淺談機器視覺的關(guān)鍵技術(shù)和在工業(yè)中的典型應用

機器視覺是一種利用機器模擬人類視覺系統(tǒng)來理解和識別圖像的綜合技術(shù)，在日常生活中的應用十分廣泛。本文將系統(tǒng)介紹機器視覺的關(guān)鍵技術(shù)和在工業(yè)中的典型應用，并盤點國內(nèi)外主流的視覺廠商。 機器視覺是一種利用機器模擬人類視覺系統(tǒng)來理解和識別圖像的綜合技術(shù)，在日常生活中的應用十分廣泛。例如，人臉識別已經(jīng)廣泛應用于出行、住宿和交易等需要身份驗證的場景。

在工業(yè)領(lǐng)域，機器視覺也被廣泛應用到制造業(yè)各個環(huán)節(jié)，協(xié)助進行檢測、測量、識別、定位等工作。典型應用包括新能源動力電池和液晶屏的表面缺陷檢測、半導體識別與測量、食品色選、零件的定位與引導等。本文將系統(tǒng)介紹機器視覺的關(guān)鍵技術(shù)和在工業(yè)中的典型應用，并盤點國內(nèi)外主流的視覺廠商。

01 ? ? 機器視覺技術(shù)概覽

通俗地說，機器視覺就是為機器安裝上“慧眼”，讓機器具有像人一樣的視覺功能，從而實現(xiàn)對圖像的理解和識別。它是一種綜合技術(shù)，融合了光學、傳感技術(shù)、圖像處理、機器學習以及機器人運動控制等術(shù)，可以實現(xiàn)對工業(yè)制造過程中的產(chǎn)品、設(shè)備等工件的自動化分析和操作。

機器視覺的發(fā)展可以分為四個階段：理論發(fā)展起步階段、應用發(fā)展迅速階段、應用與理論同步發(fā)展階段、各行業(yè)深度應用階段。上個世紀50年代，機器視覺于歐美發(fā)達國家開始萌芽，最初主要是理論分析，且主要為二維圖像的分析和識別，之后隨著計算技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，逐漸開始了三維視覺的研究，從線條、平面、曲線等二維特征分析，發(fā)展到圖像明暗、紋理、運動及成像等三維特征分析。當前，機器視覺技術(shù)已處于各行業(yè)深度應用階段。

機器視覺發(fā)展四個階段（圖片來源：億歐智庫）

02 ? ? 典型機器視覺系統(tǒng)組成

典型的機器視覺系統(tǒng)通常包含：照明系統(tǒng)（光源）、圖像采集（工業(yè)相機、圖像采集卡等）以及圖像處理（視覺軟件、圖像處理器等）、控制與執(zhí)行（控制器、執(zhí)行機構(gòu)如機械手、自動化裝備、工業(yè)機器人等）部分。 以PCB視覺分揀系統(tǒng)為例，其主要構(gòu)成部分包括光源、攝像頭、圖像采集卡、視覺軟件、數(shù)字I/O卡、PLC和執(zhí)行機構(gòu)以及輔助傳感器等。工作流程如下：當光源將光打到被測目標上時，CCD（電荷耦合器件）攝像機將生產(chǎn)線上的PCB圖像轉(zhuǎn)換為電信號，并將成像的模擬數(shù)據(jù)通過圖像采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，再傳送給PC端，由機器視覺軟件對圖像進行分析和處理，以檢查PCB是否符合質(zhì)量要求。如果發(fā)現(xiàn)PCB存在缺陷，則經(jīng)過數(shù)字IO卡向PLC發(fā)出一個信號，通知它控制機械手拿出該PCB。此時PLC會綜合輔助定位傳感器，檢查PCB的位置，控制機械手準確抓取缺陷PCB，從而達到分揀目的。

PCB視覺分揀系統(tǒng)構(gòu)成

03 ? ? 機器視覺技術(shù)在工業(yè)的主要應用

? ? 機器視覺技術(shù)在工業(yè)中的應用正在持續(xù)升溫。例如在電子制造行業(yè)的SMT（電路板表面貼裝）加工中，AOI、SPI視覺檢測已經(jīng)取代人工目檢成為標配。傳統(tǒng)AOI/SPI檢測以2D視覺為主，隨著行業(yè)技術(shù)進步，3D AOI/SPI技術(shù)已成為視覺檢測的重要組成部分。3D視覺的應用并不僅限于質(zhì)量檢測，在機器人導航、零件三維量測等領(lǐng)域均有落地場景。例如3D視覺中的雙目立體視覺技術(shù)，其與機械手配合，能夠?qū)o序堆疊的散裝零件進行準確識別及抓取。 機器視覺在工業(yè)的常見應用可以歸納為四大類：檢測、測量、識別與定位。其中，檢測是機器視覺在工業(yè)最主要的應用，接下來依次是識別、定位、和測量功能。 ?

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檢測

檢測是機器視覺最常用的功能，主要為通過機器視覺技術(shù)對目標物體進行缺陷檢測，如檢測零件表面存在的裂紋、劃痕、污染物、變色和其他不規(guī)則等缺陷。相比人工目檢，機器視覺能夠達到更高的精度和效率。例如對于鏡片、玻璃蓋板、燈罩等透明材質(zhì)產(chǎn)品，其缺陷最小可達微米級。借助機器視覺，采用不同的照明方式（如背光照明、明場照明、暗場照明、漫反射照明等），配合不同的光源（如偏振結(jié)構(gòu)光、激光、紫外光等），可以實現(xiàn)透明物體表面μm級缺陷的快速檢測。 01

（a）點劃

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（b）交叉劃傷

03

（c）黑點

04

（d）白點

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（e）凹凸

左右滑動查看更多>>>

線陣相機配合智能光源檢測同一片蓋板玻璃（圖片來源：雙翌光電官網(wǎng)）

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測量

測量主要用于檢查零部件的尺寸精度和幾何公差。機器視覺系統(tǒng)通常以單個像素為最小單位，并與常用度量衡單位進行比例標定，通過計算兩個或多個點之間的距離以及對象目標特征的位置，以確定測量值是否符合規(guī)格。測量通常與缺陷檢測結(jié)合使用，用于測量零件中檢測到的不規(guī)則性，如在電力電子行業(yè)，線圈端頭的形狀規(guī)則與否會影響電路連接的良好程度（見下圖）。

線圈端頭寬度測量（圖片來源：基恩士官網(wǎng)）

03

識別

在工業(yè)應用場景中，識別主要指能甄別目標物體的物理特征，包括外形、顏色、字符、條碼等，這些標識通常包含產(chǎn)品名稱、制造商、日期代碼、批號和有效期等，有助于提升零件的可追溯性，方便進行庫存控制和產(chǎn)品驗證。物流標簽讀取和字符識別是比較常見的應用場景，顏色識別也越來越多的應用到機器視覺。在電氣行業(yè)，對于電線電纜顏色有一定要求，錯誤的線纜顏色會影響后期的故障判斷與維護，因此借助機器視覺實現(xiàn)顏色識別非常重要（見下圖）。

連接器電纜顏色識別（圖片來源：基恩士官網(wǎng)）

04

定位

定位是在識別出物體的基礎(chǔ)上，經(jīng)過精確測量給出目標物體的坐標信息。定位功能主要應用于生產(chǎn)的路徑引導，是工業(yè)機器人的重要輔助功能，典型的應用包括零件的無序抓?。ㄒ娤聢D）、AGV避障等，其他常見的定位應用還包括玻璃基板的定位、檢查條形碼和標簽對齊、檢查PCB中的IC放置以及排列包裝托盤中的零件等。相比人工對齊和定位，機器視覺定位系統(tǒng)具有更高的精度和速度。

當然，機器視覺的在工業(yè)的應用并不僅是上述四類，還有很多其他功能，諸如在增強現(xiàn)實中的應用，以幫助實現(xiàn)工業(yè)維護或培訓員工；在安全監(jiān)控中的應用，以檢測工業(yè)場所的危險區(qū)域和操作，并及時報警以避免事故等等。未來隨著視覺技術(shù)的不斷成熟，其必將在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)更具廣度和深度的應用。 ?

04 ? ? 主流機器視覺廠商

? 目前知名的機器視覺廠商以歐美日韓等發(fā)達國家企業(yè)為主，如來自美國的康耐視（Cognex）、科磊（KLA）、特利丹（Teledyne）；來自日本的基恩士（KEYENCE）、歐姆龍（Omron）；來自德國的寶視納（Basler）、西克（SICK）等，以及來自瑞典的海克斯康（Hexagon）、瑞士的堡盟（Baumer）等等。 相比歐美發(fā)達國家，我國機器視覺行業(yè)起步較晚，但受益于市場需求增長和國家政策推動，我國也涌現(xiàn)出了一批在機器視覺領(lǐng)域有相當積累的廠商，如海康威視、美亞光電、凌云光、微億智造、匯川技術(shù)等等。此外還有很多圍繞工業(yè)應用的機器視覺企業(yè)受到資本的青睞：思謀科技致力于將視覺AI應用于智能制造領(lǐng)域，已完成B輪2億美元融資；梅卡曼德是以AI+3D視覺為核心的工業(yè)機器人智能化解決方案提供商，已完成了累計超過15億元的融資；心鑒智控作為工業(yè)視覺檢測核心技術(shù)服務商，連續(xù)完成兩輪近億元融資；華?？萍季劢乖跈C器視覺和移動機器人技術(shù)上，獲得戰(zhàn)略投資2.6億元；長期致力于研發(fā)3D工業(yè)相機硬件和軟件開發(fā)平臺的圖漾信息科技也于日前完成C輪融資，為其擴大市場規(guī)模和領(lǐng)先優(yōu)勢助力。

以下將針對中國市場上主流的機器視覺廠商和和產(chǎn)品/解決方案進行盤點。

國際主流廠商盤點

? 康耐視（Cognex）

康耐視公司是全球機器視覺巨頭，總部位于美國，專注于工業(yè)自動化的機器視覺業(yè)務，可提供從相機、鏡頭、光源到軟件、系統(tǒng)集成的全套工業(yè)視覺解決方案，涵蓋檢測、測量、識別、定位四大領(lǐng)域，適用2D/3D等不同場合，典型應用有：防錯產(chǎn)品裝配和制造、缺陷檢測、制造和物流產(chǎn)品的識別和跟蹤、機器人引導等，廣泛應用于半導體、電子、制藥、汽車、包裝等制造行業(yè)。

??基恩士（KEYENCE）

基恩士于1974年成立于日本，是工廠自動化（FA）傳感器、測量儀器和圖像處理設(shè)備等產(chǎn)品的綜合提供商，與康耐視共同被視為全球機器視覺行業(yè)的兩大巨頭?；魇慨a(chǎn)品系列豐富，傳感器為其主要業(yè)務，其中光電傳感器是最核心的傳感器品類，基于光電檢測技術(shù)的機器視覺類產(chǎn)品包含了圖像識別傳感器、圖像尺寸測量儀、3D掃描儀、3D顯微系統(tǒng)、條碼/二維碼讀取器等，廣泛應用于制造業(yè)各行業(yè)中。

? 寶視納（Basler）

Basler是一家總部位于德國的工業(yè)相機領(lǐng)先制造商。該公司推出了視覺系統(tǒng)的系列解決方案，涵蓋從光源、鏡頭、相機、圖像采集卡、PC卡、線纜及網(wǎng)絡和外圍配件到圖像處理軟件等各種組成部分。其機器視覺系列產(chǎn)品和解決方案以先進技術(shù)和穩(wěn)定性在行業(yè)中著稱。目前已經(jīng)在面向工廠自動化、工業(yè)機器人和醫(yī)療領(lǐng)域獲得廣泛應用，擁有超過30年的行業(yè)經(jīng)驗。

? ?？怂箍担℉exagon）

海克斯康是一家總部位于瑞典的公司，其業(yè)務涵蓋測量、檢測、制造等領(lǐng)域，是全球工業(yè)自動化以及機器視覺領(lǐng)域較為出色的企業(yè)之一。在過去20年，它戰(zhàn)略性收并購全球行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)公司200多家，不斷強化自身的技術(shù)優(yōu)勢，成為全球傳感器、軟件和數(shù)字信息技術(shù)解決方案的領(lǐng)導者。

? 堡盟（Baumer）

堡盟是一家國際領(lǐng)先的工廠自動化和過程自動化生產(chǎn)廠家，總部位于瑞士，專注于傳感器、編碼器、測量儀表以及工業(yè)相機的研發(fā)和生產(chǎn)。堡盟針對中國市場上各細分場景的數(shù)字化進程和應用特點，為新能源、醫(yī)療、食品飲料、鋼鐵冶金、工程機械、軌道交通等行業(yè)提供了一系列種類豐富的編碼器、傳感器、工業(yè)相機等產(chǎn)品和解決方案。

? 科磊（KLA）

科磊是總部位于美國的領(lǐng)先半導體設(shè)備制造商，主要提供半導體制造設(shè)備和解決方案，其中包括機器視覺產(chǎn)品和解決方案。科磊自成立起便深耕于半導體前道量檢測設(shè)備行業(yè)，目前其產(chǎn)品種類已經(jīng)覆蓋加工工藝環(huán)節(jié)的各類前道光學、電子束量檢測設(shè)備。憑借其檢測產(chǎn)品高效、精確的性能特點，科磊以超過50%的市場份額在行業(yè)內(nèi)具有絕對的龍頭地位。

? 西克（SICK）

西克是一家總部位于德國的工業(yè)自動化領(lǐng)域領(lǐng)先企業(yè)。西克專注于傳感技術(shù)開發(fā)，積累了非常豐富的行業(yè)應用經(jīng)驗，從半導體、電子元件到工業(yè)設(shè)備，從食品飲料到石油和天然氣，累計服務40余個行業(yè)。西克的產(chǎn)品涵蓋了工廠自動化（FA）、物流自動化（LA）、過程自動化（PA）等三個主要業(yè)務板塊，其中機器視覺及其解決方案是其一個重要的產(chǎn)品分支。

? 歐姆龍（Omron）

歐姆龍是一家總部位于日本的國際性工業(yè)自動化領(lǐng)域領(lǐng)先企業(yè)，其產(chǎn)品涵蓋自動化控制、工業(yè)軟件、機器人和設(shè)備等多個領(lǐng)域。作為工業(yè)自動化領(lǐng)域的領(lǐng)先者，歐姆龍擁有豐富的機器視覺產(chǎn)品和解決方案，包括圖像處理系統(tǒng)、PC視覺系統(tǒng)、工業(yè)相機、視覺傳感器等。

? 特利丹（Teledyne）

Teledyne公司是一家總部位于美國的企業(yè)，是高性能數(shù)字成像和半導體領(lǐng)域的國際領(lǐng)先企業(yè)。Teledyne公司的機器視覺系列產(chǎn)品包括傳感器、相機、圖像處理軟硬件，以及高度工程化的集成系統(tǒng)。

國內(nèi)機器視覺主流廠商盤點

? ?？禉C器人

?？禉C器人成立于2014年，是海康威視（股票代碼002415）的子公司，也是面向全球的機器視覺和移動機器人產(chǎn)品及解決方案提供商。公司提供從光源、鏡頭、相機、視覺軟件等視覺系統(tǒng)組件及整體解決方案，主要面向3C電子、新能源、物流、汽車制造、半導體/集成電路和食品/醫(yī)藥等行業(yè)。

? 先導智能

無錫先導智能裝備股份有限公司（簡稱先導智能，股票代碼300450）成立于1999年，業(yè)務涵蓋鋰電池智能裝備、光伏智能裝備、3C智能裝備、智能物流、汽車產(chǎn)線、氫能智能裝備、激光精密加工以及機器視覺等八大領(lǐng)域。

? 思謀科技

深圳思謀信息科技有限公司（簡稱思謀科技）成立于2019年，公司以機器視覺為技術(shù)引擎，自研智能工業(yè)平臺、智能傳感器產(chǎn)品以及智能一體化裝備，為卡爾蔡司、空客、博世等多家行業(yè)頭部企業(yè)提供產(chǎn)業(yè)優(yōu)化解決方案。

? 匯川視覺

南京匯川工業(yè)視覺技術(shù)開發(fā)有限公司（簡稱匯川視覺）是深圳匯川技術(shù)股份有限公司（股票代碼300124）的子公司，公司主要產(chǎn)品為工業(yè)機器人、工業(yè)自動化控制等產(chǎn)品，其中工業(yè)視覺產(chǎn)品是匯川技術(shù)重要的產(chǎn)品分支，包含機器人視覺控制器、視覺軟件等，目前已經(jīng)應用在硅晶、鋰電、食品飲料、印刷&包裝、手機和TP行業(yè)。

? 精測電子

武漢精測電子集團股份有限公司（簡稱精測電子，股票代碼300567）成立于2006年，主要產(chǎn)品為顯示、半導體以及新能源等的視覺檢測系統(tǒng)。公司的視覺產(chǎn)品目前已廣泛應用在華星光電、京東方、天馬等企業(yè)的生產(chǎn)中。

? 美亞光電

合肥美亞光電技術(shù)股份有限公司（簡稱美亞光電，股票代碼002690）始創(chuàng)于1993年。公司深度聚焦智能分選、高端醫(yī)療影像等業(yè)務板塊，主要產(chǎn)品有色選機、X光異物檢測機、口腔CBCT、耳鼻部CBCT等，廣泛應用于農(nóng)副產(chǎn)品加工、食品制造、精制茶制造、輪胎制造、再生資源回收利用以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。

? 凌云光

凌云光技術(shù)股份有限公司（簡稱凌云光，股票代碼688400）2002年成立于北京，圍繞機器視覺與光纖光學開展業(yè)務。公司戰(zhàn)略聚焦機器視覺業(yè)務，為客戶提供可配置視覺系統(tǒng)、智能視覺裝備與核心視覺器件等高端產(chǎn)品與解決方案。目前已經(jīng)面向電子制造、新型顯示、印刷包裝、新能源、影視動漫、科學圖像、軌道交通等行業(yè)形成機器視覺解決方案。

? 勁拓股份

深圳市勁拓自動化設(shè)備股份有限公司（簡稱勁拓股份，股票代碼300400）成立于1997年，公司產(chǎn)品包括電子熱工設(shè)備、檢測設(shè)備、自動化設(shè)備、光電顯示設(shè)備和半導體專用設(shè)備等。其中半導體專用設(shè)備是公司近年來重點發(fā)展的戰(zhàn)略級業(yè)務產(chǎn)品，汲取了半導體封裝、貼合、焊接等相關(guān)的技術(shù)經(jīng)驗，具有技術(shù)壁壘和國產(chǎn)替代實力。

? 天準科技

蘇州天準科技股份有限公司（簡稱天準科技，股票代碼688003）成立于2005年，公司致力于開發(fā)各類視覺裝備，旨在打造視覺裝備平臺。主要產(chǎn)品包括視覺測量裝備、視覺檢測裝備、視覺制程裝備、智能網(wǎng)聯(lián)方案等，面向消費電子、半導體、PCB、新能源、新汽車、智能駕駛領(lǐng)域。

? 矩子科技

上海矩子科技股份有限公司（簡稱矩子科技，股票代碼300802）成立于2007年，公司致力于成為全球技術(shù)領(lǐng)先的專業(yè)視覺智能設(shè)備制造商，主要產(chǎn)品包括機器視覺設(shè)備、控制線纜組件、控制單元及設(shè)備。產(chǎn)品主要應用于電子信息制造、工業(yè)控制、金融電子、新能源、食品與包裝、汽車等多個領(lǐng)域。

? 梅卡曼德

梅卡曼德機器人由清華海歸團隊于2016年創(chuàng)辦，總部位于北京和上海。其AI+3D視覺解決方案已經(jīng)在汽車、物流、重工等眾多領(lǐng)域規(guī)?；涞兀褜崿F(xiàn)規(guī)?；桓兜牡湫蛻冒ǎ簾o序抓取、上下料、紙箱/周轉(zhuǎn)箱拆碼垛、視覺引導定位/裝配、缺陷檢測、高精度測量、機器人涂膠/噴膠等。

? 東集技術(shù)

東集技術(shù)股份有限公司（簡稱東集技術(shù)）成立于2002年，是國內(nèi)自動識別與數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的代表企業(yè)之一。公司產(chǎn)品包括工業(yè)級手持終端、超高頻（UHF）RFID終端、工業(yè)平板電腦、機器視覺終端及自動化集成解決方案，專注服務制造、零售、物流、醫(yī)療及公共事業(yè)5大行業(yè)，助力企業(yè)一線經(jīng)營數(shù)據(jù)的實時采集、計算分析和遠程控制，實現(xiàn)數(shù)字化并降本增效。

? 匯萃智能

杭州匯萃智能科技有限公司（簡稱薈萃智能）成立于2012年，公司產(chǎn)品包括：機器視覺算法庫(HCvisionLib)，通用智能高速機器視覺平臺（HCvision System）、紅外熱像儀、高精度測量儀等，此外，公司可提供算法深度定制服務、以及視覺和運動控制一體化開發(fā)服務。

? 微億智造

常州微億智造科技有限公司（簡稱微億智造）成立于2018年，以工業(yè)AI+機器視覺為主線，當前已經(jīng)發(fā)展成為數(shù)字化工廠綜合解決方案提供商，主要產(chǎn)品既有以AI視覺技術(shù)為核心的智能質(zhì)檢設(shè)備，也有采用了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的Tri-Vision混合視覺算法。

? 維視智造

陜西維視智造科技股份有限公司（簡稱維視智造）成立于2003年，總部位于西安，是國內(nèi)AI工業(yè)視覺產(chǎn)品線齊全的公司之一，提供機器視覺部件、智能視覺傳感器、智能視覺裝備等產(chǎn)品，以及基于視覺的一站式服務，目前產(chǎn)品及解決方案已經(jīng)廣泛應用于新能源（光伏、鋰電）、電子、汽車、醫(yī)藥等諸多行業(yè)。 下圖為e-works整理的中國市場主流的機器視覺廠商生態(tài)圖： ?

結(jié)語 ? ? ? ?

機器視覺技術(shù)在工業(yè)的應用前景非常廣闊，需求日益高漲。盡管目前的應用還存在諸多問題和挑戰(zhàn)，例如使用環(huán)境惡劣導致視覺系統(tǒng)性能下降；短時間內(nèi)處理大量圖像的計算能力和處理速度瓶頸問題；暫時未做到根據(jù)生產(chǎn)環(huán)境自動調(diào)整參數(shù)和算法的自適應等問題，但是隨著圖像傳感、圖像算法等技術(shù)的進步，以及各大解決方案廠商對機器視覺技術(shù)的持續(xù)探索，未來機器視覺技術(shù)必將為工業(yè)發(fā)展帶來無限可能。 ?

編輯：黃飛