機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是一種模擬人類視覺(jué)功能，通過(guò)光學(xué)裝置和非接觸式傳感器獲取圖像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析和處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的識(shí)別、測(cè)量、檢測(cè)和定位等功能的智能化系統(tǒng)。其目的是讓機(jī)器能夠理解和解釋視覺(jué)信息，從而做出決策或執(zhí)行任務(wù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，機(jī)器視覺(jué)是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。

一、機(jī)器視覺(jué)的四大功能

識(shí)別、測(cè)量、檢測(cè)和定位。

二、什么是工業(yè)相機(jī)

工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。其成像原理與小孔成像類似，但更為復(fù)雜。當(dāng)被攝物體反射的光線通過(guò)工業(yè)鏡頭折射后，會(huì)投射到相機(jī)的感光傳感器上，這個(gè)感光傳感器通常是電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。

工業(yè)相機(jī)的組成主要包括圖像傳感器、鏡頭、處理器、接口和機(jī)身。

三、成像原理

電荷進(jìn)行量化操作。就需要一個(gè)精密的器件來(lái)完成這兩個(gè)過(guò)程。我們常用的(Sensor)是CCD

和CMOS。

CCD ( Charge Coupled Device )電荷藕合器件圖像傳感器CCD，它集成在高感光度的半導(dǎo)體單晶材料 上，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。 CCD由許多感光單位組成，通常以百萬(wàn)像素為單位。當(dāng)CCD表面受到 光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位 所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫(huà)面。

CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，它集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上。

四、相機(jī)參數(shù)

主要參數(shù)計(jì)算

（1）分辨率（Resolution）

定義：相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)，由相機(jī)所采用的感光芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量（即像素?cái)?shù)）。

影響：在采集圖像時(shí)，相機(jī)的分辨率對(duì)圖像質(zhì)量有很大的影響。在對(duì)同樣大的視場(chǎng)（景物范圍）成像時(shí)，分辨率越高，對(duì)細(xì)節(jié)的展示越明顯。

表示方法：通常面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)數(shù)字表示，如1920（H）x1080（V），前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有1920個(gè)像元；后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即1080行。線陣相機(jī)的分辨率通常表示多少K，如1K（1024）、2K（2048）、4K（4096）等。

總像素?cái)?shù) = 水平像素?cái)?shù)×垂直像素?cái)?shù)

例如：1920×1080 = 2,073,600 像素（約200萬(wàn)像素）

（2）像素深度（Pixel Depth）

定義：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般用多少比特位表示。

影響：像素深度決定了圖像灰階的豐富程度。比特位數(shù)越多，表達(dá)圖像細(xì)節(jié)的能力越強(qiáng)，灰階值更加豐富、分得更細(xì)。但數(shù)據(jù)量也越大，可能影響系統(tǒng)的圖像處理速度。

常見(jiàn)值：一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)還會(huì)有10Bit、12Bit、14Bit等。

（3）最大幀率/行頻（Frame Rate/Line Rate）

定義：相機(jī)采集傳輸圖像的速率。

表示方法：通常幀率是相對(duì)于面陣工業(yè)相機(jī)來(lái)說(shuō)的，單位是fps（Frame Per Second），如181fps，即相機(jī)每秒內(nèi)最多可采集181幀圖像。行頻是相對(duì)于線陣工業(yè)相機(jī)來(lái)說(shuō)的，單位是kHz，如80kHz，即相機(jī)每秒內(nèi)最多可采集80000行圖像數(shù)據(jù)。

影響：幀率/行頻越高，相機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)采集的圖像數(shù)量越多，適用于需要快速捕捉動(dòng)態(tài)圖像的場(chǎng)景。

計(jì)算方法：幀率=3×目標(biāo)速度/橫向視野；行頻=運(yùn)動(dòng)速度/實(shí)際精度=運(yùn)動(dòng)速度×分辨率/視野。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景中物體運(yùn)動(dòng)速度來(lái)確定所需幀率。假設(shè)物體運(yùn)動(dòng)速度為V（單位：mm/s），相機(jī)曝光時(shí)間為T（單位：s），在曝光時(shí)間內(nèi)物體移動(dòng)的距離不能超過(guò)一個(gè)像素尺寸P（單位：mm），則幀率F可由下式計(jì)算：F=1/T，其中T≤P/V。

（4） 曝光方式和快門速度（Exposure and Shutter Speed）

曝光方式：對(duì)于線陣相機(jī)，通常是逐行曝光的方式；面陣相機(jī)則有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見(jiàn)方式。

快門速度：一般可到10微秒，高速相機(jī)還可以更快?？扉T速度越快，相機(jī)捕捉圖像的能力越強(qiáng)，適用于光線變化快或運(yùn)動(dòng)物體拍攝的場(chǎng)景。

（5）像元尺寸（Pixel Size）

定義：像元是組成數(shù)字化影像的最小單元，像元尺寸大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機(jī)靶面的大小。

常見(jiàn)值：工業(yè)相機(jī)像元尺寸一般為3μm~14μm。

影響：像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多，圖像質(zhì)量可能越高。但像元尺寸越小，制造難度越大。

計(jì)算：與分辨率和相機(jī)傳感器尺寸相關(guān)。例如已知傳感器的尺寸為Sa×Sb（水平尺寸×垂直尺寸，單位為mm），相機(jī)分辨率為Na×Nb，則像素尺寸P（假設(shè)像素為正方形）為：P=Sa×1000/Na=Sb×1000/Nb。

（6）光譜響應(yīng)特性（Spectral Range）

定義：指該像元傳感器對(duì)不同光波的敏感特性。

常見(jiàn)范圍：一般響應(yīng)范圍是350nm~1000nm。一些相機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線。如果系統(tǒng)需要對(duì)紅外感光，可去掉該濾鏡。

（7）接口類型（Interface Type）

常見(jiàn)類型：有Camera Link接口、以太網(wǎng)接口、1394接口、USB接口輸出等。目前最新的接口有CoaXPress接口。

影響：接口類型決定了相機(jī)與圖像處理系統(tǒng)或其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。選擇合適的接口類型可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和速度。

（8）傳感器尺寸

定義：相機(jī)傳感器的物理尺寸，通常以英寸（如1/2.3"）或毫米（如12.8mm×9.6mm）表示。

計(jì)算方法：

傳感器尺寸通常由制造商提供，但可以通過(guò)像素尺寸和分辨率推算：

傳感器寬度 = 水平像素?cái)?shù)×像素尺寸

傳感器高度 = 垂直像素?cái)?shù)×像素尺寸

（9）其他參數(shù)

動(dòng)態(tài)范圍：描述每個(gè)像素能夠分辨出的灰度等級(jí)。寬動(dòng)態(tài)范圍能夠使場(chǎng)景中亮場(chǎng)和暗場(chǎng)部分的細(xì)節(jié)同時(shí)被清晰的記錄下來(lái)。

噪聲：感光器件（CMOS/CCD）接收光線信號(hào)并輸出的過(guò)程中所產(chǎn)生的圖像中的粗糙部分。工業(yè)相機(jī)的噪聲是指成像過(guò)程中不希望被采集到的、實(shí)際成像目標(biāo)外的信號(hào)。

根據(jù)歐洲機(jī)器視覺(jué)協(xié)會(huì)（EMVA）的EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)，相機(jī)噪聲總體上分為由有效信號(hào)帶來(lái)的散粒噪聲和相機(jī)本身固有的與信號(hào)無(wú)關(guān)的噪聲兩類。

信噪比：輸出信號(hào)中有用信號(hào)和噪聲的比（dB）。

像素深度：數(shù)字相機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，即像元灰度值，具有特殊的比特位數(shù)，稱為像元深度。對(duì)于黑白相機(jī)，這個(gè)值通常是8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數(shù)。例如，對(duì)于8bit的相機(jī)0代表全暗而255代表全亮。決定了圖像的色彩范圍和灰度級(jí)別。高像素深度相機(jī)能提供更豐富的色彩和更精細(xì)的灰度變化。

像元尺寸：像元的尺寸是每個(gè)像素的面積，也就是像元大小。像元尺寸大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機(jī)靶面的大小。

精度：檢測(cè)的精準(zhǔn)度，每個(gè)像素代表的實(shí)際物理尺寸。精度=單方向市場(chǎng)大小/相機(jī)單方向分辨率。

數(shù)據(jù)接口：在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)中，當(dāng)前工業(yè)相機(jī)的數(shù)據(jù)接口主要有GigE、USB3.0、CoaXPress、Cameralink、HSLink、10GigE，還有退居二線的IEEE 1394、USB2.0、LVDS、RS422、SDI等。
1）GigE：帶寬可達(dá)到1000 Mbps，不需中繼器最遠(yuǎn)可傳輸100米。
2）Cameralink：支持速率達(dá)2.3Gb/s。
3）USB3.0：最大信號(hào)傳輸速率可達(dá)5 Gbits/s。實(shí)際傳輸速率可達(dá)到+350MB/s。
4）CoaXPress：一種非對(duì)稱的高速串行通信數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，一根電纜最高傳輸率可達(dá)6.25Gb/s，傳輸距離可達(dá)100米。
5）HSLink：最大帶寬可達(dá)6000MB/s，支持即插即用。
6）10GigE：俗稱萬(wàn)兆網(wǎng)，帶寬可達(dá)到10000 Mbps，最遠(yuǎn)可傳輸100米。

五、相機(jī)分類

按圖像傳感器類型：分為 CCD工業(yè)相機(jī)和 CMOS工業(yè)相機(jī)。

按輸出色彩：分為彩色工業(yè)相機(jī)和黑白（單色）工業(yè)相機(jī)。

按掃描方式：面陣工業(yè)相機(jī)和線陣工業(yè)相機(jī)。

按輸出信號(hào)方式分：模擬工業(yè)相機(jī)、數(shù)字工業(yè)相機(jī)。

按響應(yīng)頻率范圍分：可見(jiàn)光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。

按照光譜波段數(shù)量來(lái)分，可分為高光譜相機(jī)和多光譜相機(jī)。

六、選型要點(diǎn)

工業(yè)相機(jī)選型時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

1. 分辨率的選擇。首先根據(jù)目標(biāo)物體的精度要求選擇分辨率。其次看工業(yè)相機(jī)的輸出，若是用機(jī)器軟件分析識(shí)別，分辨率越高越有幫助；若是需要視頻輸出至顯示器上觀察，則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；若是需要將圖像實(shí)時(shí)保存下來(lái)，還需要綜合服務(wù)器的存儲(chǔ)速率來(lái)考慮工業(yè)相機(jī)的分辨率。

2. 與鏡頭的匹配。傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭的靶面尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉(zhuǎn)接口）；

3. 相機(jī)幀數(shù)選擇。當(dāng)被測(cè)物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)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。

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。