一、機器視覺系統(tǒng)

機器視覺系統(tǒng)是一種模擬人類視覺功能，通過光學(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，以實現(xiàn)對目標(biāo)物體的識別、測量、檢測和定位等功能的智能化系統(tǒng)。其目的是讓機器能夠理解和解釋視覺信息，從而做出決策或執(zhí)行任務(wù)。簡單來說，機器視覺是用機器代替人眼來做測量和判斷。

1、工業(yè)相機

工業(yè)相機是機器視覺系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成有序的電信號。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工業(yè)鏡頭折射后，會投射到相機的感光傳感器上，這個感光傳感器通常是電荷耦合器件（CCD）或互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）。

二、工業(yè)相機的主要參數(shù)計算

（1）分辨率（Resolution）

定義：相機每次采集圖像的像素點數(shù)，由相機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（即像素數(shù)）。

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

表示方法：通常面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數(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個像元；后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即1080 行。線陣相機的分辨率通常表示多少K，如1K（1024）、2K（2048）、4K（4096）等。

總像素數(shù) = 水平像素數(shù) × 垂直像素數(shù)

例如：1920×1080 = 2,073,600 像素（約200萬像素）

（2）像素深度（Pixel Depth）

定義：即每像素數(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，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。

常見值：一般常用的是8Bit，對于數(shù)字相機還會有10Bit、12Bit、14Bit等。

（3）最大幀率/行頻（Frame Rate/Line Rate）

定義：相機采集傳輸圖像的速率。

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

影響：幀率/行頻越高，相機在單位時間內(nèi)采集的圖像數(shù)量越多，適用于需要快速捕捉動態(tài)圖像的場景。

計算方法：幀率=3×目標(biāo)速度/橫向視野；行頻=運動速度/實際精度=運動速度×分辨率/視野。

根據(jù)應(yīng)用場景中物體運動速度來確定所需幀率。假設(shè)物體運動速度為V（單位：mm/s），相機曝光時間為T（單位：s），在曝光時間內(nèi)物體移動的距離不能超過一個像素尺寸P（單位：mm），則幀率F可由下式計算：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：對于線陣相機，通常是逐行曝光的方式；面陣相機則有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式。

快門速度：一般可到10微秒，高速相機還可以更快。快門速度越快，相機捕捉圖像的能力越強，適用于光線變化快或運動物體拍攝的場景。

（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）共同決定了相機靶面的大小。

常見值：工業(yè)相機像元尺寸一般為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。

計算：與分辨率和相機傳感器尺寸相關(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：指該像元傳感器對不同光波的敏感特性。

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

（7）接口類型（Interface Type）

常見類型：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。

計算方法：

傳感器尺寸通常由制造商提供，但可以通過像素尺寸和分辨率推算：

傳感器寬度 = 水平像素數(shù) × 像素尺寸

傳感器高度 = 垂直像素數(shù) × 像素尺寸

（9）其他參數(shù)

動態(tài)范圍：描述每個像素能夠分辨出的灰度等級。寬動態(tài)范圍能夠使場景中亮場和暗場部分的細(xì)節(jié)同時被清晰的記錄下來。

噪聲：成像過程中不希望被采集到的、實際成像目標(biāo)外的信號。根據(jù)歐洲機器視覺協(xié)會（EMVA）的EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)，相機噪聲總體上分為由有效信號帶來的散粒噪聲和相機本身固有的與信號無關(guān)的噪聲兩類。

像素深度：數(shù)字相機輸出的數(shù)字信號，即像元灰度值，具有特殊的比特位數(shù)，稱為像元深度。對于黑白相機，這個值通常是8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數(shù)。例如，對于8bit的相機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別。高像素深度相機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）共同決定了相機靶面的大小。

精度：檢測的精準(zhǔn)度，每個像素代表的實際物理尺寸。精度=單方向視場大小/相機單方向分辨率。

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

信噪比：輸出信號中有用信號和噪聲的比（dB）。

數(shù)據(jù)接口：在機器視覺檢測技術(shù)中，當(dāng)前工業(yè)相機的數(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。需要配備圖像采集卡。
3）USB3.0：最大信號傳輸速率可達(dá)5 Gbits/s。實際傳輸速率可達(dá)到 +350MB/s。
4）CoaXPress：一種非對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：俗稱萬兆網(wǎng)，帶寬可達(dá)到10000 Mbps，最遠(yuǎn)可傳輸100米。

動態(tài)范圍：動態(tài)范圍表明相機探測光信號的范圍。對于固定相機，其動態(tài)范圍是一個定值，不隨外界條件變化而變化。在線性響應(yīng)曲線上，相機的動態(tài)范圍定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值，即動態(tài)范圍=光敏元的滿阱容量/等效噪聲信號動態(tài)范圍，可用倍數(shù)、dB 或Bit 等方式來表示。動態(tài)范圍大，相機對不同的光照強度有更強的適應(yīng)能力。

光譜響應(yīng)性：工業(yè)相機的光譜響應(yīng)特性是指該感光芯片對不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm，一些相機在感光芯片前加了一個濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

快門方式：工業(yè)相機有全局快門和卷簾快門。