1)人的视觉

人的眼睛是由含有感光细胞的视网膜和作为附属结构的折光系统等部分组成的。人眼的适宜刺激波长是370 ～740nm 的电磁波；在这个可见光谱的范围内，人脑通过接收来自视网膜的传入信息，可以分辨出视网膜图像的不同亮度和色泽，因而可以看清视野内发光物体或反光物体的轮廓、形状、颜色、大小、远近和表面细节等情况。自然界形形色色的物体以及文字、图片等，通过视觉系统在人脑中得到反映。视网膜上有两种感光细胞，视锥细胞主要感受白天的景象，视杆细胞感受夜间景象。人的视锥细胞大约有700 多万个，是听觉细胞的3000 多倍，因此在各种感官获取的信息中，视觉约占80%。同样，对机器人来说，视觉传感器也是最重要的传感器。

2)机器人视觉

机器人的视觉系统通常是利用光电传感器构成的。机器人的视觉作用过程，如图9-28所示。

图9-28　机器人的视觉作用过程

客观世界中三维实物经由传感器(如摄像机)成为平面的二维图像，再经处理部件给出景象的描述。应该指出，实际的三维物体形态和特征是相当复杂的，特别是由于识别的背景千差万别，而机器人的视觉传感器的视角又在时刻变化，会引起图像时刻发生变化，所以机器人视觉在技术上难度是较大的。

机器人视觉系统要能达到实用，至少要满足以下几方面的要求。

(1)实时性。随着视觉传感器分辨率的提高，每帧图像所要处理的信息量大增，识别一帧图像往往需要十几秒，这当然无法进入实用，随着硬件技术的发展和快速算法的研究，识别一帧图像的时间可在1s 左右，这样才可满足大部分作业的要求。

(2)可靠性。因为视觉系统若做出误识别，轻则损坏工件或机器人，重则可能危及操作人员的生命，所以必须要求视觉系统工作可靠；其次是要求有柔性，即系统能适应物体的变化和环境的变化，工作对象多种多样，要能从事各种不同的作业。

(3)价格适中。一般视觉系统占整个机器人价格的10% ～20%比较适宜。

在空间判断物体的位置和形状一般需要距离信息和明暗信息，视觉系统主要解决这两方面的问题。当然作为物体视觉信息来说还有色彩信息，但它对物体的识别不如这两类信息重要，所以在视觉系统中用得不多。获得距离信息的方法可以有超声波、激光反射法、立体摄像法等；而明暗信息主要靠电视摄像机、CCD、CMOS 摄像头来获得。

与其他传感器工作情况不同，视觉系统对光线的依赖性很大。往往需要好的照明条件，以便使物体形成的图像最为清晰，处理复杂程度最低，使检测所需的信息得到增强，不至于产生不必要的阴影、低反差、镜面反射等问题。

带有视觉系统的机器人还能完成许多作业，例如识别机械零件并组装泵体、小型电机电刷的安装作业、晶体管自动焊接作业、管件凸位焊接作业、集成电路板的装配等。对特征机器人来说，视觉系统使机器人在危险环境中自主规划，完成复杂的作业成为可能。(www.daowen.com)

视觉技术虽然只有近20 年的发展时间，但其发展是十分迅猛的。由一维信息处理发展到二维、三维复杂图像处理，由简单的一维光电管线阵传感器发展到固态面阵CCD、CMOS 摄像头，在硬软件两方面都取得了很大的成就。目前这方面的研究仍然是热门课题，吸引了大批科研人员。视觉技术未来的应用天地是十分广阔的。

3)视觉传感器

(1)人工网膜。人工网膜是用光电二极管阵列代替网膜感受光信号。其最简单的形式是3×3 的光电二极管矩阵，多的可达256×256 像素的阵列甚至更高。

现以3×3 阵列为例进行字符识别。“像”分为正像和负像两种，对于正像，物体存在的部分以“1”表示，否则以“0”表示，将正像中各点数码减1 即得负像。以数字字符1为例，由3×3 阵列得到的正、负像如图9-29 所示。输入字母字符I 所得正、负像如图9-30所示。上述正、负像可作为标准图像存储起来。如果工作时得到数字字符1 的输入，其正、负像就可与已存储的像进行比较，比较结果见表9-5 所示。把正像和负像相关值的和作为衡量图像信息相关性的尺度，可见在两者比较中，是1 的可能性远比是I 的可能性要大，前者总相关值是9，等于阵列中光电二极管的总数，这表示所输入的图像信息与预先存储的图像1 的信息是完全一致的，由此可判断输入的数字字符是1，而不是字符I 或其他。

图9-29　数字字符1 的正、负像

图9-30　字母字符I 的正、负像

表9-5　比较结果

(2)光电探测器件。最简单的单个光电探测器是光电池、光敏电阻和光电二极管。光电池是一种光生伏特器件，能产生与光照度成正比的电流。光敏电阻的电阻值随所受光照度而变化。反向偏置的光电二极管在光照时能产生光电流，在检测中大多用来产生开关的“接通”信号，以检测一个特征或物体的有无。

单个光电探测器排列成线性和矩阵阵列使之具有直接测量和摄像功能，组成一维、二维或三维视觉传感器。

目前用于非接触探测的固态阵列有自扫描光电二极管(SSPD)、电荷耦合光电二极管(CCPD)、电荷耦合器件(CCD)、电荷注入器件(CID)和表面场效应器件(CMOS)。其中电荷耦合器件(CCD)和表面场效应器件(CMOS)已广泛用于摄像机、照相机和手机，其用于机器人的视觉具有较高的几何精度，更大的光谱范围，更高的灵敏度和扫描速率，结构尺寸小、功耗小、耐久可靠。

三维视觉传感器摄取的图像的反光强度分布、轮廓形状、阴影等立体信息，或者多镜头、多角度、多距离摄取的多幅图像信息，经计算机对信息数据进行分析计算和补插处理，可以获取景物的立体信息或空间信息。