機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的在不同行業(yè)的應(yīng)用

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工業(yè)4.0離不開(kāi)智能制造，智能制造離不開(kāi)機(jī)器視覺(jué)。如果說(shuō)工業(yè)機(jī)器人是人類(lèi)手的延伸、交通工具是人類(lèi)腿的延伸，那么機(jī)器視覺(jué)就相當(dāng)于人類(lèi)視覺(jué)在機(jī)器上的延伸，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化和智能化的必要手段。具有高度自動(dòng)化、率、高精度和適應(yīng)較差環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，為我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化打開(kāi)“新視界”。

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

• 智能識(shí)別
•  
• 智能測(cè)量
•  
• 智能檢測(cè)
•  
• 智能互聯(lián)
•  

1. 簡(jiǎn)介及分類(lèi)

是指利用相機(jī)、攝像機(jī)等傳感器，配合算法賦予智能設(shè)備人眼的功能，從而進(jìn)行物體的識(shí)別、檢測(cè)、測(cè)量等功能。可以分為工業(yè)視覺(jué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)兩類(lèi)。

	工業(yè)視覺(jué)	計(jì)算機(jī)視覺(jué)
應(yīng)用領(lǐng)域	智能制造	未來(lái)消費(fèi)、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(jìn)行工件的定位、測(cè)量、檢測(cè)等重復(fù)性勞動(dòng)	賦予智能機(jī)器人視覺(jué)、實(shí)現(xiàn)對(duì)于外界位置信息、圖像信息的識(shí)別與判斷
硬件需求	要求較高、需要對(duì)工業(yè)相機(jī)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(duì)于相機(jī)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(jìn)行物體的標(biāo)定與識(shí)別
產(chǎn)業(yè)成熟度	較高、在半導(dǎo)體、包裝等行業(yè)的測(cè)量、檢測(cè)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：分類(lèi)

1. 構(gòu)成及原理

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

 

圖1：系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1. 優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)

具有高度自動(dòng)化、率、高精度和適應(yīng)較差環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。

性能優(yōu)勢(shì)	優(yōu)勢(shì)原因
非接觸測(cè)量	對(duì)于觀(guān)測(cè)者和被觀(guān)測(cè)者都不會(huì)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(jiàn)的紅外測(cè)量，擴(kuò)展了人眼的視覺(jué)范圍
超長(zhǎng)待機(jī)	能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，人類(lèi)難以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行觀(guān)察，而則可以長(zhǎng)時(shí)
	間的測(cè)量、分析和識(shí)別任務(wù)
定位功能	具備定位功能，能夠自動(dòng)判斷物體的位置，并將位置信息通過(guò)一定的通信協(xié)議輸出，此
	功能多用于全自動(dòng)裝配和生產(chǎn)
測(cè)量功能	測(cè)量功能，能夠自動(dòng)測(cè)量產(chǎn)品的外觀(guān)尺寸，比如外協(xié)輪廓、孔徑、高度、面積等尺寸的
	測(cè)量
缺陷檢測(cè)功能	缺陷檢測(cè)功能是用的zui多的一種功能，她可以檢測(cè)產(chǎn)品表面的一些信息。基
	本上需要用人眼來(lái)的產(chǎn)品品質(zhì)，都可以用視覺(jué)技術(shù)來(lái)替代。

表2：性能優(yōu)勢(shì)原理

是實(shí)現(xiàn)智能制造的必要手段

如果說(shuō)工業(yè)機(jī)器人是人類(lèi)手的延伸、交通工具是人類(lèi)腿的延伸，那么就相當(dāng)于人類(lèi)視覺(jué)在機(jī)器上的延伸。實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件尺寸、形狀、顏色等特征的自動(dòng)判斷和識(shí)別，可以讓機(jī)器代替人眼做測(cè)量和判斷，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化和智能化的必要手段。

 

 

 

 

	人類(lèi)視覺(jué)
性	差，64灰度級(jí)，不能分辨微小的目標(biāo)	強(qiáng)，256灰度級(jí)，可觀(guān)測(cè)微米級(jí)的目標(biāo)
速度性	慢，無(wú)法看清較快運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)	快，快門(mén)時(shí)間可達(dá)10微秒
適應(yīng)性	弱，很多環(huán)境對(duì)人體有害	強(qiáng)，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)
客觀(guān)性	低，數(shù)據(jù)無(wú)法量化	高，數(shù)據(jù)可量化
重復(fù)性	弱，易疲勞	強(qiáng)，可持續(xù)工作
可靠性小	易疲勞，受情緒波動(dòng)	檢測(cè)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：與人類(lèi)視覺(jué)對(duì)比

 

圖2：應(yīng)用于智能制造領(lǐng)域的功能

1. 下游應(yīng)用現(xiàn)狀

應(yīng)用廣泛

作為一種給機(jī)器人帶來(lái)視覺(jué)功能的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用廣泛。從工業(yè)視覺(jué)到計(jì)算機(jī)視覺(jué)，從人機(jī)交互到自動(dòng)駕駛，從虛擬現(xiàn)實(shí)到物體自動(dòng)識(shí)別，都能擔(dān)當(dāng)著重要角色。

 

圖3：應(yīng)用領(lǐng)域

1. 工業(yè)領(lǐng)域

工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的下游市場(chǎng)主要是半導(dǎo)體及電子制造、汽車(chē)、食品與包裝和制藥行業(yè)，其他如煙草、農(nóng)業(yè)、機(jī)械零部件等也是應(yīng)用的重要行業(yè)。

 

圖4：在包裝機(jī)械和機(jī)械零部件應(yīng)用示例

行業(yè)	使用量	具體應(yīng)用	未來(lái)發(fā)展
電子設(shè)備	各細(xì)分環(huán)節(jié)使用量各異，其中iPhone生產(chǎn)全過(guò)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(cè)、回流焊和波峰焊、半導(dǎo)體及集成電路制造等	智能手機(jī)、平板電腦和可穿戴設(shè)備等消費(fèi)電子領(lǐng)域的需求有望發(fā)展
汽車(chē)	一條生產(chǎn)線(xiàn)十幾個(gè)系統(tǒng)	面板印刷質(zhì)量檢測(cè)、字符檢測(cè)、精密測(cè)量、工件表面缺陷檢測(cè)、自由曲面檢測(cè)等	汽車(chē)質(zhì)量把控、汽車(chē)智能化、輕量化趨勢(shì)對(duì)檢測(cè)提出了更高要求，對(duì)視覺(jué)技術(shù)的需求逐步提高
制藥	一條裝配流水線(xiàn)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(cè)、膠囊封裝質(zhì)量檢測(cè)、藥粒缺失檢測(cè)、生產(chǎn)日期打碼檢測(cè)、藥片顏色識(shí)別、分揀等	伴隨著制藥行業(yè)自動(dòng)化升級(jí)改造提速，需求持續(xù)上漲
食品與包裝機(jī)械	各細(xì)分環(huán)節(jié)使用量各異	外觀(guān)封裝檢測(cè)、食品封裝缺漏檢測(cè)、外觀(guān)和內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)、分揀	近年來(lái)公眾對(duì)食品安全要求日益嚴(yán)格，促使相關(guān)檢測(cè)市場(chǎng)發(fā)展
印刷機(jī)械	生產(chǎn)線(xiàn)一條使用6套左右	印刷質(zhì)量檢測(cè)、印刷字符檢測(cè)、條碼識(shí)別、色差檢測(cè)等	伴隨著印刷行業(yè)自動(dòng)化升級(jí)改造提速，需求持續(xù)上漲

表4：工業(yè)應(yīng)用情況

工業(yè)領(lǐng)域的難點(diǎn)在于精度和速度，要求都在毫米級(jí)，且工業(yè)領(lǐng)域工業(yè)機(jī)器人抓手的變動(dòng)是在三維空間內(nèi)。

+機(jī)器人

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

在工業(yè)機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人上的區(qū)別，首先就是應(yīng)用場(chǎng)景。在工業(yè)機(jī)器人的環(huán)境里，計(jì)算機(jī)視覺(jué)看到的場(chǎng)景是相對(duì)單一，但服務(wù)機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景就要復(fù)雜很多。場(chǎng)景之外，便是精度方面。在工業(yè)機(jī)器人里面，計(jì)算機(jī)視覺(jué)的辨識(shí)精度一定是在毫米級(jí)以下的，包括靜態(tài)的辨識(shí)精度和動(dòng)態(tài)的辨識(shí)精度，靜態(tài)指的是相機(jī)或者觀(guān)測(cè)物品相對(duì)處在一個(gè)靜止的狀態(tài)，它這個(gè)時(shí)候的辨識(shí)精度取決于相機(jī)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(gè)時(shí)候精度甚至可以達(dá)到微米級(jí)以下，服務(wù)機(jī)器人大部分的精度并不會(huì)很高，可能會(huì)在厘米級(jí)以上。

+食品藥品

*，食品藥品關(guān)系到人類(lèi)的生命健康，如果因?yàn)樗幤返馁|(zhì)量問(wèn)題而對(duì)人的生命造成威脅，這將是一個(gè)大的災(zāi)難。因而各藥品生產(chǎn)廠(chǎng)家，尤其是世界大廠(chǎng)對(duì)藥品的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)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(guò)程中，無(wú)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(cè)，技術(shù)都可以發(fā)揮其強(qiáng)大的功能。

利用的方法，可以快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)到制藥包裝是否完好無(wú)缺，通過(guò)設(shè)定圖像傳感器，獲取包裝后的對(duì)象圖片信息，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的面積參數(shù)對(duì)每個(gè)藥?；蛘咚幤窟M(jìn)行檢測(cè)對(duì)比，這樣，破損的藥?；蛘呷逼康陌b都將被檢測(cè)出來(lái)，正確的正常通過(guò)。

+安防

安防是人工智能市場(chǎng)空間的應(yīng)用領(lǐng)域，我們可以預(yù)測(cè)，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，安防的拐點(diǎn)已經(jīng)到來(lái)。

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

 

圖5：基于的工業(yè)機(jī)器人定位技術(shù)流程

1. 服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域

掃地機(jī)器人

目前實(shí)現(xiàn)自主規(guī)避障礙&規(guī)劃路線(xiàn)的掃地機(jī)器人的技術(shù)路徑主要有兩類(lèi)，技術(shù)和激光雷達(dá)導(dǎo)航技術(shù)?；诘膾叩貦C(jī)器人，指通過(guò)攝像頭獲取圖像，通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)規(guī)劃路徑、躲避障礙。

路徑規(guī)劃方式	隨機(jī)碰撞	激光導(dǎo)航
清潔時(shí)間	較長(zhǎng)	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(jià)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(diǎn)	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(dá)壽命問(wèn)題	目前來(lái)看，地位精度不如激光導(dǎo)航，價(jià)格略高于激光導(dǎo)航
優(yōu)點(diǎn)	價(jià)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(jī)器人特點(diǎn)對(duì)比

基于技術(shù)的掃地機(jī)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(wú)人駕駛領(lǐng)域

攝像頭（）、激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、GPS是無(wú)人駕駛汽車(chē)感知系統(tǒng)的五大重要傳感器。

 

表6：攝像頭（）與其他四類(lèi)無(wú)人駕駛汽車(chē)傳感器的特性對(duì)比

1. 我國(guó)發(fā)展?fàn)顩r

目前活躍在我國(guó)市場(chǎng)上的力量主要可以分為三類(lèi)：綜合自動(dòng)化工業(yè)公司、專(zhuān)門(mén)廠(chǎng)商、國(guó)內(nèi)專(zhuān)門(mén)公司，其中外資廠(chǎng)商仍然*主導(dǎo)地位，我國(guó)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(kāi)發(fā)商較少。

 

表7：我國(guó)市場(chǎng)上的三類(lèi)力量（來(lái)源：立本信息研究院）

 

表8：國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈上公司分布（來(lái)源：工控網(wǎng)）

從行業(yè)公司來(lái)看，我國(guó)的品牌已超100多家，我國(guó)自己的企業(yè)也超過(guò)102家，產(chǎn)品代理商超過(guò)200家，專(zhuān)業(yè)的系統(tǒng)集成商超過(guò)50家。

1. 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
   •  
   •  
   •  
   • windows OS，圖像識(shí)別與處理軟件自主開(kāi)發(fā)；
   •  
   • OEM方式。
2. 應(yīng)用領(lǐng)域

1. 制藥行業(yè)
   •  
2. 工業(yè)機(jī)器人
   •  
3. 機(jī)械加工
   •  
4. 電子行業(yè)
   1. 板印刷電路、電子封裝、絲網(wǎng)印刷等方面的檢測(cè)。
5. 各類(lèi)顏色識(shí)別
   •  
6. 食品與包裝行業(yè)
   •