機器視覺應用系統(tǒng)包括哪些硬件？

導語：機器視覺是一個軟硬件相結(jié)合的綜合技術(shù)，需要軟件對圖像做處理，也需要硬件提供穩(wěn)定和高質(zhì)量的圖像，兩者同樣重要。作為開發(fā)，軟件模塊比較熟悉，硬件系統(tǒng)的相關(guān)知識儲備弱一些，本文對機器視覺中的硬件相關(guān)資源做個簡單的匯總。

隨著我國各行各業(yè)對采用圖像和機器視覺技術(shù)的工業(yè)自動化、智能需求開始廣泛出現(xiàn)，機器視覺逐步開始了工業(yè)現(xiàn)場的應用。

在政府的利好驅(qū)動下，國內(nèi)機器視覺行業(yè)快速發(fā)展，中國正在成為世界機器視覺發(fā)展最活躍的地區(qū)之一。預計到2025年我國機器視覺市場規(guī)模將達246億元。接下來讓我們來了解一下機器視覺——5G工業(yè)的“眼睛”

機器視覺是一項綜合技術(shù)，包括圖像處理、機械工程技術(shù)、控制、電光源照明、光學成像、傳感器、模擬與數(shù)字視頻技術(shù)、計算機軟硬件技術(shù)(圖像增強和分析算法、圖像卡、 I/O卡等)。

一個典型的機器視覺應用系統(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械控制執(zhí)行模塊。

總結(jié)一下，就是機器視覺是一個軟硬件相結(jié)合的綜合技術(shù)，需要軟件對圖像做處理，也需要硬件提供穩(wěn)定和高質(zhì)量的圖像，兩者同樣重要。作為開發(fā)，軟件模塊比較熟悉，硬件系統(tǒng)的相關(guān)知識儲備弱一些，本文對機器視覺中的硬件相關(guān)資源做個簡單的匯總，給初入行的同學做個參考。

內(nèi)容概要

1.工控機

工控機可以理解為我們常用的PC主機，只是這個主機在圖像采集和處理以及相關(guān)的控制和接口 做得更強一些。在機器視覺系統(tǒng)中，工控機的性能直接影響整個視覺系統(tǒng)的處理速度和運行時間，是整個視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵。工控機的選擇需要從如下4個方面考慮，

1)尺寸

2)安裝方式

3)配置

------根據(jù)自己的應用場合選擇合適的配置即可。

4)接口

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

2.相機

2.1 相機類型

點陣相機/面陣相機

面陣相機：實現(xiàn)的是像素矩陣拍攝。相機拍攝圖像中，表現(xiàn)圖像細節(jié)不是由像素多少決定的，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，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)，那么大像素相機有何好處呢?答案只有一個：減少拍攝次數(shù)，提高測試速度。

線陣相機：顧名思義是呈“線”狀的。雖然也是二維圖像，但極長。幾K的長度，而寬度卻只有幾個象素的而已。一般上只在兩種情況下使用這種相機：一、被測視野為細長的帶狀，多用于滾筒上檢測的問題。

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，進行多次拍照，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，必須用可以支持線陣型相機的采集卡。?線陣型相機價格貴，而且在大的視野或高的精度檢測情況下，其檢測速度也慢--一般相機的圖象是?400K～1M，而合并后的圖象有幾個M這么大，速度自然就慢了。慢功出細活嘛。由于以上這兩個原因，線陣相機只用在極特殊的情況下。

CCD相機 / CMOS相機

CCD相機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，復制下提高，但在電路設(shè)計師可更加靈活，更好的提升CCD相機某些特別關(guān)注的性能。CCD更適合于對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的應用領(lǐng)域，如天文、高清晰的醫(yī)療X光影像、其他需要長時間曝光，對圖像噪聲要求比較嚴格的應用場合。

CMOS相機 具有成品率高、集成度高、功耗小、價格低等優(yōu)點。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，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、功耗低而對圖像噪聲和質(zhì)量要求不是特別高的場合。如大部分輔助光照明的工業(yè)檢測應用、安防保安應用、和大部分消費性商業(yè)數(shù)碼相機。目前CCD工業(yè)相機仍然在視覺檢測方案中占據(jù)主導地位。

2.2 分辨率

相機每次采集圖像的像素點數(shù)，一般對應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)使用場景和精度需求來定，不是越高越好。

2.3 像素深度

每位像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，常見的是8bit，10bit，12bit。分辨率和像素深度共同決定了圖像的大小。例如對于像素深度為8bit的500萬像素，則整張圖片應該有500萬*8/1024/1024=37M(1024Byte=1KB，1024KB=1M)。增加像素深度可以增強測量的精度，但同時也降低了系統(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

相機采集和傳輸圖像的速度，對于面陣相機一般為每秒采集的幀數(shù)(Frames/Sec)，對于線陣相機為每秒采集的行數(shù)(HZ)，幀率的選擇需要考慮拍攝動態(tài)的場景。

2.5 曝光

工業(yè)線陣相機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，曝光時間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個固定的時間;面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動曝光幾種常見方式，工業(yè)數(shù)字相機一般都提供外觸發(fā)采圖的功能，快門速度一般可到10ms，高速相機還會更快。

2.6 噪聲

噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實際成像目標之外的信號?？傮w上分為兩類，一類是由有效信號帶來的散粒噪聲，這種噪聲對任何相機都存在;另一類是相機本身固有的與信號無關(guān)的噪聲。它是由于圖像傳感器讀出電路、相機信號處理與放大電路帶來的固有噪聲，每臺相機的固有噪聲都不一樣。

2.7 開發(fā)接口

對于利用相機做視覺項目的開發(fā)，對相機的控制(拍照，攝像，保存，設(shè)置參數(shù)等)是必不可少的，一般廠家會提供控制Demo，開發(fā)時需要將控制功能應用到我們的項目中。

3.鏡頭

相機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)計算短邊對應的像素數(shù)E=B/C，相機長邊和短邊的像素數(shù)都要大于E;

2)像元尺寸=產(chǎn)品短邊尺寸B/所選相機的短邊像素數(shù)

3)放大倍率=所選相機芯片短片尺寸/相機短邊的視野范圍

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，同時考慮鏡頭的工作距離，是否留有足夠空間等。如果對鏡頭的選擇還是拿不準的話，可以咨詢廠家的技術(shù)支持，讓廠家根據(jù)你的應用場景 推薦合適的鏡頭即可。

4.光源

機器視覺中補光是必須的操作，如果單純地調(diào)大相機的曝光時間，會增大圖像的噪聲，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

機器視覺提供的光源也很豐富，這是因為視覺行業(yè)應用非常廣泛，需要根據(jù)具體的項目選擇合適的光源，才會達到理想的效果。

常見的光源燈類型如下，可根據(jù)具體的項目來選擇，

4.2 光源控制器

光源控制器 是為測試環(huán)境提供照明的，一般會提供開發(fā)接口，控制指定的輸出端口 點亮，熄滅，主要是配合相機為軟件提供 符合要求的圖像。

5.物理環(huán)境

機器視覺系統(tǒng)對測試環(huán)境要求比較高，涉及到攝像頭，光源，待測目標 位置擺放等問題，原則是需要提供一套穩(wěn)定，高質(zhì)量的圖像。測試環(huán)境可能還需要專業(yè)的機構(gòu)來設(shè)計，如果是實驗用的簡易環(huán)境可以在網(wǎng)上購買實驗用的支架即可。

編輯：黃飛

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