构建高效机器视觉系统：核心组成部分详解

构建高效机器视觉系统：核心组成部分详解

机器视觉系统是利用机器替代人眼来进行测量和判断的技术，通过图像摄取装置将被摄取目标转换为图像信号，然后传送到专用的图像处理系统。这个系统会根据图像的像素分布、亮度和颜色等信息，将其转换为数字信号。图像处理系统对这些信号进行各种运算，以抽取目标的特征，进而根据判别的结果控制现场的设备动作。

视觉系统的组成部分

1. 照明光源

光源在机器视觉系统中起着至关重要的作用，因为光线的质量直接影响成像效果。常用的光源包括LED光源、卤素灯和高频荧光灯。目前，LED光源由于其多样性和优越性能，最为常用。它可以制成各种形状和尺寸，提供不同的照射角度和颜色，并且可以随时调节亮度。LED光源具有寿命长、反应快、运行成本低等优点，并且可以通过计算机控制，实现快速起动，用作频闪灯。

2. 镜头

镜头是实现光束变换（调制）的关键组件。在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将成像目标在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，因此合理地选择和安装镜头是系统设计的重要环节。常见的镜头接口方式为C和CS，选择时需要与摄像机接口和CCD尺寸相匹配。

3. 工业摄像机

工业摄像机，也称为工业相机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，具有高图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等优点。市面上的工业相机大多基于CCD（电荷耦合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）芯片。

CCD相机

CCD是目前机器视觉中最为常用的图像传感器。CCD集光电转换、电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是一种典型的固体成像器件。其主要特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。CCD相机通过光电转换形成电荷包，在驱动脉冲的作用下转移和放大，输出图像信号。CCD相机具有无灼伤、无滞后、低电压工作和低功耗等优点。

CMOS相机

CMOS图像传感器的开发始于20世纪70年代初，随着超大规模集成电路（VLSI）制造工艺技术的发展，CMOS图像传感器在90年代初得到了迅速发展。CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上。其主要优点包括良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等，广泛应用于高分辨率和高速场合。

4. 图像采集/处理卡

图像采集/处理卡在机器视觉系统中负责将摄像机采集的图像信号转换为数字信号，并传输到图像处理系统。它是连接摄像机和图像处理系统的桥梁，确保图像数据的准确传输和处理。

5. 图像处理系统

图像处理系统是机器视觉系统的核心，它对采集到的图像信号进行处理和分析，提取目标特征并做出判断。图像处理系统通常由高性能计算机和专用软件组成，通过复杂的算法来处理图像，进行边缘检测、模式识别、特征提取等操作，从而实现对目标的精确识别和分析。

6. 其它外部设备

其它外部设备包括执行机构和控制设备，用于根据图像处理系统的判断结果来控制现场的设备动作。这些设备可以是机器人手臂、传送带、机械夹具等，能够完成各种自动化操作，提高生产效率和质量。

工业相机的分类与选择

工业相机可以根据不同的分类标准进行分类：

• 按芯片类型：CCD相机、CMOS相机
• 按传感器结构：线阵相机、面阵相机
• 按扫描方式：隔行扫描相机、逐行扫描相机
• 按分辨率：普通分辨率相机、高分辨率相机
• 按输出信号方式：模拟相机、数字相机
• 按输出色彩：单色相机、彩色相机
• 按输出速度：普通速度相机、高速相机
• 按响应频率：可见光相机、红外相机、紫外相机

工业相机与普通相机的区别：

• 性能稳定：工业相机适应恶劣环境，连续工作时间长。
• 快门时间短：可抓拍高速运动物体。
• 逐行扫描：图像传感器逐行扫描，成像质量高。
• 高帧率：每秒可拍摄多幅图像。
• 输出裸数据：适合高质量图像处理。
• 价格较高：工业相机相对普通相机更昂贵。

如何选择工业相机？

1. 应用需求：根据需要选择CCD或CMOS相机。CCD工业相机适用于运动物体的图像提取，CMOS工业相机则因其成本低、功耗低而广泛应用。
2. 分辨率：根据待测量物体的精度选择分辨率。一般可以选择理论精度的4倍或更高，以增加系统稳定性。
3. 镜头匹配：传感器芯片尺寸需小于或等于镜头尺寸，安装座也需匹配（如C或CS接口）。