2.1　机器视觉概述

2.1.1　机器视觉

假如将工业机器人比作人类的双手，那么机器视觉就可以看作人类的眼睛。人类视觉具有高级智能，对环境光变化的适应能力强，可实现手眼高度协调，能够对观测结果展开逻辑推理分析判断，从而工业生产中的高难度操作工艺、复杂的产品质量检验都离不开人类视觉。然而人类视觉工作效率低，人眼长时间工作会产生疲劳，会导致观测结果的重复性和稳定性无法保证，并且观测结果很难精确量化和数字化，特别是在一些高温、高噪声、高危的工业现场，人类视觉难以适应。因此，现代化的工业现场越来越多地采用机器视觉代替人类视觉，来完成工件识别、尺寸测量、质量检验、机器人引导等工作。和人类视觉相比，机器视觉在光谱范围、反应速度、观测精度等方面均有明显的优势，如表2-1所示。尽管机器视觉的智能化程度还远不及人类，但是随着深度学习等人工智能理论在机器视觉方法的应用，其智能化程度也在快速上升。可以说，机器视觉已经成为智能生产、智能制造、智能家居、智能交通等场景中必不可少的一部分。

2.1.2　机器视觉系统

如图2-1所示，一个完整的机器视觉系统主要包括照明光源、光学镜头、图像传感器、图像处理器、接口模块等部分组成。

（1）光源

光源是机器视觉系统的重要组件之一，是获得品质稳定、特征明显视觉图像的必备条件。光源的选择及其性能直接影响视觉系统的处理精度和速度，乃至整个系统的成败。光源选型要考虑对比度、亮度和鲁棒性等基本要素。对比度的含义就是使观测特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的灰度对比，从而易于特征的区分。光源的亮度影响相机的信噪比、对比度和景深，还影响系统抵抗自然光干扰的能力，因此光源的亮度要足够大。鲁棒性指的是光源对物件位置的敏感程度较小，当光源放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时，观测图像应该不会随之变化。

光源按位置主要分为前光源与背光源。前光源放置于物体前方，主要检查反光以及不平整表面。背光源放置于物体背面，主要突出物体的边缘。

光源按形状主要分为环形光源、点光源、线性光源、组合光源等，见图2-2。环形光源具有照明均匀、面积大、能够安装在镜头上等特点，更能突出物体的三维信息。可以大大减少阴影，提高对比度。但是，当距离不合适时，会产生环形反光现象。点光源结构紧凑，能使光线集中在一定范围内。线性光源具有超高亮度，经过柱面透镜聚光，经常与线阵相机结合用于流水线检查。

按照发光原理分类，光源主要有三种类型：LED光源、高频荧光灯和卤素灯。由于具有可自由设计、使用寿命长、反应快捷等优势，LED光源是目前应用最为广泛的光源。实际应用中，为了突出检测对象特征，构建合适的光场，LED光源的结构类型也非常多，包括环形光源、条形光源、球积分光源、线性光源、点光源、同轴光源、背光源、对位光源、AOI专用光源等。具体光源的选择一般需要现场的试验验证。

光源是机器视觉系统中重要的组件之一，一个合适的光源是机器视觉系统正常运行的必备条件。因此，机器视觉系统光源的选择是非常重要的。使用光源的目的是将被测物体与背景尽量明显分别，获得高品质、高对比度的图像。机器视觉有三大技术，即采像技术、处理技术、运动控制技术，而采像技术离不开光源，光源的选择及其性能直接影响系统的成败，影响处理精度和速度。光源主要分为三种，即高频荧光灯、卤素灯和LED光源，三者中LED光源相对高频荧光灯和卤素灯，具有更高的性价比。

LED的主要优势有以下几个方面。

①可制成各种形状、尺寸及照射角度，可以根据需要制成各种颜色，并可以自由调节亮度。还可以根据客户需要进行自由设计。

②使用寿命长（约3万小时，间断使用寿命更长），运行成本低，在综合成本和性能方面有巨大优势。

③反应快捷，可在10μs甚至更快的时间内达到最大亮度。电源带有外触发，可以通过计算机控制。

（2）镜头

镜头的功能是光学成像，一般是由若干组透镜组成。目前，绝大部分工业镜头都属于共轴光学系统。镜头的基本光学性能由焦距、相对孔径（光圈系数）和视场角（视野）这三个参数表征。选择镜头的基本步骤可以参考以下几条：根据目标尺寸和测量精度，可以确定传感器尺寸和像素尺寸、放大倍率等；根据系统整体尺寸和工作距离，结合放大倍率，可以大概估算出镜头的焦距。焦距、传感器尺寸确定以后，视场角也可以确定下来；根据现场的照明条件确定光圈大小和工作波长；最后考虑镜头畸变、景深、接口等其他要求。

（3）图像传感器

该模块主要负责信息的光电转换，位于镜头后端的像平面上。目前，主流的图像传感器可分为CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合元件）与CMOS（Complimentary Metal Oxide Semiconductor，互补性金属氧化物半导体）图像传感器两类。CCD中每一行每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出；两者的原理图如图2-3所示。基于构造上的差异，CCD可以充分保证电荷信号在传送时不会失真，每个像素可以集合至单一放大器统一处理；而CMOS的工艺相对简单，没有专属通道设计，数据在传送距离较长时会产生噪声，因此必须先放大再整合各个像素的数据。以上差异的存在，使得CCD与CMOS在效能与应用上有很多差异，这些差异包括感光度差异、制造成本差异、分辨率差异、噪声差异和耗电量差异。

①感光度差异　由于CMOS每个像素均包含放大器与A/D转换电路，使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积，因此同样大小的感光器尺寸在像素相同情况下，CMOS的感光度要低于CCD。

②制造成本差异　由于CMOS采用的是一般半导体电路最常用的标准工艺，可以利用现有的半导体制造流水线，不需额外投资生产设备，从而节约制造成本，并且品质可随半导体技术的进步而提升；而CCD采用电荷传递的方式传输数据，只要其中有一个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传输，因此CCD的成品率要远低于CMOS，并且随着CCD尺寸的增加，其生产线往往要进行相应调整，这就导致CCD的制造成本要远远高于CMOS。

③分辨率差异　如上所述，CMOS的每个像素都比CCD复杂，其像素尺寸很难达到CCD传感器的水平，所以，相同尺寸下，CCD的分辨率通常会优于CMOS的水平。

④噪声差异　由于CMOS的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD相比，CMOS的噪声就会增加很多，影响图像品质。

⑤耗电量差异　由于CCD感光元件采用单一的通道，因此光效率比较低，而传送电荷信号需要电压支持，因此耗电量大；而CMOS感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，像素所需耗电量相对较小。

CCD以其结构的物理原理决定的低信号噪声、高分辨率、高灵敏度等高画质性能牢固占据图像传感器高端市场。它集光电转换及电荷存储、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。CMOS图像传感器以其高集成度、高速、小体积、低价格等特点在低端市场占据越来越大的份额。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，还具有局部像素的编程随机访问的优点。

（4）图像处理器

该模块主要负责图像的处理与信息参数的输出，包括硬件与软件算法两个层次。硬件层一般是CPU为中心的电路系统。基于PC的机器视觉使用的是PC机的CPU与相关的外设；基于嵌入式系统的有独立处理数据能力的智能相机依赖于自带的信息处理芯片如DSP、ARM、FPGA等。软件部分包括一个完整的图像处理方案与决策方案，其中包括一系列的图像处理算法。在高级的图像系统中，会集成数据算法库，便于系统的移植与重用。在机器视觉检测系统中，图像采集卡是机器视觉系统中的一个重要部件，它是图像采集部分和图像处理部分的接口，一般具有以下的功能模块。

①图像信号的接收与A/D转换模块，负责图像信号的放大与数字化。有用于彩色或黑白图像的采集卡。彩色输入信号可分为复合信号或RGB分量信号。

②摄像机控制输入输出接口，主要负责协调摄像机进行同步或实现异步重铬拍照、定时拍照等。

③总线接口，负责通过PC机内部总线高速输出数字数据，一般是PCI接口，传输速率可高达130Mbps，完全能胜任高精度图像的实时传输。且占用较少的CPU时间。在选择图像采集卡时。主要应考虑到系统的功能需求、图像的采集精度和与摄像机输出信号的匹配等因素。

（5）接口模块

I/O模块是输出视觉系统运算结果和数据的模块。基于PC的视觉系统可将接口分为内部接口与外部接口，内部接口只要负责系统将信号传到PC机的高速通信口，外部接口完成系统与其他系统或用户通信和信息交换的功能。智能相机则一般利用通用I/O与高速的以太网完成对应的所有功能。