機器視覺硬件技術(shù)主要包括哪些

機器視覺的硬件中，光源為視覺系統(tǒng)提供足夠的照度，鏡頭將被測場景中的目標(biāo)成像到視覺傳感器（CCD）的靶面上，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，圖像采集卡將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像信息。

即把每一點的亮度轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶燃墧?shù)據(jù)，并存儲為一幅或多幅圖像；計算機實現(xiàn)圖像存儲、處理，并給出測量結(jié)果和輸出控制信號。

一、鏡頭技術(shù)

鏡頭是集聚光線，使成像單元能獲得清晰影像的結(jié)構(gòu)。

光學(xué)鏡頭目前有監(jiān)控級和工業(yè)級兩種，監(jiān)控級鏡頭主要適用于圖像質(zhì)量不高、價格較低的應(yīng)用場合；工業(yè)級鏡頭由于圖像質(zhì)量好、畸變小、價格高，主要應(yīng)用于工業(yè)零件檢測和科學(xué)研究等應(yīng)用場合。

視場角和焦距是光學(xué)鏡頭最重要的技術(shù)參數(shù)，濾光鏡的使用也是鏡頭技術(shù)的重要組成部分。

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1.光圈（Aperture）

一般用口徑系數(shù)f表示，指鏡頭口徑與焦距之比，f/2.8即指1:2.8。

2.景深（Depth of Field）

在焦點前后各有一個容許彌散圓，這兩個彌散圓之間的距離就叫景深，即：在被攝主體(對焦點)前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，就是景深。

3.分辨力

指能分清楚物體的能力，單位LP/mm（Line pairs/Milimeter） 。

4.數(shù)值孔徑（Numerical Aperture）

5.調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function）

MTF好的鏡頭有利于低對比度景物的再現(xiàn)，拍出的圖像層次豐富、細節(jié)明顯、質(zhì)感細膩。

6.視場角

7.焦距

鏡頭焦距的長短決定著視場角的大小，焦距越短，視場角就越大，觀察范圍也越大，但遠物體不清楚；

焦距越長，視場角就越小，觀察范圍也越小，很遠的物體也能看清楚，短焦距的光學(xué)系統(tǒng)比長焦距的光學(xué)系統(tǒng)有更佳聚集光的能力。

自動調(diào)焦相機的調(diào)焦利用電子測距器自動進行，當(dāng)采集圖片時，根據(jù)被攝目標(biāo)的距離，電子測距器可以把前后移動的鏡頭控制在相應(yīng)的位置上，或旋轉(zhuǎn)鏡頭至需要位置，使被攝目標(biāo)成像達到最清晰。

8.濾光鏡

能按照規(guī)定的需要改變?nèi)肷涔獾墓庾V強度分布或使其偏振狀態(tài)發(fā)生變化。

二、攝像機技術(shù)

攝像機是獲取圖像的前端采集設(shè)備，它以面陣 CCD 或CMOS圖像傳感器為核心部件，外加同步信號產(chǎn)生電路、視頻信號處理電路及電源等組合而成。

它是機器視覺系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。

攝像機采集圖像質(zhì)量的好壞直接影響后期圖像處理的速度與效果。所以選取一個各項指標(biāo)符合要求的攝像機至關(guān)重要。

1.圖像傳感器

CCD攝像機：（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）:感光像元在接收輸入光后，產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，形成輸出電壓。

分為線陣和面陣兩種。性價比高，受到廣泛應(yīng)用。

CMOS攝像機：（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）:體積小、耗電少、價格低，在光學(xué)分辨率、感光度、信噪比和高速成像等已超過CCD。

2.傳感器

機器視覺領(lǐng)域的相機分辨率就是其能夠拍攝最大圖片的面積，通常以像素為單位，分辨率越大，圖片的面積越大，文件（容量)也越大。

通常分辨率表示成每一個方向上的像素數(shù)量，比如640×480，那它的分辨率就達到了307200像素，也就是常說的30萬像素。

3.幀速

幀速指視頻畫面每秒鐘傳播的幀數(shù)，用于衡量視頻信號傳輸?shù)乃俣?，單位為?秒（fps）。?

動態(tài)畫面實際上是由一幀幀靜止畫面連續(xù)播放而成的，機器視覺系統(tǒng)必須快速采集這些畫面并將其顯示在屏幕上才能獲得連續(xù)運動的效果。

采集處理時間越長，幀速就越低，如果幀速過低的話畫面就會產(chǎn)生停頓、跳躍的現(xiàn)象。一般對于機器視覺系統(tǒng)來說，每秒60幀較為理想。

4.智能相機

智能相機（Smart Camera）是一種高度集成化的微小型機器視覺系統(tǒng)。

它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現(xiàn)的機器視覺系統(tǒng)。

同時，由于應(yīng)用了最新的DSP/GPU、FPGA及大容量存儲技術(shù)，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機器視覺的應(yīng)用需求。

5.相機接口

?CameraLink 接口：專為機器視覺的高端應(yīng)用設(shè)計，高速度，高分辨率，抗噪性好。

?IEEE 1394（FireWire）接口：即插即用串行接口，可同時支持63個像機，每個相距4.5米，最遠可達72米。支持800Mbits/s甚至3200Mbits/s的傳輸速度。

?USB 接口：是一種應(yīng)用非常普遍的串型接口 。傳輸速率可達480Mbits/s，可供多達127個設(shè)備同時使用。

?Gigabit Ethernet 接口：基于網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議Ethernet，即插即用 ，數(shù)據(jù)連續(xù)高速傳輸。

6.光源技術(shù)

光源是機器視覺系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，在機器視覺系統(tǒng)中十分重要。

光源的主要功能是以合適的方式將光線投射到待測物體上，突出待測特征部分對比度。好的光源能夠改善整個系統(tǒng)的分辨率，減輕后續(xù)圖像處理的壓力。?

對于不同的檢測對象，必須采用不同的照明方式才能突出被測對象的特征，有時可能需要采取幾種方式的結(jié)合，而最佳的照明方法和光源的選擇往往需要大量的試驗才能找到。

常見分類為前光源、背光源、環(huán)形光源、點光源、可調(diào)光源。

(1)環(huán)形光源

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環(huán)形光源的特點如下。

?可將不同照射角度、不同顏色的光源組合，從而突出物體的三維信息。

?采用高密度LED陣列設(shè)計，亮度較高。

?多種緊湊設(shè)計，可節(jié)省安裝空間。

?可解決對角照射的陰影問題。

?可選用漫射板導(dǎo)光，光線均勻擴散。

環(huán)形光源可應(yīng)用于PCB基板檢測、芯片檢測、顯微鏡照明、液晶校正、塑膠容器檢測、集成電路的印字檢查等場景中。

(2)背光源

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采用高密度LED陣列設(shè)計，可提供高強度的背光照明，并突出物體的外形輪廓特征，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。

背光源分為多種，如紅白兩用背光源、紅藍兩用背光源等。通過調(diào)配出不同的顏色，可滿足不同被測物的多色要求。

可應(yīng)用在機械零件尺寸的測量、電子元件的檢測、芯片的外形檢測、膠片污點的檢測、透明物體的劃痕檢測等場景中。

(3)條形光源

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條形光源是較大被測物的首選光源，顏色可根據(jù)需求搭配、自由組合，照射角度可調(diào)。

可應(yīng)用于金屬表面檢查、圖像掃描、表面裂縫檢測、液晶顯示器面板檢測等場景中。

(4)同軸光源

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同軸光源可以消除因物體表面不平整而引起的陰影，從而減少干擾。其特點如下

?采用分光鏡設(shè)計，可減少光損失、提高成像的清晰度。

?可均勻照射物體表面。

?同軸光源可應(yīng)用于反射度極高的物體表面劃傷檢測(如金屬、玻璃、膠片、晶片等)芯片和硅晶片的破損檢測、Mark 點定位、條碼識別等場景中。

(5)點光源

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點光源的特點如下

?功率大、體積小、發(fā)光強度高。

?作為鹵素?zé)舻奶娲?，非常適合作為鏡頭的同軸光源。

?具有高效散熱裝置，大大提高了光源的使用壽命。

?點光源可應(yīng)用于芯片檢測、Mark 點定位、晶片及液晶玻璃的基底校正等場景中。

(6)碗狀光源(球積分光源)

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碗狀光源可均勻反射從底部發(fā)出的光線，從而使整個圖像的亮度均勻。

可應(yīng)用于曲面表面的檢測、凹凸表面的檢測、弧形表面的檢測，以及金屬、玻璃等表面反光較強的物體表面檢測場景中。

三、圖像采集卡（Image Capture Card）

又稱圖像捕捉卡，是一種可以獲取數(shù)字化視頻圖像信息，并將其存儲和播放出來的硬件設(shè)備。

很多圖像采集卡能在捕捉視頻信息的同時獲得伴音，使音頻部分和視頻部分在數(shù)字化時同步保存、同步播放。

編輯：黃飛

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