機器視覺系統是一種模擬人類視覺功能，通過光學裝置和非接觸式傳感器獲取圖像數據，并進行分析和處理，以實現對目標物體的識別、測量、檢測和定位等功能的智能化系統。其目的是讓機器能夠理解和解釋視覺信息，從而做出決策或執行任務。簡單來說，機器視覺是用機器代替人眼來做測量和判斷。

一、機器視覺的四大功能

識別、測量、檢測和定位。

二、什么是工業相機

工業相機是機器視覺系統中的一個關鍵組件，其最本質的功能就是將光信號轉變成有序的電信號。其成像原理與小孔成像類似，但更為復雜。當被攝物體反射的光線通過工業鏡頭折射后，會投射到相機的感光傳感器上，這個感光傳感器通常是電荷耦合器件（CCD）或互補金屬氧化物半導體（CMOS）。

工業相機的組成主要包括圖像傳感器、鏡頭、處理器、接口和機身。

三、成像原理

電荷進行量化操作。就需要一個精密的器件來完成這兩個過程。我們常用的(Sensor)是CCD

和CMOS。

CCD ( Charge Coupled Device )電荷藕合器件圖像傳感器CCD，它集成在高感光度的半導體單晶材料 上，能把光線轉變成電荷，通過模數轉換器芯片轉換成數字信號。 CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當CCD表面受到 光線照射時，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位 所產生的信號加在一起，就構成了一幅完整的畫面。

CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )

互補金屬氧化物半導體，它集成在被稱做金屬氧化物的半導體材料上。

四、相機參數

主要參數計算

（1）分辨率（Resolution）

定義：相機每次采集圖像的像素點數，由相機所采用的感光芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數量（即像素數）。

影響：在采集圖像時，相機的分辨率對圖像質量有很大的影響。在對同樣大的視場（景物范圍）成像時，分辨率越高，對細節的展示越明顯。

表示方法：通常面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數字表示，如1920（H）x1080（V），前面的數字表示每行的像元數量，即共有1920個像元；后面的數字表示像元的行數，即1080行。線陣相機的分辨率通常表示多少K，如1K（1024）、2K（2048）、4K（4096）等。

總像素數 = 水平像素數×垂直像素數

例如：1920×1080 = 2,073,600 像素（約200萬像素）

（2）像素深度（Pixel Depth）

定義：即每像素數據的位數，一般用多少比特位表示。

影響：像素深度決定了圖像灰階的豐富程度。比特位數越多，表達圖像細節的能力越強，灰階值更加豐富、分得更細。但數據量也越大，可能影響系統的圖像處理速度。

常見值：一般常用的是8Bit，對于數字相機還會有10Bit、12Bit、14Bit等。

（3）最大幀率/行頻（Frame Rate/Line Rate）

定義：相機采集傳輸圖像的速率。

表示方法：通常幀率是相對于面陣工業相機來說的，單位是fps（Frame Per Second），如181fps，即相機每秒內最多可采集181幀圖像。行頻是相對于線陣工業相機來說的，單位是kHz，如80kHz，即相機每秒內最多可采集80000行圖像數據。

影響：幀率/行頻越高，相機在單位時間內采集的圖像數量越多，適用于需要快速捕捉動態圖像的場景。

計算方法：幀率=3×目標速度/橫向視野；行頻=運動速度/實際精度=運動速度×分辨率/視野。

根據應用場景中物體運動速度來確定所需幀率。假設物體運動速度為V（單位：mm/s），相機曝光時間為T（單位：s），在曝光時間內物體移動的距離不能超過一個像素尺寸P（單位：mm），則幀率F可由下式計算：F=1/T，其中T≤P/V。

（4） 曝光方式和快門速度（Exposure and Shutter Speed）

曝光方式：對于線陣相機，通常是逐行曝光的方式；面陣相機則有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式。

快門速度：一般可到10微秒，高速相機還可以更快。快門速度越快，相機捕捉圖像的能力越強，適用于光線變化快或運動物體拍攝的場景。

（5）像元尺寸（Pixel Size）

定義：像元是組成數字化影像的最小單元，像元尺寸大小和像元數（分辨率）共同決定了相機靶面的大小。

常見值：工業相機像元尺寸一般為3μm~14μm。

影響：像元尺寸越大，能夠接收到的光子數量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內產生的電荷數量越多，圖像質量可能越高。但像元尺寸越小，制造難度越大。

計算：與分辨率和相機傳感器尺寸相關。例如已知傳感器的尺寸為Sa×Sb（水平尺寸×垂直尺寸，單位為mm），相機分辨率為Na×Nb，則像素尺寸P（假設像素為正方形）為：P=Sa×1000/Na=Sb×1000/Nb。

（6）光譜響應特性（Spectral Range）

定義：指該像元傳感器對不同光波的敏感特性。

常見范圍：一般響應范圍是350nm~1000nm。一些相機在靶面前加了一個濾鏡，濾除紅外光線。如果系統需要對紅外感光，可去掉該濾鏡。

（7）接口類型（Interface Type）

常見類型：有Camera Link接口、以太網接口、1394接口、USB接口輸出等。目前最新的接口有CoaXPress接口。

影響：接口類型決定了相機與圖像處理系統或其他設備之間的數據傳輸方式。選擇合適的接口類型可以確保數據傳輸的穩定性和速度。

（8）傳感器尺寸

定義：相機傳感器的物理尺寸，通常以英寸（如1/2.3"）或毫米（如12.8mm×9.6mm）表示。

計算方法：

傳感器尺寸通常由制造商提供，但可以通過像素尺寸和分辨率推算：

傳感器寬度 = 水平像素數×像素尺寸

傳感器高度 = 垂直像素數×像素尺寸

（9）其他參數

動態范圍：描述每個像素能夠分辨出的灰度等級。寬動態范圍能夠使場景中亮場和暗場部分的細節同時被清晰的記錄下來。

噪聲：感光器件（CMOS/CCD）接收光線信號并輸出的過程中所產生的圖像中的粗糙部分。工業相機的噪聲是指成像過程中不希望被采集到的、實際成像目標外的信號。

根據歐洲機器視覺協會（EMVA）的EMVA1288標準，相機噪聲總體上分為由有效信號帶來的散粒噪聲和相機本身固有的與信號無關的噪聲兩類。

信噪比：輸出信號中有用信號和噪聲的比（dB）。

像素深度：數字相機輸出的數字信號，即像元灰度值，具有特殊的比特位數，稱為像元深度。對于黑白相機，這個值通常是8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數。例如，對于8bit的相機0代表全暗而255代表全亮。決定了圖像的色彩范圍和灰度級別。高像素深度相機能提供更豐富的色彩和更精細的灰度變化。

像元尺寸：像元的尺寸是每個像素的面積，也就是像元大小。像元尺寸大小和像元數（分辨率）共同決定了相機靶面的大小。

精度：檢測的精準度，每個像素代表的實際物理尺寸。精度=單方向市場大小/相機單方向分辨率。

數據接口：在機器視覺檢測技術中，當前工業相機的數據接口主要有GigE、USB3.0、CoaXPress、Cameralink、HSLink、10GigE，還有退居二線的IEEE 1394、USB2.0、LVDS、RS422、SDI等。
1）GigE：帶寬可達到1000 Mbps，不需中繼器最遠可傳輸100米。
2）Cameralink：支持速率達2.3Gb/s。
3）USB3.0：最大信號傳輸速率可達5 Gbits/s。實際傳輸速率可達到+350MB/s。
4）CoaXPress：一種非對稱的高速串行通信數字標準，一根電纜最高傳輸率可達6.25Gb/s，傳輸距離可達100米。
5）HSLink：最大帶寬可達6000MB/s，支持即插即用。
6）10GigE：俗稱萬兆網，帶寬可達到10000 Mbps，最遠可傳輸100米。

五、相機分類

按圖像傳感器類型：分為 CCD工業相機和 CMOS工業相機。

按輸出色彩：分為彩色工業相機和黑白（單色）工業相機。

按掃描方式：面陣工業相機和線陣工業相機。

按輸出信號方式分：模擬工業相機、數字工業相機。

按響應頻率范圍分：可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機等。

按照光譜波段數量來分，可分為高光譜相機和多光譜相機。

六、選型要點

工業相機選型時要注意以下幾點：

1. 分辨率的選擇。首先根據目標物體的精度要求選擇分辨率。其次看工業相機的輸出，若是用機器軟件分析識別，分辨率越高越有幫助；若是需要視頻輸出至顯示器上觀察，則依賴于顯示器的分辨率，工業相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；若是需要將圖像實時保存下來，還需要綜合服務器的存儲速率來考慮工業相機的分辨率。

2. 與鏡頭的匹配。傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭的靶面尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉接口）；

3. 相機幀數選擇。當被測物體處于運動狀態時，要選擇幀數高的工業相機。但一般來說分辨率越高，幀數越低。

系統單次運行速度 = 系統成像（包括傳輸）速度+系統檢測速度。