深度解析什么是機(jī)器視覺(jué)!

機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，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(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

視覺(jué)系統(tǒng)組成部分：

1.照明光源

2.鏡頭

3.工業(yè)攝像機(jī)

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(jī)篇

工業(yè)相機(jī)又俗稱攝像機(jī)，相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)（攝像機(jī)）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(jī)大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機(jī)。

其中，CCD是目前機(jī)器視覺(jué)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(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件。

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

典型的CCD相機(jī)由光學(xué)鏡頭、時(shí)序及同步信號(hào)發(fā)生器、垂直驅(qū)動(dòng)器、模擬/數(shù)字信號(hào)處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無(wú)灼傷、無(wú)滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

CMOS圖像傳感器的開(kāi)發(fā)則最早出現(xiàn)在20世紀(jì)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(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)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(jī)訪問(wèn)的優(yōu)點(diǎn)。

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(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)在高分辨率和高速場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。

分類：

任何東西一定有它自己的分類標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)相機(jī)也不例外。

按照芯片類型可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；

按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機(jī)、面陣相機(jī)；

按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)；

按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)；

按照輸出信號(hào)方式可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)；

按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；

按照輸出信號(hào)速度可以分為普通速度相機(jī)、高速相機(jī)；

按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見(jiàn)光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。

區(qū)別：

1、工業(yè)相機(jī)的性能穩(wěn)定可靠易于安裝，相機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實(shí)不易損壞，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，可在較差的環(huán)境下使用，一般的數(shù)碼相機(jī)是做不到這些的。例如：讓民用數(shù)碼相機(jī)一天工作24小時(shí)或連續(xù)工作幾天肯定會(huì)受不了的。

2、工業(yè)相機(jī)的快門(mén)時(shí)間非常短，可以抓拍高速運(yùn)動(dòng)的物體。例如，把名片貼在電風(fēng)扇扇葉上，以最大速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)置合適的快門(mén)時(shí)間，用工業(yè)相機(jī)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(jī)來(lái)抓拍，是不可能達(dá)到同樣效果的。

3、工業(yè)相機(jī)的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通的相機(jī)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(fù)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(jià)格昂貴。

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

5、工業(yè)相機(jī)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(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法，例如機(jī)器視覺(jué)(Machine Vision)應(yīng)用。而普通相機(jī)拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺(jué)，并且經(jīng)過(guò)了mjpeg壓縮，圖像質(zhì)量較差，不利于分析處理。

6、工業(yè)相機(jī)(Industrial Camera)相對(duì)普通相機(jī)(DSC)來(lái)說(shuō)價(jià)格較貴。

如何選擇：

1、根據(jù)應(yīng)用的不同分別選用CCD或CMOS相機(jī)CCD工業(yè)相機(jī)主要應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)物體的圖像提取，如貼片機(jī)機(jī)器視覺(jué)，當(dāng)然隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，許多貼片機(jī)也在選用CMOS工業(yè)相機(jī)。用在視覺(jué)自動(dòng)檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD工業(yè)相機(jī)比較多。CMOS工業(yè)相機(jī)由成本低，功耗低也應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

2、分辨率的選擇首先考慮待觀察或待測(cè)量物體的精度，根據(jù)精度選擇分辨率。相機(jī)像素精度=單方向視野范圍大小/相機(jī)單方向分辨率。則相機(jī)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(zhǎng)，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(huì)只用一個(gè)像素單位對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)量/觀察精度值，一般可以選擇倍數(shù)4或更高。這樣該相機(jī)需求單方向分辨率為1000，選用130萬(wàn)像素已經(jīng)足夠。

其次看工業(yè)相機(jī)的輸出，若是體式觀察或機(jī)器軟件分析識(shí)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(jī)的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒(méi)有意義的；利用存儲(chǔ)卡或拍照功能，工業(yè)相機(jī)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(jī)幀數(shù)選擇當(dāng)被測(cè)物體有運(yùn)動(dòng)要求時(shí)，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機(jī)。但一般來(lái)說(shuō)分辨率越高，幀數(shù)越低。

鏡頭篇

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

基礎(chǔ)知識(shí)：

鏡頭匹配

大家如何選擇合適鏡頭，鏡頭選配時(shí)需要選擇與攝像機(jī)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(jī)得到普及、FA行業(yè)則大部分是C接口的攝像機(jī)與鏡頭的組合。對(duì)應(yīng)的CCD尺寸、市場(chǎng)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(jī)、CS接口攝像機(jī)互用；

CS接口鏡頭不可以應(yīng)用在C接口攝像機(jī)，只可以應(yīng)用在CS接口攝像機(jī)。

KERARE

攝像機(jī)如果使用配備小CCD尺寸的鏡頭，那么周邊沒(méi)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(guò)研磨，加工成高精度的曲面、把這些鏡頭進(jìn)行組合，就是設(shè)計(jì)鏡頭。從伽利略時(shí)代開(kāi)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(kāi)發(fā)試制新的硝材和非球面鏡片。

光源篇

LED光源、鹵素?zé)簦ü饫w光源）、高頻熒光燈。目前LED光源最常用，主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

· 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(shí)調(diào)節(jié)亮度；

· 通過(guò)散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩(wěn)定；

· 使用壽命長(zhǎng)；

· 反應(yīng)快捷，可在10微秒或更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大亮度；

· 電源帶有外觸發(fā)，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制，起動(dòng)速度快，可以用作頻閃燈；

· 運(yùn)行成本低、壽命長(zhǎng)的LED，會(huì)在綜合成本和性能方面體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)；

· 可根據(jù)客戶的需要，進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

LED光源按形狀通?？煞譃橐韵聨最悾?/strong>