度、韓國和日本等國家的電子、半導(dǎo)體、汽車行業(yè)發(fā)展強(qiáng)勁,勢必會(huì)令機(jī)器視覺市場的增長前景更加樂觀。
機(jī)器視覺技術(shù)自 20 世紀(jì) 50 年代誕生以來,已經(jīng)取得了令人矚目的進(jìn)步。機(jī)器視覺的發(fā)展與攝像頭傳感器的演變緊密相連。早期的 CCD 質(zhì)量很高,但速度和分辨率較差。CMOS 傳感器的出現(xiàn)促進(jìn)了降價(jià)和提速,為發(fā)展百萬級(jí)像素傳感器及紅外線、高光譜等特殊類型的傳感器奠定了基礎(chǔ)。
深度學(xué)習(xí)技術(shù)的蓬勃發(fā)展讓傳感器成功與 AI 緊密結(jié)合,使得實(shí)時(shí)物體檢測和場景理解成為可能。隨著 3D 成像、邊緣計(jì)算和先進(jìn)傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步,這一趨勢將持續(xù)發(fā)展,未來的機(jī)器有望以越來越高的準(zhǔn)確度和智能水平“看待”世界,為我們構(gòu)建一個(gè)自動(dòng)化且富有洞察力的環(huán)境。
人工智能和深度學(xué)習(xí)取得進(jìn)步
人工智能 (AI) 和深度學(xué)習(xí)的持續(xù)進(jìn)步極大地增強(qiáng)了機(jī)器視覺系統(tǒng)的能力。AI 算法,特別是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (CNN) 等深度學(xué)習(xí)技術(shù),徹底改變了圖像處理和模式識(shí)別領(lǐng)域。這些系統(tǒng)可以從海量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí),現(xiàn)在已能準(zhǔn)確識(shí)別物體、面部和場景并加以分類。
這方面的進(jìn)展使得面部識(shí)別、自動(dòng)駕駛汽車、醫(yī)學(xué)成像和安全監(jiān)控等領(lǐng)域取得了重大突破。隨著 AI 的不斷演進(jìn),機(jī)器視覺預(yù)期會(huì)變得更加精密,適應(yīng)性更強(qiáng),并能處理日益復(fù)雜的視覺任務(wù)。這無疑將推動(dòng)機(jī)器視覺領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新。
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
圖 1:機(jī)器視覺通用系統(tǒng)示意圖
在工業(yè)領(lǐng)域,機(jī)器視覺用于電子元件分析、特征識(shí)別、物體和圖案識(shí)別及材料檢驗(yàn)。它可以幫助不同過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,通過圖像處理發(fā)現(xiàn)故障。由于機(jī)器視覺能夠減少人工操作并提高產(chǎn)品制造的精度,因此備受歡迎。
下面的系統(tǒng)示意圖顯示了工廠環(huán)境中用于檢查物體的機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)方式。本節(jié)說明機(jī)器視覺系統(tǒng)的不同部分或模塊。大多數(shù)工廠檢查系統(tǒng)使用的都是類似的模塊,但可能存在一些細(xì)微差別。
攝像頭模塊:攝像頭模塊包括鏡頭和圖像傳感器,用于拍攝物體的照片以供稍后分析。鏡頭會(huì)根據(jù)照明條件和所拍攝物體的特點(diǎn)來選擇焦距和光圈范圍。圖像傳感器位于鏡頭后部的像平面處,負(fù)責(zé)信息的光電轉(zhuǎn)換。
圖像處理器:可利用圖像處理算法分析攝像頭模塊的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。以下是機(jī)器視覺圖像處理的主要步驟:
◆預(yù)處理:預(yù)處理包括消除噪聲和增強(qiáng)對比度。
◆顏色管道:顏色插值、顏色平衡、孔徑校正
◆圖像識(shí)別:
分割:在此過程中應(yīng)用閾值并確定圖像的邊緣。
特征提?。涸诖诉^程中可以提取尺寸、顏色、長度、形狀或這些特征的組合。
處理單元:需要一個(gè)處理單元和內(nèi)置軟件來處理圖像和執(zhí)行檢測、測量、比較等,以確認(rèn)圖像是否滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),或?yàn)橄到y(tǒng)提供類型驗(yàn)證或機(jī)器人控制。
照明模塊:照明是視覺系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)性的方面之一。物體或場景的照明不當(dāng)或照度低,可能會(huì)大大增加視覺系統(tǒng)的錯(cuò)誤率。不過,應(yīng)用的照明是否適當(dāng)在很大程度上取決于要完成的任務(wù)。
傳感器:機(jī)器視覺系統(tǒng)通常包含光學(xué)傳感器、磁傳感器、激光雷達(dá)、超聲波傳感器和光傳感器,構(gòu)成了檢測系統(tǒng)的一部分。傳感器檢測最終產(chǎn)品是否存在缺陷。根據(jù)設(shè)置,傳感器還可能觸發(fā)圖像采集和處理,或使用某種形式的執(zhí)行器來對有缺陷的部件進(jìn)行分類、分流或剔除。
選擇黑白傳感器還是彩色傳感器,取決于對顏色信息和光敏度的權(quán)衡。彩色傳感器通過紅色、綠色和藍(lán)色通道捕捉自然圖像,因此非常適合要求通過顏色識(shí)別物體的場合。然而,彩色傳感器在低光條件下表現(xiàn)不佳,因?yàn)轭伾珵V波器陣列 (CFA) 會(huì)阻擋某些用于捕獲顏色數(shù)據(jù)的光線。相反,黑白傳感器舍棄了 CFA,以灰階捕捉所有入射光。因此,黑白傳感器在低光條件下要敏感得多,并且處理速度可能更快。
顯示:機(jī)器視覺中顯示模塊的主要作用是將處理后的圖像或視頻數(shù)據(jù)清晰直觀地顯示出來。在機(jī)器視覺系統(tǒng)中,顯示模塊是一個(gè)關(guān)鍵組件,用于顯示和解讀所捕獲的圖像或視頻數(shù)據(jù)。它以直觀的方式呈現(xiàn)處理后的信息,方便用戶評估數(shù)據(jù)的質(zhì)量,識(shí)別潛在的缺陷,并根據(jù)經(jīng)過分析的圖像做出明智的決策。
選擇和設(shè)置機(jī)器視覺方案時(shí)需要考慮的事項(xiàng)如下:
為了選擇適當(dāng)?shù)臋C(jī)器視覺方案,有必要單獨(dú)評估機(jī)器視覺的各個(gè)階段。
圖像捕捉 -機(jī)器視覺系統(tǒng)的用途應(yīng)該從一開始就明確定義。以圖像捕捉/攝像頭模塊為例。這類系統(tǒng)必須配備具有快速幀率和短曝光時(shí)間的高像素質(zhì)量攝像頭。另一方面,如果要根據(jù)產(chǎn)品的溫度對產(chǎn)品進(jìn)行評估,則必須使用紅外攝像頭。簡而言之,設(shè)備合適與否取決于具體的使用場景。
圖像處理/識(shí)別 -必須選擇合適的圖像處理軟件或圖像識(shí)別軟件,并將軟件集成到圖像捕捉所用的系統(tǒng)中。圖像處理軟件將在硬件上運(yùn)行,硬件將決定圖像處理速度。所需的速度取決于具體使用場景,針對合適的速度進(jìn)行優(yōu)化將能有效降低硬件成本。
系統(tǒng)動(dòng)作 -圖像處理和分析軟件必須與采取行動(dòng)的系統(tǒng)無縫集成。考慮機(jī)器視覺系統(tǒng)的總擁有成本時(shí),需要納入集成成本。
文章來源:安森美
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