深度剖析視覺(jué)系統(tǒng)的組成

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)?光纖光源)、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?/span>

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(jì)，節(jié)省安裝空間;解決對(duì)角照射陰影問(wèn)題;可選配漫射板導(dǎo)光，光線均勻擴(kuò)散。應(yīng)用領(lǐng)域:PCB基板檢測(cè)，IC元件檢測(cè)，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測(cè)，集成電路印字檢查。

2、背光源用高密度LED陣列面提供高強(qiáng)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(tái)。紅白兩用背光源、紅藍(lán)多用背光源，能調(diào)配出不同顏色，滿足不同被測(cè)物多色要求。應(yīng)用領(lǐng)域:機(jī)械零件尺寸的測(cè)量，電子元件、IC的外型檢測(cè)，膠片污點(diǎn)檢測(cè)，透明物體劃痕檢測(cè)等。

3、條形光源條形光源是較大方形結(jié)構(gòu)被測(cè)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(yīng)用領(lǐng)域:金屬表面檢查，圖像掃描，表面裂縫檢測(cè)，LCD面板檢測(cè)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(jì)，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應(yīng)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(cè)，芯片和硅晶片的破損檢測(cè)，Mark點(diǎn)定位，包裝條碼識(shí)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(dǎo)光，減少反光;不同角度組合;應(yīng)用領(lǐng)域:用于電路板焊錫檢測(cè)。

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(gè)圖像的照度十分均勻。應(yīng)用領(lǐng)域:合于曲面，表面凹凸，弧形表面檢測(cè)，或金屬、玻璃表面反光較強(qiáng)的物體表面檢測(cè)。

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(cè)場(chǎng)合。應(yīng)用領(lǐng)域:陣相機(jī)照明專用，AOI專用。

8、點(diǎn)光源大功率LED，體積小，發(fā)光強(qiáng)度高;光纖鹵素?zé)舻奶娲?，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(yīng)用領(lǐng)域:適合遠(yuǎn)心鏡頭使用，用于芯片檢測(cè)，Mark點(diǎn)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(dú)立可控;可根據(jù)被測(cè)物要求調(diào)整所需照明角度，適用性廣。應(yīng)用案例:CB基板檢測(cè)，IC元件檢測(cè)，焊錫檢查，Mark點(diǎn)定位，顯微鏡照明，包裝條碼照明，球形物體照明等。

10、對(duì)位光源對(duì)位速度快;視場(chǎng)大;精度高;體積小，便于檢測(cè)集成;亮度高，可選配輔助環(huán)形光源。應(yīng)用領(lǐng)域:VA系列光源是全自動(dòng)電路板印刷機(jī)對(duì)位的專用光源。

光源的選型

一、前提信息

1、檢測(cè)內(nèi)容

外觀檢查、OCR、尺寸測(cè)定、定位

2、對(duì)象物

①想看什么?(異物、傷痕、缺損、標(biāo)識(shí)、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(dòng)態(tài)還是靜態(tài)(相機(jī)快門速度)

3、限制條件

①工作距離(鏡頭下端到被測(cè)物表面距離)

②設(shè)置條件(照明的大小、照明下端到被測(cè)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(jī)的種類，面陣or線陣

二、簡(jiǎn)單的預(yù)備知識(shí)：

1.因材質(zhì)和厚度不同、對(duì)光的透過(guò)特性(透明度)各異。

2.光根拠其波長(zhǎng)之長(zhǎng)短、對(duì)物質(zhì)的穿透能力(穿透率)各異。

3.光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)、對(duì)物質(zhì)的透過(guò)力越強(qiáng)，光的波長(zhǎng)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(duì)象物、并観察其透過(guò)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(cè)物與背景盡量明顕區(qū)分

3.摂取圖像時(shí)、最重要之處是如何鮮明地獲得：被測(cè)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(diǎn)，將特征圖像突出出來(lái)，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(lái)観察對(duì)象物整體(散亂光呈黒色)

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