機器視覺的系統構成一、視覺檢測系統二、相機與圖像采集卡三、鏡頭與相機選擇考慮因素四、工作站中的機器視覺1/18一視覺檢測系統視覺檢測系統由工業相機、控制器、鏡頭、光源組合而成，可以代替人工完成條碼字符、裂痕、包裝、表面圖層是否完整、凹陷等檢測，使用視覺檢測系統能有效的提高生產流水線的檢測速度和精度。機器視覺系統的主要工作由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。機器視覺系統的主要組件包括光源、相機、鏡頭、圖像處理軟件和輸入輸出單元。光源用于對待檢測的元件進行照明，讓元件的關鍵特征能夠突顯出來，確保相機能夠清楚地看到這些特征。鏡頭用于采集圖像，并將圖像以光線的形式呈現給傳感器。然后，機器視覺相機中的傳感器將該光線轉換成數字圖像，然后將該數字圖像發送至處理器進行分析。圖像采集卡是重要的輸入輸出單元，用于圖像的高速傳輸及數字化處理。2/18左圖中列出了機器視覺系統的各個關鍵組件，包括：光源、鏡頭、相機、視覺系統控制器和輸入輸出單元等。一視覺檢測系統3/18二相機與圖像采集卡使用在工業生產中的視覺傳感器，也常被稱為工業攝像機。就如我們去選購單反相機時會分別購買鏡頭和機身一樣，工業攝像機其實也是由鏡頭和相機組成的。鏡頭是由一塊或者多塊光學玻璃或塑料組成的透鏡組，用于收集光線，產生銳利的圖像。相機的主要組件為圖像傳感器，有不同大小，不同材質和單色彩色等多種型號，能夠將鏡頭收集到的光線轉變為電信號。對比傳統的民用相機而言，工業用相機在圖像穩定性、抗干擾能力和傳輸能力上有著更高更大的優勢，是組成整個視覺系統的關鍵部分，工業用相機性能的好壞也決定了機器視覺系統的穩定性。4/18下圖中列出了有關工業攝像機的各個關鍵參數，圖中硬件包括：相機和鏡頭、圖像傳感器和被測對象。圖中幾個重要參數的定義見表1。本節中將介紹相機的主要組成部分及重要參數。二相機與圖像采集卡5/18二標號定義注釋1圖像圖像傳感器接收到的內容2視野物體在某一方向上可被檢測到的區域，換言之，它是物體將傳感器某一方向填滿圖像的區域3工作距離從鏡頭前端到被檢測物體表面的距離4傳感器尺寸傳感器的有效面積，典型的指標是水平尺寸表1工業攝像機的相關參數相機與圖像采集卡6/18二相機與圖像采集卡CCD(charge-coupleddevice)電荷耦合元件，也稱為CCD圖像傳感器、CCD感光芯片，是一種半導體器件。可以將它看作一種集成電路，感光元件整齊地排列在半導體材料上面，能感應光線。CCD的作用就像傳統的膠片一樣，用來承載圖像，但它能夠把光學影像轉換成數字信號。下圖所示為CCD感光芯片。7/18二相機與圖像采集卡CCD的成像點為XY縱橫矩陣排列，每個成像點由一個光電二極管和其控制的一個鄰近電荷存儲區組成。每行的電荷信息被連續讀出到緩存器，再通過電荷/電壓轉換器和放大器傳至圖像采集卡。早期的工業攝像機多數使用CCD的線陣TTL工藝傳感器，輸出的是模擬信號，想傳輸到計算機進行處理和存儲，就需要通過圖像采集卡進行A/D轉換，再通過計算機總線實時傳送到內存和顯存。現今使用的CCD相機能夠直接采集到數字圖像，這時圖像采集卡的作用就僅是將數字信號通過計算機總線傳輸到計算機內存或顯存，方便計算機對現場采集的圖像進行實時處理和存儲。8/18圖像采集卡實際上是一塊板卡(如圖所示)，可以鏈接在PC的PCI擴展槽上，其主要功能就是圖像數字化處理與傳輸。二相機與圖像采集卡9/18不同型號圖像卡的區別主要表現在輸入信號、圖像質量、總線形式、處理功能等方面。在選擇圖像采集卡時，首先需要考慮的就是上文中提到的相機的輸出信號。目前使用較多的總線有PCI、PC/104-Plus、PCI-E、MiniPCI及筆記本所用的PCMCIA總線。PCI總線使用最多，多數PC機及工控機均使用PCI總線；PCI-Express是近幾年新發展的計算機總線，由于PCI-Express具有高帶寬的優勢，支持PCI-Express總線的主板越來越多。二相機與圖像采集卡10/18三鏡頭與相機選擇考慮因素1.鏡頭選擇考慮因素鏡頭用于集聚反映待測物體信息的光線并將待測物體的光學圖像成在相機圖像傳感器表面，使相機能夠采集到圖像清晰、邊緣銳利、對比度高的圖像。鏡頭是待測物體輪廓和表面信息采集和傳遞的中轉點，其品質好壞將直接影響最終圖像質量和包含的待測物體信息的準確性和完整性。機器視覺鏡頭(FA鏡頭)相比于普通鏡頭具有更小的光學畸變、更高的光學分辨率，更豐富的工作波長，可以匹配工業場合機器視覺系統廣泛的應用需求。選擇視覺鏡頭需要綜合考慮以下幾個因素：(1)目標尺寸和測量精度根據目標尺寸，可以確定鏡頭的視場角，圖像傳感器的尺寸。目標尺寸需要全部處于鏡頭視野之中才能形成完整的目標像。11/18三鏡頭與相機選擇考慮因素(2)工作波長和鏡頭焦距常用的光學鏡頭在指定的波長范圍內能力衰減很小，能夠在像面上形成清晰的像，分為可見光波段鏡頭、紅外波段和紫外波段鏡頭。焦距的物理含義是指主點到光線聚焦點的距離，是對光線聚集能力的度量，鏡頭焦距的長短決定了視場角的大小，也影響著工作距離和放大倍數，變焦鏡頭使用在放大倍數不變，工作距離變化，或者工作距離不變，放大倍數可調的場合。12/18(3)普通鏡頭和遠心鏡頭由于景深影響、待測物體三維空間位置的變化、加工制造安裝誤差，要把待測物體的光學像精確調焦到與傳感器靶面完全重合，技術實現難度較大，進而導致成像的放大倍率不固定，存在變化，影響測量精度。相對于普通鏡頭，遠心鏡頭具有高分辨率，超寬景深，超低畸變以及獨有的平行光設計，使物距和工作距離之差小于景深，光學放大倍數不變，從而實現恒定的測量精度。三鏡頭與相機選擇考慮因素13/18(4)分辨率和相機接口為了使圖像傳感器能得到充分的利用，保證得到完整的待測物體圖像，鏡頭視野大小必須大于與之配套的圖像傳感器的靶面。由于系統的最高分辨率受制于傳感器的像元分辨率，系統的分辨率并不會由于鏡頭分辨率的增大而無限制的增大，因此選擇鏡頭的分辨率只要略高于像元分辨率即可，且安裝接口須與相機接口吻合。(5)使用環境要求應對設備的使用場合進行分析，需考慮是否存在如防塵、防水、防污、溫度、振動等使用要求。三鏡頭與相機選擇考慮因素14/182.相機選型考慮因素相機選型是一般考慮以下參數：(1)分辨率相機每次采集圖像的像素點數(Pixels)，對于數字相機一般是直接與光電傳感器的像元數對應的，模擬相機則取決于視頻制式，首先需要知道系統精度要求和相機分辨率，可以通過公式獲得：X方向系統精度(X方向像素值)=視野范圍(X方向)/CCD芯片像素數量(X方向)Y方向系統精度(Y方向像素值)=視野范圍(Y方向)/CCD芯片像素數量(Y方向)三鏡頭與相機選擇考慮因素15/18(2)像素理論像素值的得出要由系統精度及亞像素方法綜合考慮，系統速度要求與相機成像速度有如下關系：系統單次運行速度=系統成像(包括傳輸)速度+系統檢測速度雖然系統成像(包括傳輸)速度可以根據相機異步觸發功能、快門速度等進行理論計算，最好的方法還是通過軟件進行實際測試。三鏡頭與相機選擇考慮因素16/18(3)相機與圖像采集卡的匹配：視頻信號的匹配：對于黑白模擬信號相機來說有兩種格式，CCIR和RS170(EIA)，通常采集卡都同時支持這兩種相機；分辨率的匹配：每款板卡都只支持某一分辨率范圍內的相機；特殊功能的匹配：如要使用相機的特殊功能，先確定所用板卡是否支持此功能，比如，要多部相機同時拍照，這個采集卡就必須支持多通道，如果相機是逐行掃描的，那么采集卡就必須支持逐行掃描。接口的匹配：確定相機與板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、GIGE、CoxPress、USB3.0等。三鏡頭與相機選擇考慮因素17/18四工作站中的機器視覺綜合光源顏色、鏡頭與相機選擇的方法，工作站選用白色環形光源，它對