機器視覺，就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號;圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

視覺系統組成部分：

1.照明光源

2.鏡頭

3.工業攝像機

4.圖像采集/處理卡

5.圖像處理系統

6.其它外部設備

一、相機篇

工業相機又俗稱攝像機，相比于傳統的民用相機（攝像機）而言，它具有高的圖像穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，目前市面上工業相機大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機。

其中，CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。

CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉換形成電荷包，而后在驅動脈沖的作用下轉移、放大輸出圖像信號。

典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步信號發生器、垂直驅動器、模擬/數字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優點。

CMOS圖像傳感器的開發則最早出現在20世紀70 年代初，90 年代初期，隨著超大規模集成電路 （VLSI） 制造工藝技術的發展，CMOS圖像傳感器得到迅速發展。

CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優點。

目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應用。

分類：

任何東西一定有它自己的分類標準，工業相機也不例外。

按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機;

按照傳感器的結構特性可以分為線陣相機、面陣相機;

按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機;

按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機、高分辨率相機;

按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數字相機;

按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機;

按照輸出信號速度可以分為普通速度相機、高速相機;

按照響應頻率范圍可以分為可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機等。

區別：

1、性能穩定可靠易于安裝，相機結構緊湊結實不易損壞，連續工作時間長，可在較差的環境下使用，一般的數碼相機是做不到這些的。例如：讓民用數碼相機一天工作24小時或連續工作幾天肯定會受不了的。

2、快門時間非常短，可以抓拍高速運動的物體。例如，把名片貼在電風扇扇葉上，以最大速度旋轉，設置合適的快門時間，用工業相機抓拍一張圖像，仍能夠清晰辨別名片上的字體。用普通的相機來抓拍，是不可能達到同樣效果的。

3、圖像傳感器是逐行掃描的，而普通的相機的圖像傳感器是隔行掃描的， 逐行掃描的圖像傳感器生產工藝比較復雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數公司能夠提供這類產品，例如Dalsa、Sony，而且價格昂貴。

4、幀率遠遠高于普通相機。工業相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機只能拍攝2-3幅圖像，相差較大。

5、輸出是裸數據（raw data），其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進行高質量的圖像處理算法，例如機器視覺（Machine Vision）應用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經過了mjpeg壓縮，圖像質量較差，不利于分析處理。

6、相對普通相機（DSC）來說價格較貴。

如何選擇：

1、根據應用的不同分別選用CCD或CMOS相機CCD工業相機主要應用在運動物體的圖像提取，如貼片機機器視覺，當然隨著CMOS技術的發展，許多貼片機也在選用CMOS工業相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD工業相機比較多。CMOS工業相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。

2、分辨率的選擇首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據精度選擇分辨率。相機像素精度=單方向視野范圍大小/相機單方向分辨率。則相機單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。若單視野為5mm長，理論精度為0.02mm，則單方向分辨率=5/0.02=250。然而為增加系統穩定性，不會只用一個像素單位對應一個測量/觀察精度值，一般可以選擇倍數4或更高。這樣該相機需求單方向分辨率為1000，選用130萬像素已經足夠。

其次看工業相機的輸出，若是體式觀察或機器軟件分析識別 ，分辨率高是有幫助的;若是VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴于顯示器的分辨率，工業相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的;利用存儲卡或拍照功能，工業相機的分辨率高也是有幫助的。

3、與鏡頭的匹配傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉接口）。

4、相機幀數選擇當被測物體有運動要求時，要選擇幀數高的工業相機。但一般來說分辨率越高，幀數越低。

二、鏡頭篇

鏡頭的基本功能就是實現光束變換（調制），在機器視覺系統中，鏡頭的主要作用是將成像目標在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質量直影響到機器視覺系統的整體性能，合理地選擇和安裝鏡頭，是機器視覺系統設計的重要環節。

基礎知識：

1、鏡頭匹配

大家如何選擇合適鏡頭，鏡頭選配時需要選擇與攝像機接口和CCD的尺寸相匹配的鏡頭。鏡頭C和CS的接口方式占主流。小型的安防用的CS接口攝像機得到普及、FA行業則大部分是C接口的攝像機與鏡頭的組合。對應的CCD尺寸、市場上一般根據用途使用2/3寸到1/3寸的產品。

2、互換性

C接口鏡頭可以與C接口攝像機、CS接口攝像機互用;

CS接口鏡頭不可以應用在C接口攝像機，只可以應用在CS接口攝像機。

3、KERARE

攝像機如果使用配備小CCD尺寸的鏡頭，那么周邊沒有攝取到圖像的部分呈現出黑色，我們稱其為KERARE。

4、鏡頭的作用：

將折射率不同的各種硝材通過研磨，加工成高精度的曲面、把這些鏡頭進行組合，就是設計鏡頭。從伽利略時代開始使用的普遍技術是其基本原理。為得到更清晰的圖像，一直在研究開發試制新的硝材和非球面鏡片。

三、光源篇

LED光源、鹵素燈（光纖光源）、高頻熒光燈。目前LED光源最常用，主要有如下幾個特點：

可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度;

可根據需要制成各種顏色，并可以隨時調節亮度;

通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩定;

使用壽命長;

反應快捷，可在10微秒或更短的時間內達到最大亮度;

電源帶有外觸發，可以通過計算機控制，起動速度快，可以用作頻閃燈;

運行成本低、壽命長的LED，會在綜合成本和性能方面體現出更大的優勢;

可根據客戶的需要，進行特殊設計。

LED光源按形狀通常可分為以下幾類：

1、環形光源環形光源提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維信息;高密度LED陣列，高亮度;多種緊湊設計，節省安裝空間;解決對角照射陰影問題;可選配漫射板導光，光線均勻擴散。應用領域：PCB基板檢測，IC元件檢測，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測，集成電路印字檢查。

2、背光源用高密度LED陣列面提供高強度背光照明，能突出物體。的外形輪廓特征，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。紅白兩用背光源、紅藍多用背光源，能調配出不同顏色，滿足不同被測物多色要求。應用領域：機械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片污點檢測，透明物體劃痕檢測等。

3、條形光源條形光源是較大方形結構被測物的首選光源;顏色可根據需求搭配，自由組合;照射角度與安裝隨意可調。應用領域：金屬表面檢查，圖像掃描，表面裂縫檢測，LCD面板檢測等。

4、同軸光源同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾;部分采用分光鏡設計，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應用領域：系列光源最適宜用于反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，芯片和硅晶片的破損檢測，Mark點定位，包裝條碼識別。

5、AOI專用光源不同角度的三色光照明，照射凸顯焊錫三維信息;外加漫射板導光，減少反光;不同角度組合;應用領域：用于電路板焊錫檢測。

6、球積分光源具有積分效果的半球面內壁，均勻反射從底部360度發射出的光線，使整個圖像的照度十分均勻。應用領域：合于曲面，表面凹凸，弧形表面檢測，或金屬、玻璃表面反光較強的物體表面檢測。

7、線形光源超高亮度，采用柱面透鏡聚光，適用于各種流水線連續檢測場合。應用領域：陣相機照明專用，AOI專用。

8、點光源大功率LED，體積小，發光強度高;光纖鹵素燈的替代品，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等;高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應用領域：適合遠心鏡頭使用，用于芯片檢測，Mark點定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

9、組合條形光源四邊配置條形光，每邊照明獨立可控;可根據被測物要求調整所需照明角度，適用性廣。應用案例：CB基板檢測，IC元件檢測，焊錫檢查，Mark點定位，顯微鏡照明，包裝條碼照明，球形物體照明等。

10、對位光源對位速度快;視場大;精度高;體積小，便于檢測集成;亮度高，可選配輔助環形光源。應用領域：VA系列光源是全自動電路板印刷機對位的專用光源。

四、光源的選型

1、前提信息

（1）檢測內容

外觀檢查、OCR、尺寸測定、定位

（2）對象物

想看什么？（異物、傷痕、缺損、標識、形狀等）

表面狀態（鏡面、糙面、曲面、平面）

立體？平面？

材質、表面顏色

視野范圍？

動態還是靜態（相機快門速度）

（3）限制條件

工作距離（鏡頭下端到被測物表面距離）

設置條件（照明的大小、照明下端到被測物表面的距離、反射型or透射型）

周圍環境（溫度、外亂光）

相機的種類，面陣or線陣

2、簡單的預備知識：

（1）。因材質和厚度不同、對光的透過特性（透明度）各異。

（2）。光根拠其波長之長短、對物質的穿透能力（穿透率）各異。

（3）。光的波長越長、對物質的透過力越強，光的波長越短、在物質表面的拡散率越大。

（4）。透射照明、即是使光線透射對象物、并觀察其透過光之照明手法。

3、光源：

穩定均勻的光源極其重要

目的：將被測物與背景盡量明顕區分

攝取圖像時、最重要之處是如何鮮明地獲得：被測物與背景的濃淡差

目前、在圖像處理領域中最廣范的技術手法是：二值化（白黒）處理為了能夠突出特征點，將特征圖像突出出來，在打光手法上，常用的包括有明視野與暗視野。

明視野：用直射光來觀察對象物整體（散亂光呈黒色）

暗視野：用散亂光來觀察對象物整體（直射光呈白色）具體的光源選取方法還在于試驗的實踐經驗。

審核編輯 ：李倩