由于近來DSP處理器發(fā)展非常快，已經(jīng)具備實(shí)時(shí)執(zhí)行復(fù)雜算法的計(jì)算功能，因此也使得攝像頭的在線處理成為可能。在線處理功能的攝像頭包括感應(yīng)器與DSP處理器，二者可通過非粘接邏輯、也可通過某種粘接邏輯連接。DMA 將感應(yīng)器掃描的視頻直接發(fā)送至DSP 存儲(chǔ)器，并進(jìn)行逐幀處理。控制函數(shù)的最終結(jié)果由處理器在被控制的系統(tǒng)中直接啟動(dòng)，或在主機(jī)上作為命令啟動(dòng)。

在線處理功能的攝像頭進(jìn)行視頻處理的優(yōu)勢(shì)在于，數(shù)據(jù)處理可實(shí)時(shí)進(jìn)行，而且在火線、USB 或千兆以太網(wǎng)接口上沒有分組處理的負(fù)擔(dān)。可采用字節(jié)優(yōu)化型匯編代碼，在時(shí)鐘頻率超過300 MHz的DSP處理器上加快實(shí)時(shí)處理速度。

圖像算法的實(shí)時(shí)處理對(duì)檢查應(yīng)用至關(guān)重要，例如，能夠檢查出傳送帶上移動(dòng)過快的的器件。一個(gè)幀圖像的計(jì)算完成并采取相應(yīng)行動(dòng)后，才可以繼續(xù)向系統(tǒng)傳輸下一個(gè)圖像幀。

在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境來選擇攝像頭，不管是離線處理功能的攝像頭還是在線處理功能的攝像頭，都具有各自的技術(shù)特點(diǎn)，選擇合適合理的攝像頭才能更好的體現(xiàn)出機(jī)器視覺系統(tǒng)的優(yōu)越性。

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體的英文縮寫，它將NMOS和PMOS二個(gè)相反極性的MOS半導(dǎo)體串起來，形成了集成電路中廣泛使用的一個(gè)基本單元。例如計(jì)算機(jī)中用量最大的內(nèi)存——?jiǎng)討B(tài)存儲(chǔ)器，就是用CMOS工藝制造的。

CMOS的攝像機(jī)并不比CCD攝像機(jī)出現(xiàn)的時(shí)間晚多少，CCD在六十年代末，而CMOS在七十年代初相繼開發(fā)出來，后來之所以CCD占了統(tǒng)治地位，是因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)的工藝制造技術(shù)條件下，CMOS的圖像質(zhì)量太差了。直至1990年，新工藝的發(fā)展，使開發(fā)人員再一次對(duì)CMOS產(chǎn)生了興趣，主要是看到了CMOS的低功耗、高集成(整個(gè)攝像機(jī)集成在一片晶體內(nèi))、低制造成本(基于不需重新建立新的生產(chǎn)線，可以在已有的主流的邏輯和存儲(chǔ)器CMOS流水線中進(jìn)行)。經(jīng)過大量的投入和努力，CMOS攝像機(jī)在近幾年已獲得了極大的成功，已形成了對(duì)CCD的強(qiáng)大挑戰(zhàn)。形成了CCD和CMOS二個(gè)激烈競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)展方向和陣營(yíng)。

在過去，CMOS圖像傳感器給人的印象是低端產(chǎn)品，例如商務(wù)用傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀，到今日，以娛樂為主的攝像機(jī)、手機(jī)拍攝組件，直至大紫大紅的網(wǎng)上攝像機(jī)也多為CMOS傳感器。同時(shí)，CMOS攝像機(jī)在圖像質(zhì)量上已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，即使在對(duì)圖像質(zhì)量要求較高的投影儀上也獲得了使用。

無論是CMOS還是CCD，它們都是用光敏像元陣列將入射的光圖像轉(zhuǎn)換成像元內(nèi)的電荷，所不同的是將這些像元中的電荷取出，并轉(zhuǎn)換成電壓的方式和途徑不同。CCD是用電荷量來載荷圖像信息的，而CMOS是用電壓量來載荷圖像信息的。

CMOS和CCD的工作過程如下圖所示，從圖可以看出，CCD像元將光轉(zhuǎn)換為電荷后，用電荷耦合的方法，將電荷逐點(diǎn)、逐行地用電荷移位寄存器移出，直至電荷/電壓轉(zhuǎn)換器，圖像信息用電荷的形式在芯片內(nèi)移動(dòng)輸出；而CMOS則以完全不同的方式將圖像信息送出像元陣列，從圖(b)可以看出，每一個(gè)像元光敏單元都有一個(gè)電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元與之相伴，所以像元電荷馬上轉(zhuǎn)換成為電壓，再通過與之對(duì)應(yīng)的矩陣開關(guān)，將電壓送出陣列，所以CMOS的圖像信息是以電壓的形式傳送輸出的。由于這種完全不同的結(jié)構(gòu)，為它們帶來了各自的長(zhǎng)處和短處。

CCD和CMOS工作過程示意圖

CMOS攝像機(jī)有超強(qiáng)的集成度、低功耗和小尺寸的優(yōu)勢(shì)；但在圖像質(zhì)量，特別在低照度下和靈活性方面就要遜色多了。所以CMOS適合于批量大、有空間和重量限制，而圖像質(zhì)量要求不是太高的領(lǐng)域，例如保安、生物測(cè)量?jī)x等領(lǐng)域使用，包括機(jī)器視覺系統(tǒng)中對(duì)圖像質(zhì)量要求不嚴(yán)的場(chǎng)合，例如數(shù)字或文學(xué)識(shí)別、易區(qū)分的缺陷檢測(cè)、簡(jiǎn)單物體幾何分類、簡(jiǎn)單場(chǎng)景自動(dòng)導(dǎo)航等等。

機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，人們將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

半導(dǎo)體行業(yè)是最先利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的行業(yè)，其他行業(yè)也隨之而來。作為生產(chǎn)機(jī)械的OEM的設(shè)計(jì)工程師，最基本的問題就是：“我是要檢測(cè)這個(gè)部件還是整個(gè)這個(gè)產(chǎn)品”。檢測(cè)可以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，但是也會(huì)有這樣的事實(shí)存在：檢測(cè)成本或者產(chǎn)品質(zhì)量要求并不需要這樣的檢測(cè)。比如說牙簽，假設(shè)在一個(gè)裝有500個(gè)牙簽的盒子里有一兩個(gè)不合格，大多數(shù)人都不會(huì)怎么擔(dān)心。但是對(duì)于很多產(chǎn)品，假如前面的盒子里裝的不是牙簽，而是針頭，試想不合格品可能會(huì)帶來什么樣的后果，所以產(chǎn)品功能性的檢測(cè)都是不可缺少的，即使只是外觀檢測(cè)，要證明內(nèi)在的品質(zhì)也必須要做到無缺陷。因此，為了達(dá)到這個(gè)目的，許多OEM將機(jī)器視覺應(yīng)用到他們將要賣給用戶的系統(tǒng)中。機(jī)器視覺能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)增值，表現(xiàn)在三個(gè)方面：提高生產(chǎn)效率，提高制造過程的精確性，減少成本。

那么，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)工程師來說，怎么樣才能知道機(jī)器視覺是否適合他的系統(tǒng)呢？盡管最早的最基本的機(jī)器視覺系統(tǒng)在20世紀(jì)70年代引入，工業(yè)就將其視為主流應(yīng)用。這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)工程師要考慮它是否合適他們的應(yīng)用，同時(shí)要考慮利用機(jī)器視覺檢測(cè)的成本與其所能帶來的利潤(rùn)。
高復(fù)雜度產(chǎn)品行業(yè)，比如說半導(dǎo)體行業(yè)和電子行業(yè)，由于它們的復(fù)雜性和小型化，從傳統(tǒng)上推動(dòng)著機(jī)器視覺市場(chǎng)的發(fā)展。但是如今，所有產(chǎn)業(yè)，包括自動(dòng)化、制藥、造紙等等都依靠機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測(cè)產(chǎn)品以提高產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)專家們預(yù)言：在未來的20年到50年，機(jī)器視覺將成為橫跨所有行業(yè)的通用性技術(shù)，幾乎所有出產(chǎn)的產(chǎn)品都會(huì)由機(jī)器視覺系統(tǒng)來檢測(cè)。

使用機(jī)器視覺系統(tǒng)有以下五個(gè)主要原因：

精確性——由于人眼有物理?xiàng)l件的限制，在精確性上機(jī)器有明顯的優(yōu)點(diǎn)。即使人眼依靠放大鏡或顯微鏡來檢測(cè)產(chǎn)品，機(jī)器仍然會(huì)更加精確，因?yàn)樗木饶軌蜻_(dá)到千分之一英寸。

重復(fù)性——機(jī)器可以以相同的方法一次一次的完成檢測(cè)工作而不會(huì)感到疲倦。與此相反，人眼每次檢測(cè)產(chǎn)品時(shí)都會(huì)有細(xì)微的不同，即使產(chǎn)品時(shí)完全相同的。

速度——機(jī)器能夠更快的檢測(cè)產(chǎn)品。特別是當(dāng)檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，比如說生產(chǎn)線上，機(jī)器能夠提高生產(chǎn)效率。

客觀性——人眼檢測(cè)還有一個(gè)致命的缺陷，就是情緒帶來的主觀性，檢測(cè)結(jié)果會(huì)隨工人心情的好壞產(chǎn)生變化，而機(jī)器沒有喜怒哀樂，檢測(cè)的結(jié)果自然非常可觀可靠。

成本——由于機(jī)器比人快，一臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器能夠承擔(dān)好幾個(gè)人的任務(wù)。而且機(jī)器不需要停頓、不會(huì)生病、能夠連續(xù)工作，所以能夠極大的提高生產(chǎn)效率。

一旦工程師決定使用機(jī)器視覺系統(tǒng)，就需要建立這個(gè)系統(tǒng)。其中要素包括：照明光源、工件放置（夾具）、工業(yè)鏡頭、工業(yè)相機(jī)、位置傳感器、控制邏輯、以及圖像采集卡，圖像處理軟件、技術(shù)支持。由于大多數(shù)廠商在這個(gè)領(lǐng)域都沒有經(jīng)驗(yàn)，機(jī)會(huì)來了。所以，尋找一個(gè)既了解核心技術(shù)又能為其提供系統(tǒng)所需產(chǎn)品的供應(yīng)商就成為關(guān)鍵問題。

圖1.1.1 基于PC的視覺系統(tǒng)基本組成

典型的基于PC的視覺系統(tǒng)通常由如圖1.1.1所示的幾部分組成：

①工業(yè)相機(jī)與工業(yè)鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統(tǒng)都是由一套或者多套這樣的成像系統(tǒng)組成，如果有多路相機(jī)，可能由圖像卡切換來獲取圖像數(shù)據(jù)，也可能由同步控制同時(shí)獲取多相機(jī)通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用的需要相機(jī)可能是輸出標(biāo)準(zhǔn)的單色視頻（RS-170/CCIR）、復(fù)合信號(hào)（Y/C）、RGB信號(hào)，也可能是非標(biāo)準(zhǔn)的逐行掃描信號(hào)、線掃描信號(hào)、高分辨率信號(hào)等。

②光源——作為輔助成像器件，對(duì)成像質(zhì)量的好壞往往能起到至關(guān)重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)舻榷既菀椎玫健?br /> ③傳感器——通常以光纖開關(guān)、接近開關(guān)等的形式出現(xiàn)，用以判斷被測(cè)對(duì)象的位置和狀態(tài)，告知圖像傳感器進(jìn)行正確的采集。

④圖像采集卡——通常以插入卡的形式安裝在PC中，圖像采集卡的主要工作是把相機(jī)輸出的圖像輸送給電腦主機(jī)。它將來自相機(jī)的模擬或數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流，同時(shí)它可以控制相機(jī)的一些參數(shù)，比如觸發(fā)信號(hào)，曝光/積分時(shí)間，快門速度等。圖像采集卡通常有不同的硬件結(jié)構(gòu)以針對(duì)不同類型的相機(jī)，同時(shí)也有不同的總線形式，比如PCI、PCI64、Compact PCI，PC104，ISA等。

⑤PC平臺(tái)——電腦是一個(gè)PC式視覺系統(tǒng)的核心，在這里完成圖像數(shù)據(jù)的處理和絕大部分的控制邏輯，對(duì)于檢測(cè)類型的應(yīng)用，通常都需要較高頻率的CPU，這樣可以減少處理的時(shí)間。同時(shí)，為了減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁、振動(dòng)、灰塵、溫度等的干擾，必須選擇工業(yè)級(jí)的電腦。

⑥視覺處理軟件——機(jī)器視覺軟件用來完成輸入的圖像數(shù)據(jù)的處理，然后通過一定的運(yùn)算得出結(jié)果，這個(gè)輸出的結(jié)果可能是PASS/FAIL信號(hào)、坐標(biāo)位置、字符串等。常見的機(jī)器視覺軟件以C/C++圖像庫，ActiveX控件，圖形式編程環(huán)境等形式出現(xiàn)，可以是專用功能的（比如僅僅用于LCD檢測(cè)，BGA檢測(cè)，模版對(duì)準(zhǔn)等），也可以是通用目的的（包括定位、測(cè)量、條碼/字符識(shí)別、斑點(diǎn)檢測(cè)等）。

⑦控制單元（包含I/O、運(yùn)動(dòng)控制、電平轉(zhuǎn)化單元等）——一旦視覺軟件完成圖像分析（除非僅用于監(jiān)控），緊接著需要和外部單元進(jìn)行通信以完成對(duì)生產(chǎn)過程的控制。簡(jiǎn)單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O，相對(duì)復(fù)雜的邏輯/運(yùn)動(dòng)控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元/運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)必要的動(dòng)作。