深度剖析視覺系統(tǒng)的組成

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(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)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(shè)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(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)緊湊結(jié)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(shè)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(shù)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(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

基礎(chǔ)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(shè)計鏡頭。從伽利略時代開始使用的普遍技術(shù)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(shè)計。

LED光源按形狀通常可分為以下幾類：

1、環(huán)形光源環(huán)形光源提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維信息;高密度LED陣列，高亮度;多種緊湊設(shè)計，節(jié)省安裝空間;解決對角照射陰影問題;可選配漫射板導光，光線均勻擴散。應用領(lǐng)域:PCB基板檢測，IC元件檢測，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測，集成電路印字檢查。

2、背光源用高密度LED陣列面提供高強度背光照明，能突出物體。的外形輪廓特征，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。紅白兩用背光源、紅藍多用背光源，能調(diào)配出不同顏色，滿足不同被測物多色要求。應用領(lǐng)域:機械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片污點檢測，透明物體劃痕檢測等。

3、條形光源條形光源是較大方形結(jié)構(gòu)被測物的首選光源;顏色可根據(jù)需求搭配，自由組合;照射角度與安裝隨意可調(diào)。應用領(lǐng)域:金屬表面檢查，圖像掃描，表面裂縫檢測，LCD面板檢測等。

4、同軸光源同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾;部分采用分光鏡設(shè)計，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應用領(lǐng)域:系列光源最適宜用于反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，芯片和硅晶片的破損檢測，Mark點定位，包裝條碼識別。

5、AOI專用光源不同角度的三色光照明，照射凸顯焊錫三維信息;外加漫射板導光，減少反光;不同角度組合;應用領(lǐng)域:用于電路板焊錫檢測。

6、球積分光源具有積分效果的半球面內(nèi)壁，均勻反射從底部360度****出的光線，使整個圖像的照度十分均勻。應用領(lǐng)域:合于曲面，表面凹凸，弧形表面檢測，或金屬、玻璃表面反光較強的物體表面檢測。

7、線形光源超高亮度，采用柱面透鏡聚光，適用于各種流水線連續(xù)檢測場合。應用領(lǐng)域:陣相機照明專用，AOI專用。

8、點光源大功率LED，體積小，發(fā)光強度高;光纖鹵素燈的替代品，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等;高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應用領(lǐng)域:適合遠心鏡頭使用，用于芯片檢測，Mark點定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

9、組合條形光源四邊配置條形光，每邊照明獨立可控;可根據(jù)被測物要求調(diào)整所需照明角度，適用性廣。應用案例:CB基板檢測，IC元件檢測，焊錫檢查，Mark點定位，顯微鏡照明，包裝條碼照明，球形物體照明等。

10、對位光源對位速度快;視場大;精度高;體積小，便于檢測集成;亮度高，可選配輔助環(huán)形光源。應用領(lǐng)域:VA系列光源是全自動電路板印刷機對位的專用光源。

光源的選型

一、前提信息

1、檢測內(nèi)容

外觀檢查、OCR、尺寸測定、定位

2、對象物

①想看什么?(異物、傷痕、缺損、標識、形狀等)

②表面狀態(tài)(鏡面、糙面、曲面、平面)

③立體?平面?

④材質(zhì)、表面顏色

⑤視野范圍?

⑥動態(tài)還是靜態(tài)(相機快門速度)

3、限制條件

①工作距離(鏡頭下端到被測物表面距離)

②設(shè)置條件(照明的大小、照明下端到被測物表面的距離、反射型or透射型)

③周圍環(huán)境(溫度、外亂光)

④相機的種類，面陣or線陣

二、簡單的預備知識：

1.因材質(zhì)和厚度不同、對光的透過特性(透明度)各異。

2.光根拠其波長之長短、對物質(zhì)的穿透能力(穿透率)各異。

3.光的波長越長、對物質(zhì)的透過力越強，光的波長越短、在物質(zhì)表面的拡散率越大。

4.透射照明、即是使光線透射對象物、并観察其透過光之照明手法。

三、光源：

1.穏定均勻的光源極其重要

2.目的：將被測物與背景盡量明顕區(qū)分

3.摂取圖像時、最重要之處是如何鮮明地獲得：被測物與背景的濃淡差

4.目前、在圖像處理領(lǐng)域中最廣范的技術(shù)手法是：二值化(白黒)處理為了能夠突出特征點，將特征圖像突出出來，在打光手法上，常用的包括有明視野與暗視野。

明視野：用直射光來観察對象物整體(散亂光呈黒色)

暗視野：用散亂光來観察對象物整體(直射光呈白色)具體的光源選取方法還在于試驗的實踐經(jīng)驗。