一般來說，機器視覺(Machine vision)就是一個與電腦等處理單元連接、可進行圖像處理并控制某個系統(tǒng)的光電系統(tǒng)(相機)。這是一種可以“看到”目標(biāo)物體的系統(tǒng)或電腦。生產(chǎn)裝置、產(chǎn)品質(zhì)量控制、取放機等等系統(tǒng)都可以采用機器視覺控制。利用Firewire、USB或以太網(wǎng)等電氣接口使圖像傳感器和透鏡系統(tǒng)(相機)與電腦連接，電腦再與控制設(shè)備相連接，就可以獲得一個機器視覺系統(tǒng)。

機器視覺應(yīng)用需要結(jié)合使用以下軟硬件才能確保成功：

* 相機
* 主機電腦
* 幀捕獲器
* 應(yīng)用軟件

雖然選擇正確的硬件十分重要，不過機器視覺系統(tǒng)的核心乃視覺檢測軟件。傳感器(一般由像素時鐘驅(qū)動)有一組寄存器，用戶可用以經(jīng)由SPI 或I2C接口對分辨率、工作速度、放大倍數(shù)控制、曝光時間和積分時間進行配置。傳感器輸出幀同步與線同步脈沖以及數(shù)字數(shù)據(jù)以待處理。

傳感器的電氣接口為速度高達200MHz的CMOS。在速度較大時，需要一個LVDS接口來實現(xiàn)信號完整性。圖1所示為機器視覺相機的典型系統(tǒng)架構(gòu)：

圖1：機器視覺系統(tǒng)的主要部件。

這種機器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過Firewire、USB或 GigE等業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)電氣接口與一個單獨的相機配合工作。相機單獨供電，原始數(shù)據(jù)經(jīng)由電氣接口發(fā)送到主機。根據(jù)應(yīng)用需要，視頻傳輸可以是連續(xù)幀，也可以是一個數(shù)據(jù)幀。單幀捕獲和視頻傳輸被稱為觸發(fā)模式，利用一個外部系統(tǒng)向相機系統(tǒng)發(fā)送電脈沖(一般在CMOS級).

圖2：帶離線處理功能的相機

相機的邏輯電路將啟動單幀積分并通過電接口把攝后數(shù)據(jù)傳送到主機。在某些情況下，原始數(shù)據(jù)通過總線與同步信號、時鐘一起發(fā)送到終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，比如幀捕獲器。幀捕獲器把這些數(shù)據(jù)儲存在存儲器中，供主機應(yīng)用軟件在進行處理和控制任務(wù)時所用。

相機到主機的電接口包括：

1. Firewire IEEE 1394 接口
2. USB 接口
3. GigE Vision 接口
4. 復(fù)合模擬視頻
5. LVDS

離線處理的一個優(yōu)點是單個主機可以同時用于相機和系統(tǒng)控制。但另一方面，由于相機視頻數(shù)據(jù)的逐幀傳輸存在延時，故這種方法不適用于輸送帶上產(chǎn)品檢測這類需要實時處理的應(yīng)用。

帶在線處理功能的相機

隨著技術(shù)的發(fā)展，最新的DSP已具備強大的計算能力，足以實時執(zhí)行復(fù)雜的算法，這使得在線處理成為可能。而相機就內(nèi)置有無膠粘連接或帶膠粘邏輯(glue logic)的傳感器和DSP處理器。傳感器的掃描視頻通過DMA(直接存儲器存取)的方式直接被傳送到DSP的存儲器，并逐幀處理。然后處理器直接對被控系統(tǒng)啟動最終結(jié)果或控制功能，或者是作為一條命令傳送給主機。

圖3：帶在線處理功能的相機

相機中視頻處理的優(yōu)勢在于，可實時執(zhí)行數(shù)據(jù)處理，F(xiàn)irewire、USB或GigE接口上沒有數(shù)據(jù)包處理的開銷。對于運行在300 MHz以上的時鐘頻率的DSP處理器，可采用字節(jié)優(yōu)化的匯編代碼來實現(xiàn)更快的實時處理。對檢測類的應(yīng)用(譬如輸送帶上高速移動的器件)而言，圖像算法的實時處理至為關(guān)鍵。一個幀的成像需要一定的計算，并得在另一個圖像幀傳送到系統(tǒng)之前完成。

關(guān)鍵因素

對于機器視覺系統(tǒng)，圖像質(zhì)量是直接影響到最終圖像處理結(jié)果的主要因素。尤其是在自然采光條件下，圖像質(zhì)量隨光源條件改變而大幅變化。通過調(diào)節(jié)相機設(shè)置，如“放大倍數(shù)”和“曝光時間”，可以補償外界照明的不穩(wěn)定，改善圖像質(zhì)量。

圖4：用于檢測的機器視覺相機

圖5：機器視覺引導(dǎo)檢測系統(tǒng)

根據(jù)終端應(yīng)用的需求和傳感器與被攝目標(biāo)的接近程度，光源可以是單獨的單元或者在鏡頭附近是攝像頭的一部分。如果光源在攝像頭附件，則相機可以和光源一起移動。常用光源有鹵素?zé)襞荨晒鉄艉桶l(fā)光二極管(LED)。

影響圖像質(zhì)量的主要因素：

1. 光強度
2. 光方向
3. 物距
4. 焦距
5. 采樣率
6. 曝光時間和放大倍數(shù)
7. 暗漏電流
8. 分辨率(像素數(shù))

鏡頭選擇和要求

鏡頭的質(zhì)量與傳感器質(zhì)量一樣重要。相機是一個光電系統(tǒng)，同時利用光學(xué)和電子學(xué)原理成像。一旦鏡頭選擇不好就會造成圖像模糊。

鏡頭尺寸和形狀的選擇主要在于焦距，但物距較小時，常采用C- mount鏡頭。若相機需要在反射強烈的環(huán)境中工作，最好選擇帶抗反射涂層的鏡頭。相機總體覆蓋范圍取決于所需視角、工作距離和鏡頭性能。

精度和目標(biāo)物體的分辨率

鏡頭設(shè)計/選擇的另一個關(guān)鍵參數(shù)是目標(biāo)物體所需的分辨率(mm 或 mil (1/1000英寸))。當(dāng)相機用于在生產(chǎn)中測量目標(biāo)物體尺寸時，必需考慮到以下幾個重要參數(shù)：

1. 視角
2. 傳感器分辨率(像素數(shù))
3. 圖像質(zhì)量
4. 視覺工具精度

例如，對于IBIS5-1300 傳感器 (1.3M像素 1280(h) X 1024 (v))，1/10像素的工具精度，5英寸寬4英寸高的物體，6英寸的水平視角，精度為0.0004英寸。

分辨率：根據(jù)視角和被攝目標(biāo)物體所需的圖像粒度，常采用VGA 到兆像素(Megapixel)陣列。

靈敏度

單色或彩色：大多數(shù)檢測應(yīng)用都可以采用生成灰度級圖像的單色傳感器。典型應(yīng)用有條形碼讀取器、指紋掃描儀、生產(chǎn)器件的尺寸測量等等。

當(dāng)目標(biāo)物體的顏色與生產(chǎn)控制質(zhì)量有關(guān)聯(lián)時，需采用彩色器件。胡椒粉或蘋果的分類分級就是一個實例。傳感器的24位色彩數(shù)據(jù)能夠捕獲到1740萬種不同的色度。

傳感器參數(shù)及選擇

對于機器視覺應(yīng)用，傳感器和相機必需支持多個分辨率和幀速。若采用可編程技術(shù)來實現(xiàn)這種特性，可以獲得一個適用于多種機器視覺應(yīng)用的通用性更強的相機設(shè)計。

* 窗口和分辨率選擇
* 用戶可編程高幀速
* 標(biāo)準(zhǔn)電氣CMOS接口
* 傳感器暗漏電流低

可靠性和傳感器性能必須能夠支持各種工業(yè)工作環(huán)境。器件必須是工業(yè)級的，工作溫度范圍一般為0 - 80度。

應(yīng)用：

* 引導(dǎo)：機器人取放裝置中的系統(tǒng)
* 檢測：材質(zhì)、表面、標(biāo)簽、裝配
* 測量：生產(chǎn)部件的物理尺寸，裝配部件的尺寸
* 識別：取放裝置、機器人、字符讀取、編碼讀取

Cypress半導(dǎo)體公司提供參數(shù)用戶可選的高幀速圖像傳感器，這些傳感器同時還支持工業(yè)級溫度范圍，故非常適用于機器視覺相機設(shè)計。IBIS 和 LUPA傳感器系列的幀速范圍為30 fps 到 500 fps。

圖6：配備了相機的機器人頭部。這種結(jié)構(gòu)采用了兩個軸對齊的相機來達到立體視覺效果<