機(jī)器視覺的硬件中，光源為視覺系統(tǒng)提供足夠的照度，鏡頭將被測(cè)場(chǎng)景中的目標(biāo)成像到視覺傳感器（CCD）的靶面上，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，圖像采集卡將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字圖像信息。

即把每一點(diǎn)的亮度轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶燃?jí)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)為一幅或多幅圖像；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像存儲(chǔ)、處理，并給出測(cè)量結(jié)果和輸出控制信號(hào)。

一、鏡頭技術(shù)

鏡頭是集聚光線，使成像單元能獲得清晰影像的結(jié)構(gòu)。

光學(xué)鏡頭目前有監(jiān)控級(jí)和工業(yè)級(jí)兩種，監(jiān)控級(jí)鏡頭主要適用于圖像質(zhì)量不高、價(jià)格較低的應(yīng)用場(chǎng)合；工業(yè)級(jí)鏡頭由于圖像質(zhì)量好、畸變小、價(jià)格高，主要應(yīng)用于工業(yè)零件檢測(cè)和科學(xué)研究等應(yīng)用場(chǎng)合。

視場(chǎng)角和焦距是光學(xué)鏡頭最重要的技術(shù)參數(shù)，濾光鏡的使用也是鏡頭技術(shù)的重要組成部分。

1.光圈（Aperture）

一般用口徑系數(shù)f表示，指鏡頭口徑與焦距之比，f/2.8即指1:2.8。

2.景深（Depth of Field）

在焦點(diǎn)前后各有一個(gè)容許彌散圓，這兩個(gè)彌散圓之間的距離就叫景深，即：在被攝主體(對(duì)焦點(diǎn))前后，其影像仍然有一段清晰范圍的，就是景深。

3.分辨力

指能分清楚物體的能力，單位LP/mm（Line pairs/Milimeter） 。

4.數(shù)值孔徑（Numerical Aperture）

5.調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function）

MTF好的鏡頭有利于低對(duì)比度景物的再現(xiàn)，拍出的圖像層次豐富、細(xì)節(jié)明顯、質(zhì)感細(xì)膩。

6.視場(chǎng)角

7.焦距

鏡頭焦距的長(zhǎng)短決定著視場(chǎng)角的大小，焦距越短，視場(chǎng)角就越大，觀察范圍也越大，但遠(yuǎn)物體不清楚；

焦距越長(zhǎng)，視場(chǎng)角就越小，觀察范圍也越小，很遠(yuǎn)的物體也能看清楚，短焦距的光學(xué)系統(tǒng)比長(zhǎng)焦距的光學(xué)系統(tǒng)有更佳聚集光的能力。

自動(dòng)調(diào)焦相機(jī)的調(diào)焦利用電子測(cè)距器自動(dòng)進(jìn)行，當(dāng)采集圖片時(shí)，根據(jù)被攝目標(biāo)的距離，電子測(cè)距器可以把前后移動(dòng)的鏡頭控制在相應(yīng)的位置上，或旋轉(zhuǎn)鏡頭至需要位置，使被攝目標(biāo)成像達(dá)到最清晰。

8.濾光鏡

能按照規(guī)定的需要改變?nèi)肷涔獾墓庾V強(qiáng)度分布或使其偏振狀態(tài)發(fā)生變化。

二、攝像機(jī)技術(shù)

攝像機(jī)是獲取圖像的前端采集設(shè)備，它以面陣 CCD 或CMOS圖像傳感器為核心部件，外加同步信號(hào)產(chǎn)生電路、視頻信號(hào)處理電路及電源等組合而成。

它是機(jī)器視覺系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。

攝像機(jī)采集圖像質(zhì)量的好壞直接影響后期圖像處理的速度與效果。所以選取一個(gè)各項(xiàng)指標(biāo)符合要求的攝像機(jī)至關(guān)重要。

1.圖像傳感器

CCD攝像機(jī)：（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）:感光像元在接收輸入光后，產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，形成輸出電壓。

分為線陣和面陣兩種。性價(jià)比高，受到廣泛應(yīng)用。

CMOS攝像機(jī)：（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）:體積小、耗電少、價(jià)格低，在光學(xué)分辨率、感光度、信噪比和高速成像等已超過CCD。

2.傳感器

機(jī)器視覺領(lǐng)域的相機(jī)分辨率就是其能夠拍攝最大圖片的面積，通常以像素為單位，分辨率越大，圖片的面積越大，文件（容量)也越大。

通常分辨率表示成每一個(gè)方向上的像素?cái)?shù)量，比如640×480，那它的分辨率就達(dá)到了307200像素，也就是常說的30萬(wàn)像素。

3.幀速

幀速指視頻畫面每秒鐘傳播的幀數(shù)，用于衡量視頻信號(hào)傳輸?shù)乃俣?，單位為?秒（fps）。?

動(dòng)態(tài)畫面實(shí)際上是由一幀幀靜止畫面連續(xù)播放而成的，機(jī)器視覺系統(tǒng)必須快速采集這些畫面并將其顯示在屏幕上才能獲得連續(xù)運(yùn)動(dòng)的效果。

采集處理時(shí)間越長(zhǎng)，幀速就越低，如果幀速過低的話畫面就會(huì)產(chǎn)生停頓、跳躍的現(xiàn)象。一般對(duì)于機(jī)器視覺系統(tǒng)來說，每秒60幀較為理想。

4.智能相機(jī)

智能相機(jī)（Smart Camera）是一種高度集成化的微小型機(jī)器視覺系統(tǒng)。

它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺系統(tǒng)。

同時(shí)，由于應(yīng)用了最新的DSP/GPU、FPGA及大容量存儲(chǔ)技術(shù)，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機(jī)器視覺的應(yīng)用需求。

5.相機(jī)接口

?CameraLink 接口：專為機(jī)器視覺的高端應(yīng)用設(shè)計(jì)，高速度，高分辨率，抗噪性好。

?IEEE 1394（FireWire）接口：即插即用串行接口，可同時(shí)支持63個(gè)像機(jī)，每個(gè)相距4.5米，最遠(yuǎn)可達(dá)72米。支持800Mbits/s甚至3200Mbits/s的傳輸速度。

?USB 接口：是一種應(yīng)用非常普遍的串型接口 。傳輸速率可達(dá)480Mbits/s，可供多達(dá)127個(gè)設(shè)備同時(shí)使用。

?Gigabit Ethernet 接口：基于網(wǎng)絡(luò)連接協(xié)議Ethernet，即插即用 ，數(shù)據(jù)連續(xù)高速傳輸。

6.光源技術(shù)

光源是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中十分重要。

光源的主要功能是以合適的方式將光線投射到待測(cè)物體上，突出待測(cè)特征部分對(duì)比度。好的光源能夠改善整個(gè)系統(tǒng)的分辨率，減輕后續(xù)圖像處理的壓力。?

對(duì)于不同的檢測(cè)對(duì)象，必須采用不同的照明方式才能突出被測(cè)對(duì)象的特征，有時(shí)可能需要采取幾種方式的結(jié)合，而最佳的照明方法和光源的選擇往往需要大量的試驗(yàn)才能找到。

常見分類為前光源、背光源、環(huán)形光源、點(diǎn)光源、可調(diào)光源。

(1)環(huán)形光源

環(huán)形光源的特點(diǎn)如下。

?可將不同照射角度、不同顏色的光源組合，從而突出物體的三維信息。

?采用高密度LED陣列設(shè)計(jì)，亮度較高。

?多種緊湊設(shè)計(jì)，可節(jié)省安裝空間。

?可解決對(duì)角照射的陰影問題。

?可選用漫射板導(dǎo)光，光線均勻擴(kuò)散。

環(huán)形光源可應(yīng)用于PCB基板檢測(cè)、芯片檢測(cè)、顯微鏡照明、液晶校正、塑膠容器檢測(cè)、集成電路的印字檢查等場(chǎng)景中。

(2)背光源

采用高密度LED陣列設(shè)計(jì)，可提供高強(qiáng)度的背光照明，并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)。

背光源分為多種，如紅白兩用背光源、紅藍(lán)兩用背光源等。通過調(diào)配出不同的顏色，可滿足不同被測(cè)物的多色要求。

可應(yīng)用在機(jī)械零件尺寸的測(cè)量、電子元件的檢測(cè)、芯片的外形檢測(cè)、膠片污點(diǎn)的檢測(cè)、透明物體的劃痕檢測(cè)等場(chǎng)景中。

(3)條形光源

條形光源是較大被測(cè)物的首選光源，顏色可根據(jù)需求搭配、自由組合，照射角度可調(diào)。

可應(yīng)用于金屬表面檢查、圖像掃描、表面裂縫檢測(cè)、液晶顯示器面板檢測(cè)等場(chǎng)景中。

(4)同軸光源

同軸光源可以消除因物體表面不平整而引起的陰影，從而減少干擾。其特點(diǎn)如下

?采用分光鏡設(shè)計(jì)，可減少光損失、提高成像的清晰度。

?可均勻照射物體表面。

?同軸光源可應(yīng)用于反射度極高的物體表面劃傷檢測(cè)(如金屬、玻璃、膠片、晶片等)芯片和硅晶片的破損檢測(cè)、Mark 點(diǎn)定位、條碼識(shí)別等場(chǎng)景中。

(5)點(diǎn)光源

點(diǎn)光源的特點(diǎn)如下

?功率大、體積小、發(fā)光強(qiáng)度高。

?作為鹵素?zé)舻奶娲?，非常適合作為鏡頭的同軸光源。

?具有高效散熱裝置，大大提高了光源的使用壽命。

?點(diǎn)光源可應(yīng)用于芯片檢測(cè)、Mark 點(diǎn)定位、晶片及液晶玻璃的基底校正等場(chǎng)景中。

(6)碗狀光源(球積分光源)

碗狀光源可均勻反射從底部發(fā)出的光線，從而使整個(gè)圖像的亮度均勻。

可應(yīng)用于曲面表面的檢測(cè)、凹凸表面的檢測(cè)、弧形表面的檢測(cè)，以及金屬、玻璃等表面反光較強(qiáng)的物體表面檢測(cè)場(chǎng)景中。

三、圖像采集卡（Image Capture Card）

又稱圖像捕捉卡，是一種可以獲取數(shù)字化視頻圖像信息，并將其存儲(chǔ)和播放出來的硬件設(shè)備。

很多圖像采集卡能在捕捉視頻信息的同時(shí)獲得伴音，使音頻部分和視頻部分在數(shù)字化時(shí)同步保存、同步播放。

編輯：黃飛

?