機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的識(shí)別、測(cè)量、檢測(cè)和定位等功能的智能化系統(tǒng)。其目的是讓機(jī)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(jiǎn)單來說，機(jī)器視覺是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。

在整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)處理過程中，圖像處理貫穿始終。

1.1、工業(yè)相機(jī)工作原理

圖像采集：通過鏡頭收集被拍攝物體反射或透射的光線，將其聚焦在圖像傳感器上。

光電轉(zhuǎn)換：圖像傳感器（常見的有 CCD 和 CMOS）將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。以 CMOS 傳感器為例，每個(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)感光二極管，光線照射時(shí)產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的電荷，進(jìn)而被轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

信號(hào)處理：轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過放大器進(jìn)行放大，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，這些數(shù)字信號(hào)經(jīng)過處理后形成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，傳輸給計(jì)算機(jī)等設(shè)備進(jìn)行后續(xù)分析。

1.2、工業(yè)相機(jī)的主要特點(diǎn)

• 高可靠性：工業(yè)相機(jī)設(shè)計(jì)用于長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，能夠在高溫、高濕、震動(dòng)等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行。
• 高性能：提供高分辨率、高幀率、高動(dòng)態(tài)范圍和高靈敏度，滿足精密檢測(cè)和高速捕捉的需求。
• 模塊化設(shè)計(jì)：工業(yè)相機(jī)通常采用模塊化設(shè)計(jì)，便于集成到各種工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)中。
• 豐富的接口：支持多種接口類型（如GigE、USB3.0、Camera Link、CoaXPress等），滿足不同帶寬和距離的需求。
• 靈活的配置：支持多種觸發(fā)模式、曝光控制和圖像處理功能，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

1.3、工業(yè)相機(jī)的分類

• 按圖像傳感器類型：分為 CCD工業(yè)相機(jī)和 CMOS工業(yè)相機(jī)。
• 按輸出色彩：分為彩色工業(yè)相機(jī)和黑白（單色）工業(yè)相機(jī)。
• 按掃描方式：面陣工業(yè)相機(jī)和線陣工業(yè)相機(jī)。
• 按輸出信號(hào)方式分：模擬工業(yè)相機(jī)、數(shù)字工業(yè)相機(jī)。
• 按響應(yīng)頻率范圍分：可見光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。
• 按照光譜波段數(shù)量來分，可分為高光譜相機(jī)和多光譜相機(jī)。
• 按照成像維度分：2D工業(yè)相機(jī)和3D工業(yè)相機(jī)
• 特殊工業(yè)相機(jī)：偏振工業(yè)相機(jī)。

1.3.1CCD 相機(jī)和 CMOS 相機(jī)

工業(yè)相機(jī)主要基于CCD（電荷耦合器件）或CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）芯片。CCD是目前機(jī)器視覺中最常用的圖像傳感器，它集光電轉(zhuǎn)換、電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移和信號(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件。CMOS圖像傳感器則將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上。兩者在性能和應(yīng)用方面各有優(yōu)勢(shì)：

CCD 相機(jī)成像質(zhì)量高，噪聲低，在低光照環(huán)境下表現(xiàn)出色，但成本較高、功耗大，用于要求高圖像質(zhì)量和低噪音的應(yīng)用；CMOS 相機(jī)成本低、功耗低、數(shù)據(jù)讀取速度快，不過圖像質(zhì)量相對(duì)略遜一籌，適用于高速和低功耗應(yīng)用。

1.3.2黑白和彩色相機(jī)

黑白工業(yè)相機(jī)直接將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像灰度值，生成的是單色灰度圖像。彩色工業(yè)相機(jī)能獲取景物中紅、綠、藍(lán)三個(gè)分量的光信號(hào)，輸出彩色圖像。彩色相機(jī)能夠提供比黑白相機(jī)更多的色彩信息。

彩色相機(jī)能獲取物體豐富的色彩信息，適用于對(duì)顏色有要求的檢測(cè)，如食品外觀檢測(cè)、印刷品色彩檢測(cè)等；黑白相機(jī)則對(duì)光線更敏感，在檢測(cè)物體的灰度差異、紋理細(xì)節(jié)方面表現(xiàn)較好，常用于對(duì)精度要求高的尺寸測(cè)量、缺陷檢測(cè)等場(chǎng)景。

1.3.3面陣和線陣相機(jī)

面陣相機(jī)是每次采集若干行的圖像并以幀方式輸出。其應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測(cè)量。面陣相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以獲取二維圖像信息，測(cè)量圖像直觀。缺點(diǎn)是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀速度受到限制。

線陣工業(yè)相機(jī)，顧名思義是成像傳感器呈“線”狀的。雖然也是二維圖像，但極寬，幾千個(gè)像素的寬度，而高度卻只有幾個(gè)像素的而已。線陣工業(yè)相機(jī)具有高掃描頻率和高分辨率。其典型應(yīng)用領(lǐng)域是檢測(cè)連續(xù)的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測(cè)的物體通常勻速運(yùn)動(dòng), 利用一臺(tái)或多臺(tái)工業(yè)相機(jī)對(duì)其逐行連續(xù)掃描，以達(dá)到對(duì)其整個(gè)表面均勻檢測(cè)。可以對(duì)圖像逐行進(jìn)行處理，或者對(duì)由多行組成的面陣圖像進(jìn)行處理。另外線陣工業(yè)相機(jī)非常適合測(cè)量場(chǎng)合，這要?dú)w功于傳感器的高分辨率。一般在兩種情況下使用這種相機(jī)：

1. 被測(cè)視野為細(xì)長(zhǎng)的帶狀，多用于滾筒上檢測(cè)的問題。

2. 需要極大的視野或極高的精度。

面陣相機(jī)一次獲取一幀完整圖像，適用于靜態(tài)物體或運(yùn)動(dòng)速度較慢的物體檢測(cè)；線陣相機(jī)每次獲取一行圖像，通過物體與相機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來構(gòu)建完整圖像，常用于高速運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)和高精度的一維測(cè)量，如印刷品的在線檢測(cè)、金屬板材的表面檢測(cè)等。

1.4主要參數(shù)計(jì)算

（1）分辨率（Resolution）

定義：相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)，由相機(jī)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?cái)?shù)）。

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

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

總像素?cái)?shù) = 水平像素?cái)?shù)×垂直像素?cái)?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?cái)?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(qiáng)，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(duì)于數(shù)字相機(jī)還會(huì)有10Bit、12Bit、14Bit等。

（3）最大幀率/行頻（Frame Rate/Line Rate）

定義：相機(jī)采集傳輸圖像的速率。

表示方法：通常幀率是相對(duì)于面陣工業(yè)相機(jī)來說的，單位是fps（Frame Per Second），如181fps，即相機(jī)每秒內(nèi)最多可采集181幀圖像。行頻是相對(duì)于線陣工業(yè)相機(jī)來說的，單位是kHz，如80kHz，即相機(jī)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(jī)在單位時(shí)間內(nèi)采集的圖像數(shù)量越多，適用于需要快速捕捉動(dòng)態(tài)圖像的場(chǎng)景。

計(jì)算方法：幀率=3×目標(biāo)速度/橫向視野；行頻=運(yùn)動(dòng)速度/實(shí)際精度=運(yùn)動(dòng)速度×分辨率/視野。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景中物體運(yùn)動(dòng)速度來確定所需幀率。假設(shè)物體運(yùn)動(dòng)速度為V（單位：mm/s），相機(jī)曝光時(shí)間為T（單位：s），在曝光時(shí)間內(nèi)物體移動(dòng)的距離不能超過一個(gè)像素尺寸P（單位：mm），則幀率F可由下式計(jì)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(duì)于線陣相機(jī)，通常是逐行曝光的方式；面陣相機(jī)則有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)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(jī)還可以更快?？扉T速度越快，相機(jī)捕捉圖像的能力越強(qiáng)，適用于光線變化快或運(yùn)動(dòng)物體拍攝的場(chǎng)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(jī)靶面的大小。

常見值：工業(yè)相機(jī)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(shí)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(jì)算：與分辨率和相機(jī)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(jī)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(duì)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(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線。如果系統(tǒng)需要對(duì)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(jī)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(jī)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(jì)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?cái)?shù)×像素尺寸

傳感器高度 = 垂直像素?cái)?shù)×像素尺寸

以Dalsa相機(jī)為例，查看G5-GM30-M2450其相關(guān)參數(shù)。