1.机器视觉系统简介

机器视觉系统是基于机器视觉技术为机器或自动化生产线建立的一套数据系统。机器视觉系统部件主要包括光源、工业摄像机、图像采集卡、镜头、图像处理设备等，如下图所示。

2.机器视觉系统硬件选型

2.1 相机

视觉行业所用的相机为工业相机，相比于传统的民用相机而言，具有较高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰性能力等，目前工业上所用的工业相机主要是基于CCD或CMOS芯片的相机。

2.1.1 相机参数

如果要选择合适的相机，首先要了解相机的一些基本参数。

相机参数	参数解释
分辨率（Resolution）	相机每次采集图像的像素点（Pixels）
像素深度（Pixel Depth）	每个像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字工业相机还有10Bit，12Bit等
像元尺寸（Pixel Size）	像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。目前数字相机像元尺寸一般为3μm~10μm。
帧率（Frame Rate）	相机采集传输图像的速率。对于面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec），对于线阵相机一般为每秒采集的行数（HZ）。

2.1.2 相机分类

工业相机的分类如下表所示。

工业相机分类	分类1	分类2
按芯片类型	CCD相机	CMOS相机
按扫描方式	隔行扫描相机	逐行扫描相机
按传感器结构特性	线阵相机	面阵相机
按输出图像颜色	单色相机	彩色相机
按输出信号	模拟相机	数字相机

2.1.3 相机选型

①根据应用不同选取CCD相机或CMOS相机
1）CCD相机主要应用于运动物体的图像摄取
2）CMOS相机成本较低，功耗较低
②根据分辨率不同进行选择
首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率。
相机像素精度 = 单方向视野范围大小 / 相机单方向分辨率相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率相机单方向分辨率 = 单方向视野范围大小 / 相机像素精度相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/相机像素精度相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/相机像素精度
为了增加系统稳定性，不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值，一般会选择倍数4或者更高。
e.g.单视野为5mm，理论精度为0.02mm，则单方向分辨率为5/0.02=250，选择4倍数作为单相机单方向分辨率为250*4=1000，选用130W像素已经足够。
③根据相机输出选择
④考虑与镜头的匹配
⑤考虑相机帧数的选择

2.2 镜头

镜头基本功能是实现光束变换，在机器视觉系统中镜头的主要作用是将目标成像在传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理的选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。

2.2.1 镜头参数

镜头参数	参数解释
分辨率（Resolution）	图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸，在大多数情况下，视野越小，分辨率越高。
视场（FOV）	也称视野范围，指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分
工作距离（WD）	指从镜头前部到受检验物体的距离，即清晰成像的表面距离
景深（DOV）	物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力
感光芯片尺寸	相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸
焦距（f）	光学系统中衡量光的聚集或者发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚焦的焦点之间的距离，也是镜头中心到底片或CCD等成像平面的距离。
畸变	受制作工艺的影响，镜头存在直线弯曲、桶形或枕形失真

2.2.2 镜头分类

镜头的分类如下表所示。

镜头分类	分类1	分类2	分类3
按功能	定焦镜头	变焦镜头	定光圈镜头
按视角	普通镜头	广角镜头	远摄镜头
按用途	微距镜头	运心镜头	CCTV镜头

2.2.3 镜头选型

①根据客户需求
②根据镜头接口
③是否需要远心镜头

2.3 光源

机器视觉系统中最关键的一个环节就是照明，机器视觉的光源直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。

2.3.1 光源类型

光源的分类如下表所示。

光源类型	类型说明
环形光源	提供不同的照射角度、不同的颜色组合，更能突出物体的三维信息
背光源	用高密度LED阵列面提供高强度背光照明，能突出物体的外形轮廓特征，尤其适合显微镜的载物台。
条形光源	条形光源是较大方形结构被测物的首选光源
同轴光源	同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰，部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。
线性光源	超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。
点光源	大功率LED，体积小，发光强度高，适合作为镜头的同轴光源

2.3.2 光源选型

①了解产品需要检测的特征点面积大小，选择合适尺寸的光源
②了解产品的特性，选择不同类型的光源
③了解产品的材质，选择不同颜色的光源
④了解安装空间和其他可能产生的障碍，选择合适的光源
不同光源类型的选择要领如下表所示

光源类型	选择要领
环形光源	①了解光源安装距离，过滤到某些角度光源 ②目标面积小，且主要特征在表面中间 ③目标需要检测的特征在边缘 ④ 表面划伤
背光源/平行背光源	①背光源四周由于外壳遮挡，亮度会低于中间部位，因此要尽量不要使被测物体位于边缘 ②背光源一般在检测轮廓时，尽量使用波长短的光源，衍射性弱，不易产生重影，对比度更高 ③检测液位可以将背光源侧立 ④ 圆轴类、螺旋状的产品尽量使用平行背光源
条形光源	① 条形光源照射宽度最好大于检测距离 ② 如果照明物体是高反光物体，最好加上漫射板，如果是黑色则不需要
同轴光源	① 选择同轴光主要看其发光面积，根据目标大小选择 ② 同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍，因为同轴光的光路设计是让光路通过一片45度半反半透镜，光源靠近灯板的地方会比远离灯板的亮度高，因此尽量选择大一点发光面，避免光线左右不均匀 ③ 同轴光在安装时不要离目标太高，不然越高，同轴光越大才能保证均匀。

2.4 图像采集卡

**图像采集卡（Frame Graber）：**图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的工程，叫做采集、数字化。
**A/D转换：**视频量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字信号的过程，即A/D转换。视频信号的量化处理是图像采集处理的重要组成部分。

图像采集卡附加功能：
①相机触发功能 ②灯源控制功能 ③基本IO功能
④相机复位功能 ⑤相机时序输出功能

2.4.1 图像采集卡种类

图像采集卡的分类如下表所示。

图像采集卡分类	分类1	分类2
按输入信号类型	模拟图像采集卡	数字图像采集卡
按功能区分	单纯功能图像采集卡	集成图像处理功能采集卡

2.4.2 图像采集卡取

①根据视频信号接口
②根据数据采集能力
③根据软件开发包
④根据技术支持能力
⑤品牌及产品线

总结

想要获取一幅好的图像，就需要根据实际情况选择合适的硬件！
①选择合适像素的相机
②与相机像素接近分辨率的镜头
③适应拍摄特征的光源
④尽量以光源的亮度作为首要介质
⑤减少外界光干扰

写在最后

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