機器視覺（相機、鏡頭、光源）詳細解析
阿新 • • 發佈：2019-02-11
1.1.1視覺系統原理描述
機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品（即影象攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種）將被攝取目標轉換成影象訊號，傳送給專用的影象處理系統，根據畫素分佈和亮度、顏色等資訊，轉變成數字化訊號；影象系統對這些訊號進行各種運算來抽取目標的特徵，進而根據判別的結果來控制現場的裝置動作。
2.1.1視覺系統組成部分
視覺系統主要由以下部分組成
1.照明光源
2.鏡頭
3.工業攝像機
4.影象採集/處理卡
5.影象處理系統
6.其它外部裝置
2.1.1.1相機篇
詳細介紹：
工業相機又俗稱攝像機，相比於傳統的民用相機（攝像機）而言，它具有高的影象穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，目前市面上工業相機大多是基於
Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）晶片的相機。CCD是目前機器視覺最為常用的影象感測器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、訊號讀取於一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為訊號，而不同於其它器件是以電流或者電壓為訊號。這類成像器件通過光電轉換形成電荷包，而後在驅動脈衝的作用下轉移、放大輸出影象訊號。典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步訊號發生器、垂直驅動器、模擬/數字訊號處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯後、低電壓工作、低功耗等優點。
分類：
任何東西分類一定有它自己的分類標準，工業相機也不例外，按照晶片型別可以分為CCD相機、CMOS相機；按照感測器的結構特性可以分為線陣相機、面陣相機；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；按照解析度大小可以分為普通解析度相機、高解析度相機；按照輸出訊號方式可以分為模擬相機、數字相機；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；按照輸出訊號速度可以分為普通速度相機、高速相機；按照響應頻率範圍可以分為可見光（普通）相機、
區別： 1、工業相機的效能穩定可靠易於安裝，相機結構緊湊結實不易損壞，連續工作時間長，可在較差的環境下使用，一般的數碼相機是做不到這些的。例如：讓民用數碼相機一天工作24小時或連續工作幾天肯定會受不了的。 2、工業相機的快門時間非常短，可以抓拍高速運動的物體。 例如，把名片貼在電風扇扇葉上，以最大速度旋轉，設定合適的快門時間，用工業相機抓拍一張影象，仍能夠清晰辨別名片上的字型。用普通的相機來抓拍，是不可能達到同樣效果的。 3、工業相機的影象感測器是逐行掃描的，而普通的相機的影象感測器是隔行掃描的，逐行掃描的影象感測器生產工藝比較複雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數公司能夠提供這類產品，例如Dalsa、Sony，而且價格昂貴。 4、工業相機的幀率遠遠高於普通相機。 工業相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機只能拍攝2-3幅影象，相差較大。 5、工業相機輸出的是裸資料(raw data)，其光譜範圍也往往比較寬，比較適合進行高質量的影象處理演算法，例如機器視覺(Machine Vision)應用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜範圍只適合人眼視覺，並且經過了mjpeg壓縮，影象質量較差，不利於分析處理。 6、工業相機(Industrial Camera)相對普通相機(DSC)來說價格較貴。
如何選擇： 1、根據應用的不同分別選用CCD或CMOS相機 CCD工業相機主要應用在運動物體的影象提取，如貼片機機器視覺，當然隨著CMOS技術的發展，許多貼片機也在選用CMOS工業相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD工業相機比較多。 CMOS工業相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。 2、解析度的選擇 首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據精度選擇解析度。相機畫素精度=單方向視野範圍大小/相機單方向解析度。則相機單方向解析度=單方向視野範圍大小/理論精度。 若單視野為5mm長，理論精度為0.02mm，則單方向解析度=5/0.02=250。然而為增加系統穩定性，不會只用一個畫素單位對應一個測量/觀察精度值，一般可以選擇倍數4或更高。這樣該相機需求單方向解析度為1000，選用130萬畫素已經足夠。 其次看工業相機的輸出，若是體式觀察或機器軟體分析識別，解析度高是有幫助的；若是VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴於顯示器的解析度，工業相機的解析度再高，顯示器解析度不夠，也是沒有意義的；利用儲存卡或拍照功能，工業相機的解析度高也是有幫助的。 3、與鏡頭的匹配 感測器晶片尺寸需要小於或等於鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉介面）； 4、相機幀數選擇 當被測物體有運動要求時，要選擇幀數高的工業相機。但一般來說解析度越高，幀數越低。
2.1.1.2鏡頭篇
鏡頭的基本功能就是實現光束變換（調製），在機器視覺系統中，鏡頭的主要作用是將成像目標在影象感測器的光敏面上。鏡頭的質量直影響到機器視覺系統的整體效能，合理地選擇和安裝鏡頭，是機器視覺系統設計的重要環節。
基礎知識：
鏡頭匹配
大家如何選擇合適鏡頭，鏡頭選配時需要選擇與攝像機介面和CCD的尺寸相匹配的鏡頭。鏡頭C和CS的介面方式佔主流。小型的安防用的CS介面攝像機得到普及、FA行業則大部分是C介面的攝像機與鏡頭的組合。對應的CCD尺寸、市場上一般根據用途使用2/3寸到1/3寸的產品。
互換性
C介面鏡頭可以與C介面攝像機、CS介面攝像機互用；
CS介面鏡頭不可以應用在C介面攝像機，只可以應用在CS介面攝像機。
KERARE
攝像機如果使用配備小CCD尺寸的鏡頭，那麼周邊沒有攝取到影象的部分呈現出黑色，我們稱其為KERARE。
鏡頭的作用：
將折射率不同的各種硝材通過研磨，加工成高精度的曲面、把這些鏡頭進行組合，就是設計鏡頭。從伽利略時代開始使用的普遍技術是其基本原理。為得到更清晰的影象，一直在研究開發試製新的硝材和非球面鏡片。
焦距
LED光源、鹵素燈（光纖光源）、高頻熒光燈。目前LED光源最常用，主要有如下幾個特點： ·可製成各種形狀、尺寸及各種照射角度； ·可根據需要製成各種顏色，並可以隨時調節亮度； ·通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩定； ·使用壽命長； ·反應快捷，可在10微秒或更短的時間內達到最大亮度； ·電源帶有外觸發，可以通過計算機控制，起動速度快，可以用作頻閃燈； ·執行成本低、壽命長的LED，會在綜合成本和效能方面體現出更大的優勢； ·可根據客戶的需要，進行特殊設計。
LED光源按形狀通常可分為以下幾類: 1、環形光源 環形光源提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維資訊；高密度LED陣列，高亮度；多種緊湊設計，節省安裝空間；解決對角照射陰影問題；可選配漫射板導光，光線均勻擴散。應用領域:PCB基板檢測，IC元件檢測，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測，積體電路印字檢查 2、背光源 用高密度LED陣列面提供高強度背光照明，能突出物體。的外形輪廓特徵，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。紅白兩用背光源、紅藍多用背光源，能調配出不同顏色，滿足不同被測物多色要求。應用領域:機械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片汙點檢測，透明物體劃痕檢測等。 3、條形光源 條形光源是較大方形結構被測物的首選光源；顏色可根據需求搭配，自由組合；照射角度與安裝隨意可調。應用領域:金屬表面檢查，影象掃描，表面裂縫檢測，LCD面板檢測等。 4、同軸光源 同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾；部分採用分光鏡設計，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應用領域:系列光源最適宜用於反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，晶片和矽晶片的破損檢測，Mark點定位，包裝條碼識別。 5、AOI專用光源 不同角度的三色光照明，照射凸顯焊錫三維資訊；外加漫射板導光，減少反光；不同角度組合；應用領域:用於電路板焊錫檢測。 6、球積分光源 具有積分效果的半球面內壁，均勻反射從底部360度發射出的光線，使整個影象的照度十分均勻。應用領域:合於曲面，表面凹凸，弧形表面檢測，或金屬、玻璃表面反光較強的物體表面檢測。 7、線形光源 超高亮度，採用柱面透鏡聚光，適用於各種流水線連續檢測場合。應用領域:陣相機照明專用，AOI專用。 8、點光源 大功率LED，體積小，發光強度高；光纖鹵素燈的替代品，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等；高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應用領域:適合遠心鏡頭使用，用於晶片檢測，Mark點定位，晶片及液晶玻璃底基校正。 9、組合條形光源 四邊配置條形光，每邊照明獨立可控；可根據被測物要求調整所需照明角度，適用性廣。應用案例:CB基板檢測，IC元件檢測，焊錫檢查，Mark點定位，顯微鏡照明，包裝條碼照明，球形物體照明等。 10、對位光源 對位速度快；視場大；精度高；體積小，便於檢測整合；亮度高，可選配輔助環形光源。應用領域:VA系列光源是全自動電路板印刷機對位的專用光源。
光源的選型： 一、前提資訊 1、檢測內容 外觀檢查、OCR、尺寸測定、定位 2、物件物 ①想看什麼？（異物、傷痕、缺損、標識、形狀等） ②表面狀態（鏡面、糙面、曲面、平面） ③立體？平面？ ④材質、表面顏色 ⑤視野範圍？ ⑥動態還是靜態（相機快門速度） 3、限制條件 ①工作距離（鏡頭下端到被測物表面距離） ②設定條件（照明的大小、照明下端到被測物表面的距離、反射型or透射型） ③周圍環境（溫度、外亂光） ④相機的種類，面陣or線陣 二、簡單的預備知識： 1．因材質和厚度不同、對光的透過特性（透明度）各異。 2．光根拠其波長之長短、對物質的穿透能力（穿透率）各異。 3．光的波長越長、對物質的透過力越強，光的波長越短、在物質表面的拡散率越大。 4．透射照明、即是使光線透射物件物、並観察其透過光之照明手法。 三、光源： 1．穏定均勻的光源極其重要 2．目的：將被測物與背景儘量明顕區分 3．摂取影象時、最重要之處是如何鮮明地獲得：被測物與背景的濃淡差 4．目前、在影象處理領域中最廣範的技術手法是：二值化（白黒）處理 為了能夠突出特徵點，將特徵影象突出出來，在打光手法上，常用的包括有明視野與暗視野。 明視野：用直射光來観察物件物整體(散亂光呈黒色) 暗視野：用散亂光來観察物件物整體(直射光呈白色) 具體的光源選取方法還在於試驗的實踐經驗。
機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品（即影象攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種）將被攝取目標轉換成影象訊號，傳送給專用的影象處理系統，根據畫素分佈和亮度、顏色等資訊，轉變成數字化訊號；影象系統對這些訊號進行各種運算來抽取目標的特徵，進而根據判別的結果來控制現場的裝置動作。
2.1.1視覺系統組成部分
視覺系統主要由以下部分組成
1.照明光源
2.鏡頭
3.工業攝像機
4.影象採集/處理卡
5.影象處理系統
6.其它外部裝置
2.1.1.1相機篇
詳細介紹：
工業相機又俗稱攝像機，相比於傳統的民用相機（攝像機）而言，它具有高的影象穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，目前市面上工業相機大多是基於
Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）晶片的相機。CCD是目前機器視覺最為常用的影象感測器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、訊號讀取於一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為訊號，而不同於其它器件是以電流或者電壓為訊號。這類成像器件通過光電轉換形成電荷包，而後在驅動脈衝的作用下轉移、放大輸出影象訊號。典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步訊號發生器、垂直驅動器、模擬/數字訊號處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯後、低電壓工作、低功耗等優點。
分類：
任何東西分類一定有它自己的分類標準，工業相機也不例外，按照晶片型別可以分為CCD相機、CMOS相機；按照感測器的結構特性可以分為線陣相機、面陣相機；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；按照解析度大小可以分為普通解析度相機、高解析度相機；按照輸出訊號方式可以分為模擬相機、數字相機；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；按照輸出訊號速度可以分為普通速度相機、高速相機；按照響應頻率範圍可以分為可見光（普通）相機、
區別： 1、工業相機的效能穩定可靠易於安裝，相機結構緊湊結實不易損壞，連續工作時間長，可在較差的環境下使用，一般的數碼相機是做不到這些的。例如：讓民用數碼相機一天工作24小時或連續工作幾天肯定會受不了的。 2、工業相機的快門時間非常短，可以抓拍高速運動的物體。 例如，把名片貼在電風扇扇葉上，以最大速度旋轉，設定合適的快門時間，用工業相機抓拍一張影象，仍能夠清晰辨別名片上的字型。用普通的相機來抓拍，是不可能達到同樣效果的。 3、工業相機的影象感測器是逐行掃描的，而普通的相機的影象感測器是隔行掃描的，逐行掃描的影象感測器生產工藝比較複雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數公司能夠提供這類產品，例如Dalsa、Sony，而且價格昂貴。 4、工業相機的幀率遠遠高於普通相機。 工業相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機只能拍攝2-3幅影象，相差較大。 5、工業相機輸出的是裸資料(raw data)，其光譜範圍也往往比較寬，比較適合進行高質量的影象處理演算法，例如機器視覺(Machine Vision)應用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜範圍只適合人眼視覺，並且經過了mjpeg壓縮，影象質量較差，不利於分析處理。 6、工業相機(Industrial Camera)相對普通相機(DSC)來說價格較貴。
如何選擇： 1、根據應用的不同分別選用CCD或CMOS相機 CCD工業相機主要應用在運動物體的影象提取，如貼片機機器視覺，當然隨著CMOS技術的發展，許多貼片機也在選用CMOS工業相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD工業相機比較多。 CMOS工業相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。 2、解析度的選擇 首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據精度選擇解析度。相機畫素精度=單方向視野範圍大小/相機單方向解析度。則相機單方向解析度=單方向視野範圍大小/理論精度。 若單視野為5mm長，理論精度為0.02mm，則單方向解析度=5/0.02=250。然而為增加系統穩定性，不會只用一個畫素單位對應一個測量/觀察精度值，一般可以選擇倍數4或更高。這樣該相機需求單方向解析度為1000，選用130萬畫素已經足夠。 其次看工業相機的輸出，若是體式觀察或機器軟體分析識別，解析度高是有幫助的；若是VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴於顯示器的解析度，工業相機的解析度再高，顯示器解析度不夠，也是沒有意義的；利用儲存卡或拍照功能，工業相機的解析度高也是有幫助的。 3、與鏡頭的匹配 感測器晶片尺寸需要小於或等於鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉介面）； 4、相機幀數選擇 當被測物體有運動要求時，要選擇幀數高的工業相機。但一般來說解析度越高，幀數越低。
2.1.1.2鏡頭篇
鏡頭的基本功能就是實現光束變換（調製），在機器視覺系統中，鏡頭的主要作用是將成像目標在影象感測器的光敏面上。鏡頭的質量直影響到機器視覺系統的整體效能，合理地選擇和安裝鏡頭，是機器視覺系統設計的重要環節。
基礎知識：
鏡頭匹配
大家如何選擇合適鏡頭，鏡頭選配時需要選擇與攝像機介面和CCD的尺寸相匹配的鏡頭。鏡頭C和CS的介面方式佔主流。小型的安防用的CS介面攝像機得到普及、FA行業則大部分是C介面的攝像機與鏡頭的組合。對應的CCD尺寸、市場上一般根據用途使用2/3寸到1/3寸的產品。
|
CCD |
CCD尺寸 |
||
|
水平：H |
垂直：V |
對角：D |
|
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1型 |
12.8 |
9.6 |
16.0 |
|
2/3型 |
8.8 |
6.6 |
11.0 |
|
1/2型 |
6.4 |
4.8 |
8.0 |
|
1/3型 |
4.8 |
3.6 |
6.0 |
|
1/4型 |
3.6 |
2.7 |
4.5 |
|
35mm膠片 |
36.0 |
24.0 |
43.3 |
互換性
C介面鏡頭可以與C介面攝像機、CS介面攝像機互用；
CS介面鏡頭不可以應用在C介面攝像機，只可以應用在CS介面攝像機。
KERARE
攝像機如果使用配備小CCD尺寸的鏡頭，那麼周邊沒有攝取到影象的部分呈現出黑色，我們稱其為KERARE。
鏡頭的作用：
將折射率不同的各種硝材通過研磨，加工成高精度的曲面、把這些鏡頭進行組合，就是設計鏡頭。從伽利略時代開始使用的普遍技術是其基本原理。為得到更清晰的影象，一直在研究開發試製新的硝材和非球面鏡片。
焦距
LED光源、鹵素燈（光纖光源）、高頻熒光燈。目前LED光源最常用，主要有如下幾個特點： ·可製成各種形狀、尺寸及各種照射角度； ·可根據需要製成各種顏色，並可以隨時調節亮度； ·通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩定； ·使用壽命長； ·反應快捷，可在10微秒或更短的時間內達到最大亮度； ·電源帶有外觸發，可以通過計算機控制，起動速度快，可以用作頻閃燈； ·執行成本低、壽命長的LED，會在綜合成本和效能方面體現出更大的優勢； ·可根據客戶的需要，進行特殊設計。
LED光源按形狀通常可分為以下幾類: 1、環形光源 環形光源提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維資訊；高密度LED陣列，高亮度；多種緊湊設計，節省安裝空間；解決對角照射陰影問題；可選配漫射板導光，光線均勻擴散。應用領域:PCB基板檢測，IC元件檢測，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測，積體電路印字檢查 2、背光源 用高密度LED陣列面提供高強度背光照明，能突出物體。的外形輪廓特徵，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。紅白兩用背光源、紅藍多用背光源，能調配出不同顏色，滿足不同被測物多色要求。應用領域:機械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片汙點檢測，透明物體劃痕檢測等。 3、條形光源 條形光源是較大方形結構被測物的首選光源；顏色可根據需求搭配，自由組合；照射角度與安裝隨意可調。應用領域:金屬表面檢查，影象掃描，表面裂縫檢測，LCD面板檢測等。 4、同軸光源 同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾；部分採用分光鏡設計，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應用領域:系列光源最適宜用於反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，晶片和矽晶片的破損檢測，Mark點定位，包裝條碼識別。 5、AOI專用光源 不同角度的三色光照明，照射凸顯焊錫三維資訊；外加漫射板導光，減少反光；不同角度組合；應用領域:用於電路板焊錫檢測。 6、球積分光源 具有積分效果的半球面內壁，均勻反射從底部360度發射出的光線，使整個影象的照度十分均勻。應用領域:合於曲面，表面凹凸，弧形表面檢測，或金屬、玻璃表面反光較強的物體表面檢測。 7、線形光源 超高亮度，採用柱面透鏡聚光，適用於各種流水線連續檢測場合。應用領域:陣相機照明專用，AOI專用。 8、點光源 大功率LED，體積小，發光強度高；光纖鹵素燈的替代品，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等；高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應用領域:適合遠心鏡頭使用，用於晶片檢測，Mark點定位，晶片及液晶玻璃底基校正。 9、組合條形光源 四邊配置條形光，每邊照明獨立可控；可根據被測物要求調整所需照明角度，適用性廣。應用案例:CB基板檢測，IC元件檢測，焊錫檢查，Mark點定位，顯微鏡照明，包裝條碼照明，球形物體照明等。 10、對位光源 對位速度快；視場大；精度高；體積小，便於檢測整合；亮度高，可選配輔助環形光源。應用領域:VA系列光源是全自動電路板印刷機對位的專用光源。
光源的選型： 一、前提資訊 1、檢測內容 外觀檢查、OCR、尺寸測定、定位 2、物件物 ①想看什麼？（異物、傷痕、缺損、標識、形狀等） ②表面狀態（鏡面、糙面、曲面、平面） ③立體？平面？ ④材質、表面顏色 ⑤視野範圍？ ⑥動態還是靜態（相機快門速度） 3、限制條件 ①工作距離（鏡頭下端到被測物表面距離） ②設定條件（照明的大小、照明下端到被測物表面的距離、反射型or透射型） ③周圍環境（溫度、外亂光） ④相機的種類，面陣or線陣 二、簡單的預備知識： 1．因材質和厚度不同、對光的透過特性（透明度）各異。 2．光根拠其波長之長短、對物質的穿透能力（穿透率）各異。 3．光的波長越長、對物質的透過力越強，光的波長越短、在物質表面的拡散率越大。 4．透射照明、即是使光線透射物件物、並観察其透過光之照明手法。 三、光源： 1．穏定均勻的光源極其重要 2．目的：將被測物與背景儘量明顕區分 3．摂取影象時、最重要之處是如何鮮明地獲得：被測物與背景的濃淡差 4．目前、在影象處理領域中最廣範的技術手法是：二值化（白黒）處理 為了能夠突出特徵點，將特徵影象突出出來，在打光手法上，常用的包括有明視野與暗視野。 明視野：用直射光來観察物件物整體(散亂光呈黒色) 暗視野：用散亂光來観察物件物整體(直射光呈白色) 具體的光源選取方法還在於試驗的實踐經驗。