機器視覺的基本概念與視覺系統(tǒng)的組成部分的全方位解析

機器視覺 就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種）將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結果來控制現(xiàn)場的設備動作。

視覺系統(tǒng)組成部分：

1.照明光源

2.鏡頭

3.工業(yè)攝像機

4.圖像采集/處理卡

5.圖像處理系統(tǒng)

6.其它外部設備

相機篇

工業(yè)相機又俗稱攝像機，相比于傳統(tǒng)的民用相機（攝像機）而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，目前市面上工業(yè)相機大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機。

其中，CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。

CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。

典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點。

CMOS圖像傳感器的開發(fā)則最早出現(xiàn)在20世紀70 年代初，90 年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路 （VLSI） 制造工藝技術的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。

CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優(yōu)點。

目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應用。

分類：

任何東西一定有它自己的分類標準，工業(yè)相機也不例外。

按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機；

按照傳感器的結構特性可以分為線陣相機、面陣相機；

按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；

按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機、高分辨率相機；

按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數(shù)字相機；

按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；

按照輸出信號速度可以分為普通速度相機、高速相機；

按照響應頻率范圍可以分為可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機等。

區(qū)別：

1、工業(yè)相機的性能穩(wěn)定可靠易于安裝，相機結構緊湊結實不易損壞，連續(xù)工作時間長，可在較差的環(huán)境下使用，一般的數(shù)碼相機是做不到這些的。例如：讓民用數(shù)碼相機一天工作24小時或連續(xù)工作幾天肯定會受不了的。

2、工業(yè)相機的快門時間非常短，可以抓拍高速運動的物體。例如，把名片貼在電風扇扇葉上，以最大速度旋轉(zhuǎn)，設置合適的快門時間，用工業(yè)相機抓拍一張圖像，仍能夠清晰辨別名片上的字體。用普通的相機來抓拍，是不可能達到同樣效果的。

3、工業(yè)相機的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通的相機的圖像傳感器是隔行掃描的， 逐行掃描的圖像傳感器生產(chǎn)工藝比較復雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數(shù)公司能夠提供這類產(chǎn)品，例如Dalsa、Sony，而且價格昂貴。

4、工業(yè)相機的幀率遠遠高于普通相機。工業(yè)相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機只能拍攝2-3幅圖像，相差較大。

5、工業(yè)相機輸出的是裸數(shù)據(jù)（raw data），其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進行高質(zhì)量的圖像處理算法，例如機器視覺（Machine Vision）應用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經(jīng)過了mjpeg壓縮，圖像質(zhì)量較差，不利于分析處理。

6、工業(yè)相機（Industrial Camera）相對普通相機（DSC）來說價格較貴。

如何選擇：

1、根據(jù)應用的不同分別選用CCD或CMOS相機CCD工業(yè)相機主要應用在運動物體的圖像提取，如貼片機機器視覺，當然隨著CMOS技術的發(fā)展，許多貼片機也在選用CMOS工業(yè)相機。用在視覺自動檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD工業(yè)相機比較多。CMOS工業(yè)相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。

2、分辨率的選擇首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據(jù)精度選擇分辨率。相機像素精度=單方向視野范圍大小/相機單方向分辨率。則相機單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。若單視野為5mm長，理論精度為0.02mm，則單方向分辨率=5/0.02=250。然而為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，不會只用一個像素單位對應一個測量/觀察精度值，一般可以選擇倍數(shù)4或更高。這樣該相機需求單方向分辨率為1000，選用130萬像素已經(jīng)足夠。

其次看工業(yè)相機的輸出，若是體式觀察或機器軟件分析識別 ，分辨率高是有幫助的；若是VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴于顯示器的分辨率，工業(yè)相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；利用存儲卡或拍照功能，工業(yè)相機的分辨率高也是有幫助的。

3、與鏡頭的匹配傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉(zhuǎn)接口）。

4、相機幀數(shù)選擇當被測物體有運動要求時，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機。但一般來說分辨率越高，幀數(shù)越低。

鏡頭篇

鏡頭的基本功能就是實現(xiàn)光束變換（調(diào)制），在機器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將成像目標在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直影響到機器視覺系統(tǒng)的整體性能，合理地選擇和安裝鏡頭，是機器視覺系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)。

基礎知識：

鏡頭匹配

大家如何選擇合適鏡頭，鏡頭選配時需要選擇與攝像機接口和CCD的尺寸相匹配的鏡頭。鏡頭C和CS的接口方式占主流。小型的安防用的CS接口攝像機得到普及、FA行業(yè)則大部分是C接口的攝像機與鏡頭的組合。對應的CCD尺寸、市場上一般根據(jù)用途使用2/3寸到1/3寸的產(chǎn)品。

互換性

C接口鏡頭可以與C接口攝像機、CS接口攝像機互用；

CS接口鏡頭不可以應用在C接口攝像機，只可以應用在CS接口攝像機。

KERARE

攝像機如果使用配備小CCD尺寸的鏡頭，那么周邊沒有攝取到圖像的部分呈現(xiàn)出黑色，我們稱其為KERARE。

鏡頭的作用：

將折射率不同的各種硝材通過研磨，加工成高精度的曲面、把這些鏡頭進行組合，就是設計鏡頭。從伽利略時代開始使用的普遍技術是其基本原理。為得到更清晰的圖像，一直在研究開發(fā)試制新的硝材和非球面鏡片。

光源篇

LED光源、鹵素燈（光纖光源）、高頻熒光燈。目前LED光源最常用，主要有如下幾個特點：

· 可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度；

· 可根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時調(diào)節(jié)亮度；

· 通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩(wěn)定；

· 使用壽命長；

· 反應快捷，可在10微秒或更短的時間內(nèi)達到最大亮度；

· 電源帶有外觸發(fā)，可以通過計算機控制，起動速度快，可以用作頻閃燈；

· 運行成本低、壽命長的LED，會在綜合成本和性能方面體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢；

· 可根據(jù)客戶的需要，進行特殊設計。

LED光源按形狀通?？煞譃橐韵聨最?/strong>：