視覺系統的組成
1. 認識機器視覺
1.1. 定義
機器視覺（Machine Vision）是指通過光學裝置和非接觸感測器自動接收並處理真實物體的影象，分析後獲取所需資訊或用於控制機器運動的裝置。通俗地說，機器視覺就是用機器代替人眼。機器視覺模擬眼睛進行影象採集，經過影象識別和處理提取資訊，最終通過執行裝置完成操作。
1.2. 視覺系統基本架構
按照訊號的流動順序，機器視覺系統主要包括：
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光學成像
光學成像模組設計合理的光源和光路，通過鏡頭將物方空間資訊投影到像方，從而獲取目標物體的物理資訊；
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影象感測器
影象感測器模組負責資訊的光電訊號轉換，目前主流的影象感測器分為 CCD 與 CMOS 兩類；
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影象處理
影象處理模組基於以 CPU 為中心的電路系統或資訊處理晶片，搭配完整的影象處理方案和資料演算法庫，提取資訊的關鍵引數；
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IO & 顯示
IO 模組輸出機器視覺系統的結果和資料；
顯示模組方便使用者直觀監測系統的執行過程，實現影象的視覺化。
2. 術語（關鍵引數）的解釋
2.1. 畫素
影象是 256 級資料的集合體，畫素是影象的基本單元：
不同解析度的差異
2100萬畫素相機的實力：
可取得有效畫素數 2100 萬 (5104×4092 pix)的高解析度影象。能夠檢測細微的缺陷、大工件的細微之處。
2.1.1. 常見的標準像素值
由於人眼在左右的長度和上下的寬度方向上的比例約為 4:3 ，所以所成圖片的尺寸也是採用這個比例的居多，如:
- 15萬畫素480X320=153600
- 20萬畫素640X320=204800
- 30萬畫素640X480=307200
- 50萬畫素800X600=480000
- 80萬畫素1024X768=786432
- 100萬畫素1140X900=1026000
- 130萬畫素1280X960=1228800
- 200萬畫素1600X1200=1920000
- 300萬畫素2048X1536=3145728
- 500萬畫素2576X1932=4976832
或2592X1944=5038848
或2560X1920=4915200 - 800萬畫素3264X2448=7990272
- 1000萬畫素3648X2736=9980928
- 1200萬畫素4000X3000=12000000
- 1400萬全線4228X3264=13800192
也有采用16:9，如
- 900萬畫素4000X2256=9024000
更有采用3:2的呢！如
- 600萬畫素3000X2000=6000000
- 1100萬畫素4000X2664=10656000
2.1.2. 畫素是否越大越好？
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成本不同
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應用場景：對於定性檢測，並不追求高畫素
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工業相機與民用相機不同
- CCD / CMOS
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處理時間：晶片對畫素的處理時長（檢查效率）
相機的畫素數與處理時間的關係
以下是用2432×204031 萬畫素、200 萬畫素、500 萬畫素的相機檢測容器上的黑點的例子。如果通過各相機，以相同的視野對比二值化的畫素數，可見在檢測畫素數上有大的差異，畫素越高越能實現細微的檢測。反之，畫素越高，處理時間越長。
2.1.3. 計算最小檢測尺寸（檢測精度）
一般來說,畫素數越大越能檢測小東西,但是成本越高。重要的是選擇滿足“最小檢測尺寸”,適合檢測內容的相機。
A=相機的拍攝範圍的畫素數(Y方向)(畫素)
B=拍攝視野(Y方向)(mm)
C=拍攝元件的最小檢測畫素尺寸(畫素)
檢測精度 = B ÷ A × C
2.2. 工作距離 & 視野範圍
考慮工件的尺寸、輸送工件時線上位置的偏差，決定用相機拍攝的範圍。
考慮：
- 檢測物件工件的最大尺寸是多少?
- 搬運中的位置偏離?
將可拍攝上述決定的想檢測的工件的視野，鏡頭的焦點對準的距離叫做工作距離（WD）。也就是思考可將相機安裝在哪一位置。根據裝置、環境等預先調查可安裝的位置。
WD / FOA = 焦距 / Sensor尺寸
鏡頭不同，焦距也不同。
2.3. 焦距
焦距是鏡頭的規格引數之一。
FA 鏡頭的焦距一般是 8 mm、16 mm、25 mm 或 50 mm。
根據拍攝時所需要的視野及焦距，可以計算出焦點對準的位置（WD，即工作距離）。
例：鏡頭焦距 16mm、CCD 尺寸 3.6mm 時，為了得到 45mm 的視野，WD 應為 200mm
2.4. 景深
下圖所示為拍攝斜面上表示高度的膠帶的情況。
比較小光圈和大光圈時的拍攝效果。
- 鏡頭焦距越小,景深越大。
- 與拍攝物件距離越遠,景深越大。
- 光圈越小,景深越大。
2.5. 鏡頭畸變（失真）
鏡頭的失真度是拍攝影象的中央部分與周圍部分的變化比率。由於存在像差，拍攝影象的周邊部分會發生某種程度的扭曲現象。
失真可分為桶形失真和枕形失真兩類。表示失真度的數值（絕對值）越小，則鏡頭的精度越高。
在測量尺寸時，應使用失真度小的鏡頭。一般說來，長焦距鏡頭的失真度會相對小一些。
KEYENCE 的影象處理用鏡頭為了儘量減少本次介紹的鏡頭歪曲，在 CA-LH 系列中採用浮動結構來校正歪曲像差，在 CA-LHR 系列中採用浮動結構 + 非球面鏡來校正歪曲像差。
2.6. 色像差
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色像差的原因
所謂色像差，是指折射率根據可視光波長變化而變化，從而通過鏡頭的成像發生偏移。折射率不同則意味著焦點距離不同，不同波長的顏色混亂成像，從而感覺成像結果發生晃動。
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色像差的種類
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軸上色像差 ：
由於折射率根據光的波長變化而變化，各自的焦點也不同，因此整體呈現模糊成像的狀態。
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倍率色像差 ：
由於成像的倍率根據顏色變化而變化，因此越靠近鏡頭邊緣越會發生串色。
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色像差的預防方法
想要解決色像差的問題，可以使用消色像差透鏡，即組合使用折射率不同的多個鏡頭的方法。另外，也可以使用波長分散較少的熒石（氟化鈣結晶）或 ED 鏡片等作為鏡頭的材質。
2.7. 快門速度
表示 CCD 或 CMOS 感光元件中蓄積電荷的時間。如果快門速度為 1/250，則蓄積光的時間為 1/250 秒。快門速度越快，則元件的受光量越少，相反如果快門速度越慢，則元件的受光量越多。也可以說，快門速度將起到了調整光量的作用。關於快門速度和受光量（正確來說應該稱為蓄積的電荷量），存在以下的關係。
【例】如果將快門速度基準定為 1/1000 秒（1ms），則：
- 快門速度變為 1/500 秒 （2 ms），則受光量變為 2 倍。
- 快門速度變為 1/2000 秒 （0.5 ms），則受光量變為 1/2。
2.8. 何謂增益
所謂增益，是指將影象訊號進行電子增幅的過程。用於影象處理的 CCD 中，配備了可以通過在暗處拍攝時增幅訊號，從而看上去變得明亮的功能。另外，還配有根據拍攝物件的亮度自動進行調整的增益控制功能等。
3. 視覺應用的流程
大多數影象感測器製造商在產品目錄中，對於第三步“處理” 做了更多的說明。這表明這些廠家更重視控制器的處理能力。實際上，第一步“拍攝”才是得到正確、穩定的影象處理效果所必需的最主要的步驟。而這一步的關鍵在於“鏡頭和照明的選擇”。
3.1. 影象的捕捉
用相機拍攝工件的影象，並將資料傳送到“處理”階段。
必要裝置主要包括“相機”、“鏡頭”、“照明”。
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相機
根據工件的種類在不同畫素數、傳輸速度、尺寸等的型號中進行選擇。
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鏡頭
可從大容量畫素型或高解析度型等外觀檢測專用鏡頭中進行選擇。
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照明
有發光部，可支援金屬、塑料等各種工件的外觀。可根據工件選擇 LED、熒光燈或光纖等。
3.2. 影象處理
處理分為“預處理”和“檢測處理”2個階段：
- 預處理: 對影象資料進行加工以方便檢測
- 檢測處理: 對加工資料進行需要的檢測
完成預處理和檢測處理後，輸出判斷結果。
3.3. 輸出
根據影象處理控制器的判斷結果，控制工作機械和安全裝置等各種裝置。
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電腦
可以使用市售電腦（PC）。用於統計檢測結果，建立報告。
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PLC
進行時序控制的必要裝置。驅動生產線上的各種裝置。
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揚聲器
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燈泡（警示燈）
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機械手
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顯示器
可以使用市售電腦顯示器，用於實時確認檢測情況。