机器视觉

定义 机器视觉主要利用计算机模拟人的视觉功能，但不仅限于人眼的简单延伸，而是具备人脑的部分功能，即从客观事物的图像中提取信息、进行处理并加以理解，从而应用于实际的检测识别、测量和控制过程。

机器视觉系统组成

机器视觉系统主要分为三部分：机器、视觉和系统。其中，机器负责执行机械运动控制；视觉部分通过照明光源、工业镜头、工业相机、图像采集卡等组件实现图像的获取；系统部分主要指软件（包括算法和交互界面），也可以理解为一套完整的机器视觉设备。

机器视觉应用场景及功能

识别检测

1. 识别 ：确定一个产品（如零件、对象或目标）属于预设范围内何种类别。
2. 检测 ：判断一个产品（如零件、对象或目标）是否偏离预设的一组标准。

应用领域 机器视觉的应用涵盖了国民经济的众多行业，包括工业制造、农业、医药、军事、航天、气象、天文、公共安全等领域。

机器视觉分类

根据结构，机器视觉系统可分为板卡式系统和嵌入式系统。

机器视觉系统优势

1. 提升生产系统的柔性和自动化程度。
2. 在危险工作环境或人工视觉难以胜任的情况下，用机器视觉替代人工视觉。
3. 在大规模工业生产中，机器视觉检测相较于人工检查能显著提升效率和准确性。
4. 实现产品在线的测量、引导、检测和识别。

工业相机选型

工业相机，又称摄像机，相比民用相机，具有更高的图像稳定性、传输能力和抗干扰性。当前市场上的工业相机多基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片。

CCD相机 CCD是机器视觉应用中最常见的图像传感器。它集光电转换、电荷存储、电荷转移及信号读取于一体，是一种典型的固体成像器件。其特点在于以电荷作为信号，而非电流或电压。这类器件通过光电转换产生电荷包，随后在驱动脉冲作用下转移并放大输出图像信号。

典型的CCD相机包含光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路等组成部分。与真空管相比，CCD具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器 CMOS图像传感器的研发始于20世纪70年代初，至90年代初期，随着超大规模集成电路(VLSI)制造工艺的进步，CMOS图像传感器得以迅速发展。该传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成于单一芯片上，且具有局部像素的编程随机访问能力。

当前，CMOS图像传感器凭借优秀的集成性、低功耗、高速传输以及宽动态范围等特性，在高分辨率和高速应用中得到广泛应用。

工业相机分类

工业相机可根据以下标准分类：

• 芯片类型 ：CCD相机、CMOS相机。
• 传感器结构 ：线阵相机、面阵相机。
• 分辨率 ：普通分辨率相机、高分辨率相机。
• 输出色彩 ：单色（黑白）相机、彩色相机。
• 输出信号速度 ：普通速度相机、高速相机。
• 响应频率范围 ：可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。

工业相机与普通相机的区别

1. 工业相机具有稳定的性能、易于安装、结构坚固耐用、连续工作时间长，能在恶劣环境下使用，这些特性是普通数码相机无法比拟的。
2. 工业相机具有极短的快门时间，能够捕捉高速移动物体的清晰影像。例如，将名片贴在快速旋转的电风扇叶片上，设置适当的快门时间，工业相机能清晰拍摄到名片上的文字，而普通相机无法达到同样效果。
3. 工业相机的图像传感器生产工艺复杂，良品率低，产量小，全球仅少数公司如Dalsa、Sony等能够提供，且价格较高。
4. 工业相机的帧率远高于普通相机，每秒可拍摄十幅至数百幅图片，而普通相机仅能拍摄2-3幅图像。
5. 工业相机输出未经压缩的原始数据（raw data），光谱范围通常较宽，适用于高质量图像处理算法，如机器视觉应用。相比之下，普通相机拍摄的图片经过MJPEG压缩，光谱范围仅适应人眼视觉，图像质量较低，不利于分析处理。
6. 价格方面，工业相机比普通相机更为昂贵。

如何选择工业相机

选择依据

1. 根据应用需求选择CCD或CMOS相机。CCD工业相机常用于运动物体的图像捕获，如贴片机的机器视觉应用，随着CMOS技术发展，部分贴片机也开始采用CMOS工业相机。在视觉自动检查方案或行业中，CCD工业相机应用较为普遍，而CMOS工业相机因成本低、功耗低，应用也越来越广泛。
2. 分辨率选择 ：首要考虑待观察或测量物体的精度要求。相机单方向分辨率计算公式为：单方向分辨率 = 单方向视野范围 / 理论精度。如单视野为5mm，理论精度为0.02mm，则单方向分辨率 = 5 / 0.02 = 250。为保证系统稳定性，一般不以一个像素单位对应一个测量/观察精度值，通常选择倍数4或更高。如此计算，该相机单方向分辨率应为1000，选用130万像素相机已足够。
3. 帧率选择 ：当被测物体有运动需求时，应选择帧率高的工业相机。通常，分辨率越高，帧率越低。

相关术语解析

• 像素 、 分辨率 ：两者本质上是同一概念的不同表述方式。像素值即分辨率中横向和纵向数值的乘积。
• dpi （dots per inch）和 ppi （Pixels Per Inch）：同样是表示图像密度的一个概念的两种表达方式。

举例说明，一张照片分辨率800×600，其像素总数即为48万。像素值越大，单位面积内包含的像素越多，物体重建的图像越清晰。

像素与dpi之间的转换关系，以1mm为基准，1mm约等于0.03937英寸。以600dpi为例，1mm相当于约23.6个像素。

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