機(jī)器視覺的系統(tǒng)構(gòu)成——課證融通課程視覺檢測(cè)系統(tǒng)1相機(jī)與圖像采集卡2鏡頭與相機(jī)選擇考慮因素3工作站中的機(jī)器視覺41.視覺檢測(cè)系統(tǒng)視覺檢測(cè)系統(tǒng)由工業(yè)相機(jī)、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(cè)，使用視覺檢測(cè)系統(tǒng)能有效的提高生產(chǎn)流水線的檢測(cè)速度和精度。機(jī)器視覺系統(tǒng)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(jī)器視覺系統(tǒng)的主要組件包括光源、相機(jī)、鏡頭、圖像處理軟件和輸入輸出單元。光源用于對(duì)待檢測(cè)的元件進(jìn)行照明，讓元件的關(guān)鍵特征能夠突顯出來，確保相機(jī)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(xiàn)給傳感器。然后，機(jī)器視覺相機(jī)中的傳感器將該光線轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，然后將該數(shù)字圖像發(fā)送至處理器進(jìn)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(shù)字化處理。1.視覺檢測(cè)系統(tǒng)左圖中列出了機(jī)器視覺系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)鍵組件，包括：光源、鏡頭、相機(jī)、視覺系統(tǒng)控制器和輸入輸出單元等。2.相機(jī)與圖像采集卡使用在工業(yè)生產(chǎn)中的視覺傳感器，也常被稱為工業(yè)攝像機(jī)。就如我們?nèi)ミx購(gòu)單反相機(jī)時(shí)會(huì)分別購(gòu)買鏡頭和機(jī)身一樣，工業(yè)攝像機(jī)其實(shí)也是由鏡頭和相機(jī)組成的。鏡頭是由一塊或者多塊光學(xué)玻璃或塑料組成的透鏡組，用于收集光線，產(chǎn)生銳利的圖像。相機(jī)的主要組件為圖像傳感器，有不同大小，不同材質(zhì)和單色彩色等多種型號(hào)，能夠?qū)㈢R頭收集到的光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。對(duì)比傳統(tǒng)的民用相機(jī)而言，工業(yè)用相機(jī)在圖像穩(wěn)定性、抗干擾能力和傳輸能力上有著更高更大的優(yōu)勢(shì)，是組成整個(gè)視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，工業(yè)用相機(jī)性能的好壞也決定了機(jī)器視覺系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2.相機(jī)與圖像采集卡下圖中列出了有關(guān)工業(yè)攝像機(jī)的各個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，圖中硬件包括：相機(jī)和鏡頭、圖像傳感器和被測(cè)對(duì)象。圖中幾個(gè)重要參數(shù)的定義見表1。本節(jié)中將介紹相機(jī)的主要組成部分及重要參數(shù)。2.相機(jī)與圖像采集卡標(biāo)號(hào)定義注釋1圖像圖像傳感器接收到的內(nèi)容2視野物體在某一方向上可被檢測(cè)到的區(qū)域，換言之，它是物體將傳感器某一方向填滿圖像的區(qū)域3工作距離從鏡頭前端到被檢測(cè)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(biāo)是水平尺寸表1工業(yè)攝像機(jī)的相關(guān)參數(shù)2.相機(jī)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(dǎo)體器件?？梢詫⑺醋饕环N集成電路，感光元件整齊地排列在半導(dǎo)體材料上面，能感應(yīng)光線。CCD的作用就像傳統(tǒng)的膠片一樣，用來承載圖像，但它能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。下圖所示為CCD感光芯片。2.相機(jī)與圖像采集卡CCD的成像點(diǎn)為XY縱橫矩陣排列，每個(gè)成像點(diǎn)由一個(gè)光電二極管和其控制的一個(gè)鄰近電荷存儲(chǔ)區(qū)組成。每行的電荷信息被連續(xù)讀出到緩存器，再通過電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和放大器傳至圖像采集卡。早期的工業(yè)攝像機(jī)多數(shù)使用CCD的線陣TTL工藝傳感器，輸出的是模擬信號(hào)，想傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，就需要通過圖像采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過計(jì)算機(jī)總線實(shí)時(shí)傳送到內(nèi)存和顯存?，F(xiàn)今使用的CCD相機(jī)能夠直接采集到數(shù)字圖像，這時(shí)圖像采集卡的作用就僅是將數(shù)字信號(hào)通過計(jì)算機(jī)總線傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存或顯存，方便計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和存儲(chǔ)。2.相機(jī)與圖像采集卡圖像采集卡實(shí)際上是一塊板卡(如圖所示)，可以鏈接在PC的PCI擴(kuò)展槽上，其主要功能就是圖像數(shù)字化處理與傳輸。2.相機(jī)與圖像采集卡不同型號(hào)圖像卡的區(qū)別主要表現(xiàn)在輸入信號(hào)、圖像質(zhì)量、總線形式、處理功能等方面。在選擇圖像采集卡時(shí)，首先需要考慮的就是上文中提到的相機(jī)的輸出信號(hào)。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(shù)PC機(jī)及工控機(jī)均使用PCI總線；PCI-Express是近幾年新發(fā)展的計(jì)算機(jī)總線，由于PCI-Express具有高帶寬的優(yōu)勢(shì)，支持PCI-Express總線的主板越來越多。3.鏡頭與相機(jī)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(cè)物體信息的光線并將待測(cè)物體的光學(xué)圖像成在相機(jī)圖像傳感器表面，使相機(jī)能夠采集到圖像清晰、邊緣銳利、對(duì)比度高的圖像。鏡頭是待測(cè)物體輪廓和表面信息采集和傳遞的中轉(zhuǎn)點(diǎn)，其品質(zhì)好壞將直接影響最終圖像質(zhì)量和包含的待測(cè)物體信息的準(zhǔn)確性和完整性。機(jī)器視覺鏡頭(FA鏡頭)相比于普通鏡頭具有更小的光學(xué)畸變、更高的光學(xué)分辨率，更豐富的工作波長(zhǎng)，可以匹配工業(yè)場(chǎng)合機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用需求。3.鏡頭與相機(jī)選擇考慮因素選擇視覺鏡頭需要綜合考慮以下幾個(gè)因素：①目標(biāo)尺寸和測(cè)量精度根據(jù)目標(biāo)尺寸，可以確定鏡頭的視場(chǎng)角，圖像傳感器的尺寸。目標(biāo)尺寸需要全部處于鏡頭視野之中才能形成完整的目標(biāo)像。②工作波長(zhǎng)和鏡頭焦距常用的光學(xué)鏡頭在指定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)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(diǎn)到光線聚焦點(diǎn)的距離，是對(duì)光線聚集能力的度量，鏡頭焦距的長(zhǎng)短決定了視場(chǎng)角的大小，也影響著工作距離和放大倍數(shù)，變焦鏡頭使用在放大倍數(shù)不變，工作距離變化，或者工作距離不變，放大倍數(shù)可調(diào)的場(chǎng)合。3.鏡頭與相機(jī)選擇考慮因素③普通鏡頭和遠(yuǎn)心鏡頭由于景深影響、待測(cè)物體三維空間位置的變化、加工制造安裝誤差，要把待測(cè)物體的光學(xué)像精確調(diào)焦到與傳感器靶面完全重合，技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度較大，進(jìn)而導(dǎo)致成像的放大倍率不固定，存在變化，影響測(cè)量精度。相對(duì)于普通鏡頭，遠(yuǎn)心鏡頭具有高分辨率，超寬景深，超低畸變以及獨(dú)有的平行光設(shè)計(jì)，使物距和工作距離之差小于景深，光學(xué)放大倍數(shù)不變，從而實(shí)現(xiàn)恒定的測(cè)量精度。3.鏡頭與相機(jī)選擇考慮因素④分辨率和相機(jī)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(cè)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(tǒng)的最高分辨率受制于傳感器的像元分辨率，系統(tǒng)的分辨率并不會(huì)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(jī)接口吻合。⑤使用環(huán)境要求應(yīng)對(duì)設(shè)備的使用場(chǎng)合進(jìn)行分析，需考慮是否存在如防塵、防水、防污、溫度、振動(dòng)等使用要求。3.鏡頭與相機(jī)選擇考慮因素（2）相機(jī)選型考慮因素相機(jī)選型是一般考慮以下參數(shù)：①分辨率相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)(Pixels)，對(duì)于數(shù)字相機(jī)一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對(duì)應(yīng)的，模擬相機(jī)則取決于視頻制式，首先需要知道系統(tǒng)精度要求和相機(jī)分辨率，可以通過公式獲得：X方向系統(tǒng)精度(X方向像素值)=視野范圍(X方向)/CCD芯片像素?cái)?shù)量(X方向)Y方向系統(tǒng)精度(Y方向像素值)=視野范圍(Y方向)/CCD芯片像素?cái)?shù)量(Y方向)3.鏡頭與相機(jī)選擇考慮因素②像素理論像素值的得出要由系統(tǒng)精度及亞像素方法綜合考慮，系統(tǒng)速度要求與相機(jī)成像速度有如下關(guān)系：系統(tǒng)單次運(yùn)行速度=系統(tǒng)成像(包括傳輸)速度+系統(tǒng)檢測(cè)速度雖然系統(tǒng)成像(包括傳輸)速度可以根據(jù)相機(jī)異步觸發(fā)功能、快門速度等進(jìn)行理論計(jì)算，最好的方法還是通過軟件進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。3.鏡頭與相機(jī)選擇考慮因素③相機(jī)與圖像采集卡的匹配：視頻信號(hào)的匹配：對(duì)于黑白模擬信號(hào)相機(jī)來說有兩種格式，CCIR和RS170(EIA)，通常采集卡都同時(shí)支持這兩種相機(jī)；分辨率的匹配：每款板卡都只支持某一分辨率范圍內(nèi)的相機(jī)；特殊功能的匹配：如要使用相機(jī)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(jī)同時(shí)拍照，這個(gè)采集卡就必須支持多通道，如果相機(jī)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(jī)與板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、GIGE、CoxPress、USB3.0等。4.工作站中的機(jī)器視覺綜合光源顏色、鏡頭與相機(jī)選擇的方法，工作站選用白色環(huán)形光源，它對(duì)