机器视觉应用系统包括哪些硬件？

导语：机器视觉是一个软硬件相结合的综合技术，需要软件对图像做处理，也需要硬件提供稳定和高质量的图像，两者同样重要。作为开发，软件模块比较熟悉，硬件系统的相关知识储备弱一些，本文对机器视觉中的硬件相关资源做个简单的汇总。

随着我国各行各业对采用图像和机器视觉技术的工业自动化、智能需求开始广泛出现，机器视觉逐步开始了工业现场的应用。

在政府的利好驱动下，国内机器视觉行业快速发展，中国正在成为世界机器视觉发展最活跃的地区之一。预计到2025年我国机器视觉市场规模将达246亿元。接下来让我们来了解一下机器视觉——5G工业的“眼睛”

机器视觉是一项综合技术，包括图像处理、机械工程技术、控制、电光源照明、光学成像、传感器、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术(图像增强和分析算法、图像卡、 I/O卡等)。

一个典型的机器视觉应用系统包括图像捕捉、光源系统、图像数字化模块、数字图像处理模块、智能判断决策模块和机械控制执行模块。

总结一下，就是机器视觉是一个软硬件相结合的综合技术，需要软件对图像做处理，也需要硬件提供稳定和高质量的图像，两者同样重要。作为开发，软件模块比较熟悉，硬件系统的相关知识储备弱一些，本文对机器视觉中的硬件相关资源做个简单的汇总，给初入行的同学做个参考。

内容概要

1.工控机

工控机可以理解为我们常用的PC主机，只是这个主机在图像采集和处理以及相关的控制和接口 做得更强一些。在机器视觉系统中，工控机的性能直接影响整个视觉系统的处理速度和运行时间，是整个视觉系统的关键。工控机的选择需要从如下4个方面考虑，

1)尺寸

2)安装方式

3)配置

------根据自己的应用场合选择合适的配置即可。

4)接口

-------很重要，确定视觉系统中摄像机的数量、光源控制器和连接方式。如系统有8个摄像头，4个光源需要控制，摄像头通过网线连接，光源控制器是232接口，如此可以确定工控机的网络接口、串口数量。

2.相机

2.1 相机类型

点阵相机/面阵相机

面阵相机：实现的是像素矩阵拍摄。相机拍摄图像中，表现图像细节不是由像素多少决定的，是由分辨率决定的。分辨率是由选择的镜头焦距决定的，同一种相机，选用不同焦距的镜头，分辨率就不同。 像素的多少不决定图像的分辨率(清晰度)，那么大像素相机有何好处呢?答案只有一个：减少拍摄次数，提高测试速度。

线阵相机：顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图像，但极长。几K的长度，而宽度却只有几个象素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机：一、被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。

二、需要极大的视野或极高的精度。在第二种情况下(需要极大的视野或极高的精度)，就需要用激发装置多次激发相机，进行多次拍照，再将所拍下的多幅“条”形图象，合并成一张巨大的图。

因此，用线阵型相机，必须用可以支持线阵型相机的采集卡。 线阵型相机价格贵，而且在大的视野或高的精度检测情况下，其检测速度也慢--一般相机的图象是 400K～1M，而合并后的图象有几个M这么大，速度自然就慢了。慢功出细活嘛。由于以上这两个原因，线阵相机只用在极特殊的情况下。

CCD相机 / CMOS相机

CCD相机能提供很好的图像质量、抗噪能力，尽管由于增加了外部电路使得系统的尺寸变大，复制下提高，但在电路设计师可更加灵活，更好的提升CCD相机某些特别关注的性能。CCD更适合于对相机性能要求非常高而对成本控制不太严格的应用领域，如天文、高清晰的医疗X光影像、其他需要长时间曝光，对图像噪声要求比较严格的应用场合。

CMOS相机 具有成品率高、集成度高、功耗小、价格低等优点。但本身图像的噪声比较多。目前的CMOS技术不断发展，已经克服了早期的许多缺点，发展到了图像品质方面可以与CCD技术相较量的水平。

CMOS适用于要求空间小、体积小、功耗低而对图像噪声和质量要求不是特别高的场合。如大部分辅助光照明的工业检测应用、安防保安应用、和大部分消费性商业数码相机。目前CCD工业相机仍然在视觉检测方案中占据主导地位。

2.2 分辨率

相机每次采集图像的像素点数，一般对应于光电传感器靶面排列的像元数。分辨率的选择还需要根据使用场景和精度需求来定，不是越高越好。

2.3 像素深度

每位像素数据的位数，常见的是8bit，10bit，12bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。例如对于像素深度为8bit的500万像素，则整张图片应该有500万*8/1024/1024=37M(1024Byte=1KB，1024KB=1M)。增加像素深度可以增强测量的精度，但同时也降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度(线缆增加，尺寸变大等)。

2.4 帧率

相机采集和传输图像的速度，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec)，对于线阵相机为每秒采集的行数(HZ)，帧率的选择需要考虑拍摄动态的场景。

2.5 曝光

工业线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间;面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动曝光几种常见方式，工业数字相机一般都提供外触发采图的功能，快门速度一般可到10ms，高速相机还会更快。

2.6 噪声

噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标之外的信号。总体上分为两类，一类是由有效信号带来的散粒噪声，这种噪声对任何相机都存在;另一类是相机本身固有的与信号无关的噪声。它是由于图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路带来的固有噪声，每台相机的固有噪声都不一样。

2.7 开发接口

对于利用相机做视觉项目的开发，对相机的控制(拍照，摄像，保存，设置参数等)是必不可少的，一般厂家会提供控制Demo，开发时需要将控制功能应用到我们的项目中。

3.镜头

相机与镜头一般是配套的，镜头的选型主要考虑呈像的视距，镜头选型步骤：

1)计算短边对应的像素数E=B/C，相机长边和短边的像素数都要大于E;

2)像元尺寸=产品短边尺寸B/所选相机的短边像素数

3)放大倍率=所选相机芯片短片尺寸/相机短边的视野范围

4)可分辨的产品精度=像元尺寸/放大倍率 (判断是否小于C)

5)物镜的焦距=工作距离/(1+1/放大倍率) 单位：mm

6)像面的分辨率要大于1/(2×0.1×放大倍率) 单位：lp/mm

选择的镜头的支持CCD尺寸要大于等于相机CCD传感器芯片的尺寸，另外安装座是C、CS或F型接口也要匹配，同时考虑镜头的工作距离，是否留有足够空间等。如果对镜头的选择还是拿不准的话，可以咨询厂家的技术支持，让厂家根据你的应用场景 推荐合适的镜头即可。

4.光源

机器视觉中补光是必须的操作，如果单纯地调大相机的曝光时间，会增大图像的噪声，降低图像的质量，必须要选择合适的光源才行。光源的选择分光源灯和光源控制器两部分。

4.1 光源灯

机器视觉提供的光源也很丰富，这是因为视觉行业应用非常广泛，需要根据具体的项目选择合适的光源，才会达到理想的效果。

常见的光源灯类型如下，可根据具体的项目来选择，

4.2 光源控制器

光源控制器 是为测试环境提供照明的，一般会提供开发接口，控制指定的输出端口 点亮，熄灭，主要是配合相机为软件提供 符合要求的图像。

5.物理环境

机器视觉系统对测试环境要求比较高，涉及到摄像头，光源，待测目标 位置摆放等问题，原则是需要提供一套稳定，高质量的图像。测试环境可能还需要专业的机构来设计，如果是实验用的简易环境可以在网上购买实验用的支架即可。

编辑：黄飞