机器视觉概念、系统组成与工作原理详解

机器视觉，简而言之，就是利用摄像设备替代人眼完成精准测量与智能判断。这套视觉系统的工作流程如下：通过摄像头（即图像摄取装置，主流采用CMOS与CCD两种感光元件）将目标物体转化为图像信号，随后传输至专用图像处理系统。系统依据像素分布、亮度层次、色彩信息等参数，将图像转换为数字化信号，再经过复杂运算提取目标特征，最终依据分析结果驱动现场设备执行相应操作。整个流程看似繁琐，其本质无非就是“看”与“判”的完美结合。

视觉系统的核心组件涵盖：照明光源、光学镜头、工业摄像机、图像采集与处理卡、图像处理软件平台，以及各类外部辅助设备。接下来我们逐一深入解析。

一、相机篇

工业相机，亦可称为工业摄像机，与普通家用相机的本质区别在于：它追求极致的运行稳定性、高速数据传输能力以及出色的抗干扰性能。目前市场上主流的工业相机，其核心感光芯片不外乎CCD与CMOS两大阵营。

CCD是目前机器视觉领域应用最广泛的图像传感器。其工作原理将光电转换、电荷存储、电荷转移与信号读取集成于一体，本质上属于固态成像器件。值得关注的是，CCD以电荷作为信号载体，而非传统的电流或电压。它先通过光电效应形成电荷包，再在驱动脉冲的控制下完成转移、放大并最终输出图像信号。一台典型的CCD工业相机由光学镜头、时序与同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路等模块构成。相较于真空管成像设备，CCD具备无灼伤、无滞后、工作电压低、功耗小等显著优势。

CMOS图像传感器的发展可追溯至20世纪70年代初，但真正实现规模化应用是在90年代，随着超大规模集成电路制造工艺日趋成熟，CMOS技术才迅速崛起。其突出优势在于：将光敏元阵列、信号放大器、读出电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器全部集成于单一芯片上，并且支持局部像素的编程随机访问。如今，CMOS凭借集成度高的特性、功耗低、传输速度快、动态范围广等优点，在高分辨率和高速成像领域正变得越来越受欢迎。

分类

任何设备都有其分类体系，工业相机同样不例外。按芯片类型划分：CCD相机、CMOS相机；按传感器结构划分：线阵相机、面阵相机；按扫描方式划分：隔行扫描、逐行扫描；按分辨率划分：普通分辨率、高分辨率；按输出信号划分：模拟相机、数字相机；按输出色彩划分：单色（黑白）相机、彩色相机；按采集速度划分：普通速度、高速；按响应波长划分：可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等多种类别。

区别

工业相机与普通数码相机究竟存在哪些本质差异？

第一，性能稳定可靠，安装便捷。工业相机结构紧凑且坚固耐用，能够支持长时间连续运行，甚至在恶劣工业环境下稳定作业。若让一台普通数码相机24小时不间断拍摄，或连续工作数日，其硬件必然难以承受，而工业相机正是为这类严苛场景量身打造。

第二，快门时间极短，可精准抓拍高速运动目标。举例来说：将一张名片贴于电风扇扇叶上，调至最大转速，使用工业相机设定合适的快门速度，拍摄出的图像依然能清晰辨识名片上的文字。普通相机根本无法实现这一效果。

第三，图像传感器采用逐行扫描技术。普通相机大多使用隔行扫描方式。逐行扫描传感器的制造工艺复杂、成品率偏低、市场供货量有限，全球范围内仅有Dalsa、Sony等少数厂商能够供应，因此价格自然相对昂贵。

第四，帧率远超普通相机。工业相机每秒可拍摄十几帧至数百帧图像，而普通相机通常仅能拍摄2-3帧，性能差距极为悬殊。

第五，输出为裸数据（raw data），光谱响应范围更宽。这种未经过压缩的原始数据非常适合执行高质量的图像处理算法，尤其适用于机器视觉应用场景。而普通相机输出的图像通常经过mjpeg压缩，光谱范围仅针对人眼视觉优化，图像质量相对较低，不利于后续分析处理。

第六，价格较高。相较于普通数码相机，工业相机的售价通常要高出不少。

如何选择

选型相机需要紧密结合具体应用场景。

1. CCD还是CMOS？CCD多用于运动物体的图像提取场景，例如贴片机视觉系统。然而，随着CMOS技术不断进步，许多贴片机已开始采用CMOS方案。CMOS成本更低、功耗更小，应用范围日益广泛。

2. 分辨率如何确定？首先需考虑待测物体的精度要求。相机像素精度 = 单方向视野尺寸 / 相机单方向分辨率。反之，相机单方向分辨率 = 单方向视野尺寸 / 理论精度。例如视野长度为5mm，理论精度为0.02mm，则所需分辨率为250。但为保证系统稳定性，通常不建议用一个像素对应一个精度单位，一般选择4倍或更高倍数。据此计算，需要1000分辨率，130万像素即可满足需求。此外，若输出接口为VGA或USB，还需考虑显示器分辨率，相机分辨率再高，显示器无法匹配也是徒劳。

3. 镜头匹配。传感器尺寸应小于或等于镜头成像尺寸，C接口或CS接口也必须匹配（若不一致可加装转接环）。

4. 帧数选择。当被测物体存在运动要求时，应优先选择帧数较高的相机。但需注意，分辨率和帧数往往存在此消彼长的关系。

二、镜头篇

镜头的基本职能是实现光束变换，将成像目标精准聚焦于传感器光敏面上。镜头品质直接影响整个视觉系统的综合表现，正确选型与规范安装镜头是决定项目成败的关键环节。

基础知识

1. 镜头匹配。选配镜头时，接口类型与CCD尺寸均需严格对应。主流接口为C接口和CS接口。小型安防领域CS接口摄像机较为普及，而工业自动化（FA）行业则多采用C接口。CCD尺寸涵盖2/3寸至1/3寸不等，可根据实际用途灵活选择。

2. 互换性。C接口镜头可兼容C接口或CS接口摄像机，但CS接口镜头无法用于C接口摄像机，仅适用于CS接口设备。

3. KERARE（暗角）。若镜头搭配的是小尺寸CCD，周边未拍摄到图像的区域会呈现黑色，这种现象即称为KERARE（暗角效应）。

4. 镜头的作用。简而言之，就是将不同折射率的光学材料研磨成高精度曲面，再经精密组合而成。从伽利略时代至今，基本原理未曾改变，但为获取更清晰的图像，新型光学材料与非球面镜片技术一直在持续演进。

三、光源篇

光源主要分为三大类型：LED光源、卤素灯（光纤光源）以及高频荧光灯。目前LED光源应用最为广泛，其特点十分突出：可制作成多种形状、尺寸及照射角度；颜色可灵活选择，亮度可自由调节；散热性能优良，光输出稳定；使用寿命长；响应速度快，10微秒内即可达到最大亮度；电源支持外触发，可接受计算机控制，启动迅速，适合做频闪灯；运行成本低、寿命长；还可根据需求进行定制化设计。

LED光源按形状的分类

1. 环形光源。可提供不同角度与颜色组合，有效突出三维信息。采用高密度LED阵列，亮度高，结构紧凑节省空间，能解决对角阴影问题，可选配漫射板使光线更均匀。适用于PCB基板检测、IC元件检测、显微镜照明、液晶校正、塑胶容器检测、集成电路印字检查等场景。

2. 背光源。采用高密度LED阵列提供高强度背光，突出物体外形轮廓，尤其适合显微镜载物台使用。红白两用、红蓝多用设计，满足多色需求。适用于机械零件尺寸测量、电子元件外形检测、胶片污点检测、透明物体划痕检测等。

3. 条形光源。适合尺寸较大的方形结构被测物，颜色可自由搭配，安装角度可随意调节。适用于金属表面检查、图像扫描、表面裂缝检测、LCD面板检测等。

4. 同轴光源。可消除物体表面不平整引起的阴影干扰，减少杂散光影响。部分采用分光镜设计，减少光损失，提升成像清晰度，实现均匀照射。最适合高反射物体，如金属、玻璃、胶片、晶片表面的划伤检测，芯片和硅晶片破损检测，Mark点定位，包装条码识别等。

5. AOI专用光源。采用不同角度的三色光照明，凸显焊锡三维形态，外加漫射板减少反光，支持不同角度组合。专用于电路板焊锡检测。

6. 球积分光源。利用半球面内壁的积分效果，均匀反射从底部360°发出的光线，使整幅图像照度均匀一致。适合曲面、表面凹凸、弧形表面检测，以及金属、玻璃等强反光物体的表面检测。

7. 线形光源。具备超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于流水线连续检测场景。专为线阵相机照明设计，也可用于AOI检测。

8. 点光源。采用大功率LED，体积小巧，发光强度高，可替代光纤卤素灯，尤其适合用作镜头的同轴光源。高效散热，寿命长。适用于远心镜头，用于芯片检测、Mark点定位、晶片及液晶玻璃底基校正等。

9. 组合条形光源。四边配置条形光，每边可独立控制，根据被测物灵活调整角度，适用性广泛。用于PCB基板检测、IC元件检测、焊锡检查、Mark点定位、显微镜照明、包装条码照明、球形物体照明等。

10. 对位光源。对位速度快，视场大，精度高，体积小，亮度高，可选配辅助环形光源。是全自动电路板印刷机对位系统的专用光源。

四、光源的选型

前提信息

选配光源前必须明确以下信息：

（1）检测内容：外观检查、OCR字符识别、尺寸测定、定位对准？

（2）对象物特性：需要观察什么（异物、伤痕、缺损、标识、形状）？表面状态如何（镜面、糙面、曲面、平面）？立体还是平面？材质与表面颜色？视野范围多大？动态还是静态（相机快门速度要求）？

（3）限制条件：工作距离（镜头下端到被测物表面距离）、安装条件（照明尺寸、照明下端到被测物距离、反射型还是透射型）、周围环境（温度、外界杂散光）、相机类型（面阵还是线阵）。

简单的预备知识

（1）材质与厚度不同，光的透射特性（透明度）存在差异。

（2）光波长不同，对物质的穿透能力也有所不同。

（3）波长越长，穿透力越强；波长越短，在表面的扩散率越大。

（4）透射照明就是让光线穿透对象物，观察其透射光信息。

光源选择的核心

稳定且均匀的光源至关重要。其根本目标是将被测物与背景尽可能清晰地区分开来。在采集图像时，最关键的是如何鲜明地获取被测物与背景之间的灰度差异。目前图像处理领域最常用的技术是二值化（黑白）处理。为突出特征点，常用打光手法包括明视野和暗视野：明视野采用直射光观察整体（散乱光呈现黑色）；暗视野则利用散乱光观察整体（直射光呈现白色）。具体选用哪种方案，仍需依靠实际试验与工程经验来最终确定。

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