機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)包括哪些硬件？

導(dǎo)語(yǔ)：機(jī)器視覺(jué)是一個(gè)軟硬件相結(jié)合的綜合技術(shù)，需要軟件對(duì)圖像做處理，也需要硬件提供穩(wěn)定和高質(zhì)量的圖像，兩者同樣重要。作為開(kāi)發(fā)，軟件模塊比較熟悉，硬件系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備弱一些，本文對(duì)機(jī)器視覺(jué)中的硬件相關(guān)資源做個(gè)簡(jiǎn)單的匯總。

隨著我國(guó)各行各業(yè)對(duì)采用圖像和機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化、智能需求開(kāi)始廣泛出現(xiàn)，機(jī)器視覺(jué)逐步開(kāi)始了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。

在政府的利好驅(qū)動(dòng)下，國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺(jué)行業(yè)快速發(fā)展，中國(guó)正在成為世界機(jī)器視覺(jué)發(fā)展最活躍的地區(qū)之一。預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)246億元。接下來(lái)讓我們來(lái)了解一下機(jī)器視覺(jué)——5G工業(yè)的“眼睛”

機(jī)器視覺(jué)是一項(xiàng)綜合技術(shù)，包括圖像處理、機(jī)械工程技術(shù)、控制、電光源照明、光學(xué)成像、傳感器、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)(圖像增強(qiáng)和分析算法、圖像卡、 I/O卡等)。

一個(gè)典型的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)包括圖像捕捉、光源系統(tǒng)、圖像數(shù)字化模塊、數(shù)字圖像處理模塊、智能判斷決策模塊和機(jī)械控制執(zhí)行模塊。

總結(jié)一下，就是機(jī)器視覺(jué)是一個(gè)軟硬件相結(jié)合的綜合技術(shù)，需要軟件對(duì)圖像做處理，也需要硬件提供穩(wěn)定和高質(zhì)量的圖像，兩者同樣重要。作為開(kāi)發(fā)，軟件模塊比較熟悉，硬件系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備弱一些，本文對(duì)機(jī)器視覺(jué)中的硬件相關(guān)資源做個(gè)簡(jiǎn)單的匯總，給初入行的同學(xué)做個(gè)參考。

內(nèi)容概要

1.工控機(jī)

工控機(jī)可以理解為我們常用的PC主機(jī)，只是這個(gè)主機(jī)在圖像采集和處理以及相關(guān)的控制和接口 做得更強(qiáng)一些。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，工控機(jī)的性能直接影響整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的處理速度和運(yùn)行時(shí)間，是整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)的關(guān)鍵。工控機(jī)的選擇需要從如下4個(gè)方面考慮，

1)尺寸

2)安裝方式

3)配置

------根據(jù)自己的應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的配置即可。

4)接口

-------很重要，確定視覺(jué)系統(tǒng)中攝像機(jī)的數(shù)量、光源控制器和連接方式。如系統(tǒng)有8個(gè)攝像頭，4個(gè)光源需要控制，攝像頭通過(guò)網(wǎng)線連接，光源控制器是232接口，如此可以確定工控機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口、串口數(shù)量。

2.相機(jī)

2.1 相機(jī)類(lèi)型

點(diǎn)陣相機(jī)/面陣相機(jī)

面陣相機(jī)：實(shí)現(xiàn)的是像素矩陣拍攝。相機(jī)拍攝圖像中，表現(xiàn)圖像細(xì)節(jié)不是由像素多少?zèng)Q定的，是由分辨率決定的。分辨率是由選擇的鏡頭焦距決定的，同一種相機(jī)，選用不同焦距的鏡頭，分辨率就不同。?像素的多少不決定圖像的分辨率(清晰度)，那么大像素相機(jī)有何好處呢?答案只有一個(gè)：減少拍攝次數(shù)，提高測(cè)試速度。

線陣相機(jī)：顧名思義是呈“線”狀的。雖然也是二維圖像，但極長(zhǎng)。幾K的長(zhǎng)度，而寬度卻只有幾個(gè)象素的而已。一般上只在兩種情況下使用這種相機(jī)：一、被測(cè)視野為細(xì)長(zhǎng)的帶狀，多用于滾筒上檢測(cè)的問(wèn)題。

二、需要極大的視野或極高的精度。在第二種情況下(需要極大的視野或極高的精度)，就需要用激發(fā)裝置多次激發(fā)相機(jī)，進(jìn)行多次拍照，再將所拍下的多幅“條”形圖象，合并成一張巨大的圖。

因此，用線陣型相機(jī)，必須用可以支持線陣型相機(jī)的采集卡。?線陣型相機(jī)價(jià)格貴，而且在大的視野或高的精度檢測(cè)情況下，其檢測(cè)速度也慢--一般相機(jī)的圖象是?400K～1M，而合并后的圖象有幾個(gè)M這么大，速度自然就慢了。慢功出細(xì)活嘛。由于以上這兩個(gè)原因，線陣相機(jī)只用在極特殊的情況下。

CCD相機(jī) / CMOS相機(jī)

CCD相機(jī)能提供很好的圖像質(zhì)量、抗噪能力，盡管由于增加了外部電路使得系統(tǒng)的尺寸變大，復(fù)制下提高，但在電路設(shè)計(jì)師可更加靈活，更好的提升CCD相機(jī)某些特別關(guān)注的性能。CCD更適合于對(duì)相機(jī)性能要求非常高而對(duì)成本控制不太嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域，如天文、高清晰的醫(yī)療X光影像、其他需要長(zhǎng)時(shí)間曝光，對(duì)圖像噪聲要求比較嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)合。

CMOS相機(jī) 具有成品率高、集成度高、功耗小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。但本身圖像的噪聲比較多。目前的CMOS技術(shù)不斷發(fā)展，已經(jīng)克服了早期的許多缺點(diǎn)，發(fā)展到了圖像品質(zhì)方面可以與CCD技術(shù)相較量的水平。

CMOS適用于要求空間小、體積小、功耗低而對(duì)圖像噪聲和質(zhì)量要求不是特別高的場(chǎng)合。如大部分輔助光照明的工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用、安防保安應(yīng)用、和大部分消費(fèi)性商業(yè)數(shù)碼相機(jī)。目前CCD工業(yè)相機(jī)仍然在視覺(jué)檢測(cè)方案中占據(jù)主導(dǎo)地位。

2.2 分辨率

相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)，一般對(duì)應(yīng)于光電傳感器靶面排列的像元數(shù)。分辨率的選擇還需要根據(jù)使用場(chǎng)景和精度需求來(lái)定，不是越高越好。

2.3 像素深度

每位像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，常見(jiàn)的是8bit，10bit，12bit。分辨率和像素深度共同決定了圖像的大小。例如對(duì)于像素深度為8bit的500萬(wàn)像素，則整張圖片應(yīng)該有500萬(wàn)*8/1024/1024=37M(1024Byte=1KB，1024KB=1M)。增加像素深度可以增強(qiáng)測(cè)量的精度，但同時(shí)也降低了系統(tǒng)的速度，并且提高了系統(tǒng)集成的難度(線纜增加，尺寸變大等)。

2.4 幀率

相機(jī)采集和傳輸圖像的速度，對(duì)于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)(Frames/Sec)，對(duì)于線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)(HZ)，幀率的選擇需要考慮拍攝動(dòng)態(tài)的場(chǎng)景。

2.5 曝光

工業(yè)線陣相機(jī)都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的方式，曝光時(shí)間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間;面陣相機(jī)有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)曝光幾種常見(jiàn)方式，工業(yè)數(shù)字相機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能，快門(mén)速度一般可到10ms，高速相機(jī)還會(huì)更快。

2.6 噪聲

噪聲是指成像過(guò)程中不希望被采集到的，實(shí)際成像目標(biāo)之外的信號(hào)?？傮w上分為兩類(lèi)，一類(lèi)是由有效信號(hào)帶來(lái)的散粒噪聲，這種噪聲對(duì)任何相機(jī)都存在;另一類(lèi)是相機(jī)本身固有的與信號(hào)無(wú)關(guān)的噪聲。它是由于圖像傳感器讀出電路、相機(jī)信號(hào)處理與放大電路帶來(lái)的固有噪聲，每臺(tái)相機(jī)的固有噪聲都不一樣。

2.7 開(kāi)發(fā)接口

對(duì)于利用相機(jī)做視覺(jué)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)，對(duì)相機(jī)的控制(拍照，攝像，保存，設(shè)置參數(shù)等)是必不可少的，一般廠家會(huì)提供控制Demo，開(kāi)發(fā)時(shí)需要將控制功能應(yīng)用到我們的項(xiàng)目中。

3.鏡頭

相機(jī)與鏡頭一般是配套的，鏡頭的選型主要考慮呈像的視距，鏡頭選型步驟：

1)計(jì)算短邊對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)E=B/C，相機(jī)長(zhǎng)邊和短邊的像素?cái)?shù)都要大于E;

2)像元尺寸=產(chǎn)品短邊尺寸B/所選相機(jī)的短邊像素?cái)?shù)

3)放大倍率=所選相機(jī)芯片短片尺寸/相機(jī)短邊的視野范圍

4)可分辨的產(chǎn)品精度=像元尺寸/放大倍率 (判斷是否小于C)

5)物鏡的焦距=工作距離/(1+1/放大倍率) 單位：mm

6)像面的分辨率要大于1/(2×0.1×放大倍率) 單位：lp/mm

選擇的鏡頭的支持CCD尺寸要大于等于相機(jī)CCD傳感器芯片的尺寸，另外安裝座是C、CS或F型接口也要匹配，同時(shí)考慮鏡頭的工作距離，是否留有足夠空間等。如果對(duì)鏡頭的選擇還是拿不準(zhǔn)的話，可以咨詢廠家的技術(shù)支持，讓廠家根據(jù)你的應(yīng)用場(chǎng)景 推薦合適的鏡頭即可。

4.光源

機(jī)器視覺(jué)中補(bǔ)光是必須的操作，如果單純地調(diào)大相機(jī)的曝光時(shí)間，會(huì)增大圖像的噪聲，降低圖像的質(zhì)量，必須要選擇合適的光源才行。光源的選擇分光源燈和光源控制器兩部分。

4.1 光源燈

機(jī)器視覺(jué)提供的光源也很豐富，這是因?yàn)橐曈X(jué)行業(yè)應(yīng)用非常廣泛，需要根據(jù)具體的項(xiàng)目選擇合適的光源，才會(huì)達(dá)到理想的效果。

常見(jiàn)的光源燈類(lèi)型如下，可根據(jù)具體的項(xiàng)目來(lái)選擇，

4.2 光源控制器

光源控制器 是為測(cè)試環(huán)境提供照明的，一般會(huì)提供開(kāi)發(fā)接口，控制指定的輸出端口 點(diǎn)亮，熄滅，主要是配合相機(jī)為軟件提供 符合要求的圖像。

5.物理環(huán)境

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)測(cè)試環(huán)境要求比較高，涉及到攝像頭，光源，待測(cè)目標(biāo) 位置擺放等問(wèn)題，原則是需要提供一套穩(wěn)定，高質(zhì)量的圖像。測(cè)試環(huán)境可能還需要專業(yè)的機(jī)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)，如果是實(shí)驗(yàn)用的簡(jiǎn)易環(huán)境可以在網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)實(shí)驗(yàn)用的支架即可。

編輯：黃飛

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