高速机器视觉发展现状

一、发展历程

1．全球高速机器视觉行业的发展历程

高速机器视觉行业的发展可由高速摄像速度（帧频）及其综合特性来描述。根据全球高速摄像机不同时期产品发展情况来看，其发展可大致分为四个阶段：

第一阶段，磁记录技术发展阶段。20世纪60年代，随着磁记录技术的发展，产生了第一代高速摄像机。但它的商业化是在20世纪70年代，由于当时技术水平的局限，系统满画幅只能达到120fps的摄像速度；1979年由NAC公司推出第二代高速摄像机，其摄像速度为200fps，这在技术上是一个很大的进步，因为HSV-200型高速摄像机可记录彩色图像，并且能记录很长的时间；1980年，Kodak公司推出了高密度磁带记录高速摄像机SP2000，这种革命性的设备，以2000fps或12000fps的速度把黑白图像记录在宽12.7mm的高密度磁带上，但磁带上的图像处理起来却比较麻烦；到了1986年，Kodak推出改良产品高密度磁带记录高速摄像机，具有高性能低成本的磁带传输特性。

第二阶段，1990年，Kodak生产的第二代高速摄像机EktaproEM以固体存储器作为存储介质，把数字图像存储在动态随机存储器（DRAM）中。DRAM技术采用独特图像获取方法进行图像处理，提高了图像质量，并可连续不断地对图像实时记录。

第三阶段，第三代高速摄像机可视为第二代产品的升级，它在分辨率、帧频、彩色/黑白图像质量方面都得到提高。第三代高速摄像机有三种代表产品包括1993年发布的Kodak Ektapro HS4540、1994年发布的Kodak Ektapro 1000HRC以及1995年发布的Kodak Ektapro Hi-Spec。

第四阶段，四代高速摄像机功能齐全，并为用户提供了更好的机动性和稳定性。主要优点在于其体积、价格、便携、抗冲击及易操作等优势。其中图像传感器基本采用CMOS传感器，相机可独立工作，事后通过网线或通用接口把图像下载至计算机；并可组成网络摄像系统；系统操作方便，功能齐全，没有光晕现象，拍摄图像清晰，抗干扰能力强，功耗低。

2．中国高速机器视觉行业的发展历程

相较而言，我国以高速摄像机为代表的高速机器视觉行业发展进程相对缓慢，其发展可大致分五个阶段。

第一阶段，20世纪50年代，我国部分高校、科研单位开始研发试制高速摄像机，1962年成立了专门的研究所—中国科学院西安光学精密机械研究所，于1993年研制出了国内第一台HTV-500高速电视及录像系统，其性能指标达到了国际先进水平，虽然在高速摄像机研发上取得一定成果，但没有进行产业化。

第二阶段，20世纪90年代，随着我国科研技术水平不断提高，需要进行高层次科学实验作相关测试研究，对高性能的高速摄像机有较高需求。国内有单位采用真空摄像管研发成功800fps/1000fps 的高速摄像机，只在某特殊试验任务中成功应用；也有使用固态成像器件PDA研发了多款数字高帧频相机，帧率达到1000fps，也是用于特殊的重大试验任务上，均未民用市场化产业化。同时由于国际关系等原因，国外进口渠道也长期出现断供、解除合同等情况。

第三阶段，2003年，高速摄像机作为商品开始正式进入中国市场，彼时国内工业、科研、军工等领域发展急需高速摄像机加以辅助，但是由于国内并无相关企业生产高速摄像机，因此出现国外进口的高速摄像机垄断了国内市场的局面。

第四阶段，2011年，由吕盼稂等人创立的君达高科正式成立，公司开始研发国产高速摄像机，这也标志着国产高速摄像机产业化进程正式迈出第一步。

第五阶段，2013年，国产化“千眼狼”品牌成功研发第一款全国产高清高速摄像机。2014年后，我国高速摄像机行业开始快速发展，国产高速摄像机产品不断丰富，同时性能不断提高。2021年，“千眼狼”品牌通过自主知识产权“君达超眼”高速机器视觉感知技术，完成了百万帧高速摄像机、大容量高速摄影机、小型化高速摄影机的研发，在图像采集速率、极限存储和极限尺寸方面，积极赶超国际主流品牌，达到了国际一流的水平，并针对部分进口产品实现了国产化替代。目前，国产自主高速机器视觉系统已经出口到俄罗斯、马来西亚、沙特、新加坡、韩国、巴基斯坦等国家。

二、自主高速机器视觉产品同进口产品对比

仍然以高速机器视觉经典核心产品高速摄像机作为代表性为例。高速摄像机作为一种商品进入中国市场主要是在2003年，当时国内工业化的发展急需高速摄像机加以辅助，于是便出现了国外进口的高速摄像机一直垄断着国内这方面的市场。这一局面随着2011年“千眼狼”品牌的出现而被打破，标志着我国有了自己研发的自主高速摄像机，这是国内高速摄像机发展史上的一个重要里程碑。

1．国内外产生厂家及品牌

目前，中国国内高速机器视觉以高速摄像机为代表的市场中的产品主要以国际龙头企业的进口产品为主。由于高速机器视觉行业具有较高的技术壁垒，大多数国内企业选择通过与Phantom、Photron等国际高速摄像机龙头建立合作关系，成为其承销商从而进入行业。国内具有自主研发能力的企业有中科视界、深视智能等公司，而长期以来进行自研自产自销的国产高速摄像机企业目前仅有中科视界一家企业。

2．国内外高速机器视觉产品对比

（1）高速像机型号种类

国外的高速像机型号种类覆盖更全，涉及到的波长有可见光、近红外、中波红外等，这些波段都对应有高速像机型号；还有高速偏振高速摄像机、高速光谱成像系统等。但国内自主品牌仅涉及可见光波段范围，其他类别高速摄像机还未见报道。

日本photoniclattice的一款Crysta高速偏振像机，它是将偏振相机和高速相机结合为一体，用于双折射测量、膜厚分析和表面粗糙度检测的二维分析，是理解材料和流体的双折射、延迟、应力和冲击断裂机制等现象的有力工具。该2D偏振相机基于100万像素CMOS图像传感器，像素尺寸20μm，由直接附着到传感器上的光子晶体组成像素化偏振器阵列。四个光子晶体为一组，每个具有不同的偏振方向，分别为0˚、45˚、90˚和135˚。图1为Crysta高速偏振像机分焦平面和拍摄效果图（源自北京海思易科技有限公司产品介绍）。

图1  Crysta高速偏振像机分焦平面和拍摄效果图

（北京海思易科技有限公司）

德国的Cubert Q285 实时高速成像光谱仪， Q285采用革命性的画幅式高光谱成像技术，融合了高光谱数据的精确性和快照成像的高速性，能够在1/1000秒内得到整个高光谱立方体，可用于高光谱手段监测快速运动目标等。

（2）高分辨率高帧频

目前，高分辨率高帧频的高速摄像机国内外差距越来越小。如FASTCAM Nova R5-4K高速摄像机Max分辨率4096×2304像素，可实现全画幅下1,250帧/秒，全高清HD下5,280帧/秒，最高200,000帧/秒的拍摄速度。“千眼狼”X1325也达到了相同指标，在一些性能上还超越了国外同类产品的性能。

但在超高速产品上还有差距，目前国产化的自主超高速产品还很少。如IVV UBSi 多通道超高速相机为用户提供了紧凑的多通道超高速相机，可容纳多达24个可独立编程画幅，2亿幅/秒（5纳秒曝光时间）和10亿幅/秒（1纳秒曝光时间），均具有百万像素全幅性能，并具有紫外和可见光成像功能选项。

（3）高灵敏度

国外高速相机的灵敏度ISO 可达100000黑白/彩色10000，国产像机还有差距。如UHS -12系列超高速摄像机采用独特的1280×800CMOS传感器，最大满幅拍摄速率为25600帧/秒，最高拍摄速率可达到1000000帧/秒；具有超高灵敏度（ISO-12232 SAT）：100000（黑白）；10000（彩色）。400ns两次曝光最小时间间隔可满足PIV/PTV/LIF/DIC应用的需要，无图像滞后；EDR曝光控制可在1帧图像中设置2种曝光时间，有效避免眩光和爆炸过程中强光对成像的影响。

高速机器视觉应用领域

随着社会经济的快速发展和科技领域的不断创新，高速机器视觉技术及其产品在众多领域得到了广泛的应用。高速机器视觉产品具有高速捕捉、精准测量和多种模式选择等优点，伴随科学技术的飞速发展、重大科学实验与高端装备的试验测试以及工业智能制造的高端需求，高速机器视觉技术及产品的应用领域越来越宽，被广泛应用于军事、航空航天、工业生产、影视广告、体育竞技、生物医学、自然规律揭示和探寻、智能交通、大众生活等领域。

1．国防军工

高速机器视觉在国防军工领域，主要用于武器系统发射动力学分析、战斗部作用效能分析、内外弹道测量、防御工事效能、燃烧测试、弹道分析、撞击分析、点火分析、飞行状态参数分析、干扰措施实施效果分析等；以及战场态势监测、边防监测、海岸监测、无人机群监测、海岸分布式视觉检测光幕、近距离卫星监测、弹道防御效能评估等。高速摄像机是凭借着它高频率的拍摄速度以捕捉那些普通相机无法捕捉到的高速物体的移动轨迹，准确的跟踪对象运动，测量其大小、距离及变化和速度，然后再以人眼所能看到的画面频率进行播放。图2为高速摄像机跟踪导弹飞行过程序列图像（源自英国MS公司弹道跟踪架宣传视频）。

图2 高速摄像机跟踪导弹飞行过程（英国MS公司提供）

2．航空航天

高速机器视觉在航空航天领域的飞行器测试中发挥着关键作用。通过高速摄像机，可以准确地观察火箭、卫星等飞行器的发射过程、分离阶段以及再入大气层等高速运动的细节。这有助于分析飞行器的动力学性能、稳定性和设计缺陷，从而进行改进和优化。同时，能够记录并分析航天器下降、降落伞展开、着陆脚垂直落地等环节的瞬间变化，评估着陆的准确性和安全性。此外，通过将高速摄像机与其他传感器相结合，能够观察到航天器在极端环境下的振动、冲击和应力情况，这有助于评估航天器的结构可靠性和耐久性，为设计和改进提供数据支持。图3为飞机投放导弹序列图像（源自TEMA运动分析宣传视频）。

图3 飞机投放导弹图像（TEMA宣传视频）

3．工业生产

在工业生产领域主要用于各种跌落试验、振动分析、冲击分析、焊接，绕线，切削，压膜成型，印刷分析、瓶盖测试、运转动作分析、故障诊断分析、产品研发测试、放电分析等；工业视觉定位引导、无人高速智能自动化产线、动作节拍监测、产品缺陷检测等；能源化工领域，开展气相流，粒子测速（PIV）、化学结晶过程、喷流，喷雾流体分析、燃烧过程分析、火焰分析、微通道流分析研究等；汽车测试领域：安全气囊分析、机器人动作分析、摆臂分析、撞击试验；结构分析；防护装置性能测试等。图4 为高速拍摄的立方体内稀疏颗粒3D速度矢量图（源自中科视界中科君达视界技术股份有限公司），图5为高速X光成像系统（源自日本photron公司产品介绍）。

图4 立方体内稀疏颗粒3D速度矢量图

图5 高速X光成像系统

4．生物医学

在生物医学领域高分辨率高速显微镜成像完成对生物力学、生物运动分析、动物仿真学、动物动作分析、人体步态分析、昆虫或鸟类翅膀运动、康复物理治疗。以及细胞、瓣膜运动、出血观察；吞咽、呼吸道鞭毛运动等的研究。

5．自然规律揭示和探寻

在自然规律揭示和探寻方面探寻和发现瞬间物理现象、高速碰撞、显微高速成像、汽车碰撞测试、材料测试、张力测试、显微镜学、气囊膨胀实验、快速流体观测、喷雾成像分析、流体力学、燃料注入、电闸放电、燃烧过程分析、半导体质量控制、自然界和医学上的快速成像研究、弹道学等。如采用高速摄像机进行系统集成，搭建成高速DIC精密应变形场测量分析系统、高速PIV动态流场测量分析系统等，应用在应变形场测量与流场测量分析等等。

6．体育竞技

高速机器视觉可用于体育赛事观赏和分析等。体育运动纪录片中看到的“慢动作”就是通过高速摄像获取的，它可以帮助教练和运动员对动作进行分析研究，来提高运动成绩、也可用于观众欣赏体育运动。如冲线瞬间拍摄、羽毛球、网球、田径运动、兵乓球等动作姿态分析；高尔夫动作、体育运动辅助训练如捕捉棒球及高尔夫球击球时球的状态、与空气产生的阻力等等。 

7．影视制作领域

在影视制作领域主要应用于动画制作、广告摄影、电视电影、动画特效。在影片和广告拍摄当中震撼的特技效果、3D动画制作以及人体动作捕捉等，其中慢动作的捕捉与编辑就需要使用高速摄像机来协助拍摄。新闻摄影、电影制作、广告拍摄等专业领域需要高质量的摄像设备。

8．大众生活

随着人们对智能产品的需求不断提升，高速机器视觉在大众生活的市场需求也在增加。例如，手机制造商需要高速摄像机来测试手机摄像功能的质量和稳定性，从而为消费者提供更加优质的手机产品。此外，高速机器视觉还被广泛应用于游戏设计和虚拟现实技术中，能够捕捉到人们在游戏中的实时动作和表情，从而提高游戏的交互性和娱乐性。

9．智能交通

智能交通是20世纪末提出的新概念，现在正以极快的速度形成新的产业，已展现出极大的市场前景。高速摄像技术可以获取高速行驶车辆的清晰图像，包括车型、颜色、车牌以及行驶速度等，为日益繁重的车辆运输监管提供了现代化的手段。

总的来说，高速机器视觉产品作为一种高端科技装备，其市场需求将会继续增长。未来，高速机器视觉产品将会在更多的领域得到应用，例如新材料研发、医疗保健等，为人们生产生活带来更多的便捷和舒适。

高速机器视觉行业市场分析

高速机器视觉技术与产品被广泛应用，不仅成为人类认识世界的重要工具，而且也成为智能设备的重要图像信息获取工具。随着人工智能技术的发展，高速机器视觉行业市场规模不断扩大，预计未来将保持稳定增长。高速机器视觉行业目前已形成了以高速摄像仪为核心的产业链，上游为视觉器件，包括以芯片、镜头、光源、电路板、外壳为代表的硬件，以及以算法平台为代表的软件，中游为各类面向行业应用场景的、相对标准化的动态测量分析仪器及系统软硬件，下游为行业集成应用与服务，广泛应用于新型显示、消费电子、汽车、半导体、新能源、印刷包装、生命科学、农业等众多行业领域。图6为高速视觉产业链示意图。

图6 高速视觉产业链

一、高速视觉市场规模体量

1．全球高速机器视觉行业市场规模体量

基于公开资料、行业权威机构数据、市场调研等测算的数值，据不完全统计，近5年以来，全球高速机器视觉行业市场规模增长比例约年均7.73%左右，到2022年实现近130亿美元。其中以高速摄像机为主导地位的高速机器视觉产品整机的市场规模约占39亿美元，约占行业市场规模的30%。

据公开资料及相关行业市场网站数据统计预测，随着未来高速机器视觉技术和产品在各行各业应用的不断拓宽，人工智能智造技术的不断升级引领以及新冠疫情后时代全球高速机器视觉市场空间的不断释放，未来五年内全球高速机器视觉行业市场规模将呈爆发式倍速增长，到2028年或以18%左右的年均增长率增长，将超350亿美元。

2．中国高速机器视觉行业市场规模体量

尽管中国在近3年受到全球新冠疫情肆虐的重大影响，但在下游需求的推动下，中国高速机器视觉行业依然增长明显。据公开资料统计，近5年，中国高速机器视觉行业市场规模逐年增长，约占全球市场规模的10%-12%，年均增长率远超全球增长率达到13.9%。2022年，中国高速机器视觉行业市场规模实现接近100亿元，其中高速摄像机整机约占32亿元，约占32%。

随着国家“实施产业基础再造工程和重大技术装备攻关工程，支持专精特新企业发展，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。为实现中国经济实现高质量发展目标的推动，近年来我国智能制造应用规模和发展水平大幅跃升，智能制造新业态新模式不断涌现，制造业数字化网络化智能化升级转型步伐显著加快。高速机器视觉技术在工业智能化转型中存在广泛的应用，我国工业制造业智能化水平的不断升级引领也为高速机器视觉行业带来了良好的发展环境。在新兴技术发展、下游市场增长、国产化替代进程加快等因素的驱动下，以高速机器视觉行业的主导性产品高速摄像机为例，预计2023-2028年中国高速摄像机行业市场规模仍将保持高速增长的态势，预计2023-2028年年均增长率约为22%，到2028年中国高速机器视觉行业市场规模或将突破330亿元。

二、高速机器视觉的辅助配件市场

1．高能量高重频光源

除了大科学装置外，高速机器视觉所需的照明装置，如Led照明光源、高重频高能量激光序列脉冲光源、高能量高重频X光序列脉冲光源、激光结构光等产业市场需求规模庞大。

据高工产业研究院(GGII)公布2019-2022年全球机器视觉光源(含控制器)市场规模逐年增长，2022年增长至95.3亿元。2019-2022年，中国机器视觉光源(含控制器)行业的市场规模逐年增长，2022年增长至18.5亿元。随着机器视觉系统在工业、医疗等领域的持续渗透，带动机器视觉光源需求同步增长，预计2023-2027年中国机器视觉光源将以23%的CAGR增长，到2027年其市场规模将达到43亿元。

2．精密光学元件模组及特殊光学系统

围绕高速机器视觉技术与产品的应用，需要利用精密光学元件模组进行系统集成。精密光学元件模组包括高精度转台、经纬仪转台、空中吊舱、快速声光电（包括天幕靶、激光靶等）、振动传感器、相机增强器等，特殊光学系统包括显微成像、菲涅尔系统、偏振、光谱等光学系统，产业市场规模也将在“十四五”规划指导下，大力扶持精密光学产业，推动精密光学行业高质量发展，为国家科技战略发展提供重要支撑。未来，在政策、市场、技术等合力的作用下，中国精密光学行业将持续稳步增长，预计2027年，中国光学元件市场规模将达到3308亿元。

三、高速机器视觉集成系统

围绕高速机器视觉技术与产品的应用进行系统集成，集成系统主要包括高速运动目标测量系统、高速DIC精密应变形场测量分析系统、高速PIV动态流场测量分析系统、高速2D/3D视觉测量系统、高速机器视觉温度测量系统、背景纹影测量系统、x光成像系统等，扣除像机等部件，市场规模约占高速机器视觉市场规模的70%左右。

四、高速机器视觉技术行业发展趋势和前景

随着社会经济快速增长以及自主研发能力的不断提高，我国高速机器视觉技术将会得到不断突破，在国际市场竞争力也将不断提升。

1．高速机器视觉产品性能不断得到提升

高速机器视觉的基本使命是获取事件的发展和变化过程图像，以记录的图像为基础分析计算出被测对象的运动参数和变化规律，因此采集到高清晰的图像是第一要务。高速摄像机主要性能参数包括分辨率、帧频、灵敏度、曝光时间、像元尺寸、动态范围、图像深度等，那么高速机器视觉的发展趋势是：（1）更高的拍摄速率：可以达到1000000fps以上；（2）分辨率更高，画面更清楚；（3）记录时间更长；（4）体积更小，适合于不同使用场合。

2．高速机器视觉产品种类型号更加丰富

（1）高速成像波段覆盖更多

除了可见光波段具备高速成像能力，在近红外、中波、长波红外波段等都将具有高速摄像机的整机。

（2）种类更齐全

针对不同用途的高速偏振像机、高速光谱像机等等，随着应用场景的不断丰富拓展，高速机器视觉产品的种类也将不断增加。

3．高速机器视觉应用领域的拓展越广泛

高速机器视觉在国防军工、工业生产、影视广告、体育竞技、生物医学、自然规律揭示和探寻等领域会越来越深入地渗透和应用，随着高速摄像机在大众生活，如媒体、娱乐、体育、制造业中的采用率不断提高，行业对高速机器视觉的高需求已成为全球高速摄像机市场增长的主要驱动力。特别是在基础教育方面高速机器视觉还未像万用表和示波器类工具一样得到普遍和广泛的应用。

以学校教育为例测算，如果全国高等学校3012所、中等职业学校7294所、普通高中1.46万所实验室都普及使用高速摄像机作为实验室和教学的必备工具，再加上初中5.29万所(来源：中国新闻网2022年统计）也具备这个能力，平均按每所院校100万元的采购能力，市场规模将达800亿元。

4．技术进步推动高速机器视觉行业发展

客观世界中除了物体形态、位置、亮度等的变化是明显可见之外，还有一些物理量是不可见的，如温度分布、密度分布、压力分布、应力的分布等等，采用阴影、纹影、干涉等技术使这些变化可视；使用X射线、γ射线摄像使人们看到原本看不到的物体内部的情况，或被烟火雾遮蔽的事物这些可视化技术的发展，促使高速机器视觉在更多领域实现可视的能够得到测量，不可视的变成可视的实现测量。

5．深度学习加持使高速机器视觉更智能

深度学习通过构建深层神经网络模型，实现了图像分类、目标检测、图像分割和图像生成等各种任务，并在这些任务中取得了许多重要的突破。随着深度学习技术的不断发展，我们可以期待更多创新的应用将进一步改善图像处理的效果，实现自动启动、目标智能识别和检测、目标智能分析、自动跟踪和全自动控制的功能，并能实时处理数据。

6．工业制造业智能化水平不断升级引领

制造业是国民经济的主体，推动制造业走好高端化、智能化、绿色化这“三化”发展之路，是中国经济实现高质量发展的必然选择。近年来我国智能制造应用规模和发展水平大幅跃升，智能制造新业态新模式不断涌现，制造业数字化网络化智能化升级转型步伐显著加快，我国工业制造业智能化水平的不断升级引领也为高速机器视觉行业带来了良好的发展环境。

由于科学研究的不断深入和发展，特别是我们在工业、制造业等领域的高速增长，以及随着技术的不断发展，高速视觉技术在电子和半导体产业、食品工业、科学研究、基础教育等方面的应用潜力开始逐渐被发掘，成为了高速摄像机行业增长的全新动力，在下游需求的推动下，高速机器视觉技术在工业智能化转型中的应用越来越广泛，中国高速视觉行业将会得到井喷式增长。

（西安交通大学 李杰教授）