1.3　硬件選型

硬件的選型將關系到圖像的質量和傳輸的速率，也會間接影響視覺軟件算法的工作效率，本節將介紹機器視覺硬件系統的4個主要硬件選型。

1.3.1　光源

照明系統是機器視覺應用重要的部分之一，其主要目標是以合適的方式將光線投射到被測物體上，獲得高品質、高對比度的圖像。合適的光源能夠改善整個系統的分辨率，簡化軟件的運算；不合適的照明，則會引起很多問題，例如花點和過度曝光會隱藏很多重要信息。所以，有時我們需要屏蔽一些光線變化，有時需要增加照明或調整打光方式。

光源的種類很多，根據光源的發光機理不同，可以分為高頻熒光燈、鹵素燈（光纖光源）、發光二極管（LED）光源、氣體放電燈、激光二極管LD。按形狀分有環形光源、背光源、點光源等。選擇光源時，應根據檢測的目標物體和檢測要求決定如何打光以及選擇何種光源。例如，如果要突出被測物體的結構細節，可以使用正面或者正側面光源。如果要凸顯物體的輪廓，可以使用背面光源。在選擇和布置光源時，應根據檢測的對象和希望呈現出的畫面效果進行設計。除了可見光外，某些情況下也需要使用紅外光源。例如，某眼球追蹤項目需要捕捉瞳孔位置，這時就應該選擇紅外光源，這樣光線不可見，不會對測試者造成干擾。總的來說，要根據實際需求進行光源選擇。

在實際工程應用中，可以委托專業光源公司進行樣品打光測試，然后再進行選型。

1.3.2　相機

機器視覺項目第一步就是圖像輸入。而圖像的輸入離不開相機，如圖1.3所示。相機是一種將現場的影像轉化成數字信號或模擬信號的工具，是采集圖像的重要設備。本節將對相機的參數、分類等進行闡述。

（1）相機的分類

作為機器視覺系統中的核心部件，對于機器視覺系統的重要性是不言而喻的。按照分類的不同，相機又分為很多種：

①按色彩分，可以分為彩色相機和黑白相機。黑白相機直接將光強信號轉換成圖像灰度值，生成的是灰度圖像。而彩色相機能獲得景物中紅、綠、藍三個分量的光信號，輸出彩色圖像。一般來說，除了需要檢測顏色的情況外，通常情況下都是選黑白相機，因為黑白相機更加高效，即使采集了彩色圖像，輸入到軟件中也是先轉為黑白圖像再進行后續處理。

②按感光芯片的技術分，可以分CCD相機和CMOS相機。芯片主要差異在于將光轉換為電信號的方式。對于CCD傳感器，光照射到像元上，像元產生電荷，電荷通過少量的輸出電極傳輸并轉化為電流、緩沖、信號輸出。對于CMOS傳感器，每個像元自己完成電荷到電壓的轉換，同時產生數字信號。在大多數情況下，CCD相機的成像質量優于CMOS相機，需要根據項目的需求進行選擇。例如，在弱光低速的檢測環境下可以選擇CCD，有助于獲得更豐富的圖像細節；若追求高性價比、高成像速度和成像質量，可以選擇新式的CMOS。

③按傳感器的像素排列方式進行分類，可以分為面陣相機和線陣相機。面陣相機是將圖像以整幅畫面的形式輸出，因此其可以應用到面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。而線陣相機則是將圖像逐行輸出，可應用于圖像區域是條形或者高速運動物體成像等。此外，兩者在價格上也不同，線陣相機主要應用于一些需要高精度掃描數據領域，而面陣相機則廣泛應用于一些不需要太高精度的掃描場合，因此線陣相機的市場價格相對同一類型的面陣相機昂貴很多。

④按相機數據輸出模式的不同，分為模擬相機和數字相機，模擬相機輸出模擬信號，數字相機輸出數字信號。模擬相機通用性好，成本低，缺點為一般分辨率較低、采集速度慢，且在圖像傳輸過程中容易受到噪聲干擾，大多用于對圖像質量要求不高的機器視覺系統。數字相機內部集成了A/D轉換電路，可以直接將模擬量的圖像信號轉化為數字信號，具有圖像傳輸抗干擾能力強、分辨率高、視頻信號格式多樣、視頻輸出接口豐富等特點，因此目前機器視覺系統一般選用數字相機。

（2）相機的主要參數

在選擇相機前，首先要對相機有基本的了解，相機參數信息一般在各廠商提供的產品信息中都有詳細介紹，接下來我們介紹與機器視覺相關的相機的主要參數。

①分辨率：相機每次采集圖像的像素點數。主要用于衡量相機對物像中明暗細節的分辨能力。一般用W×H的形式表示，W、H分別表示圖像水平方向／垂直方向上每一行／列的像素數。如30萬像素的相機，其分辨率一般為640×480，總像素數為307200，即30.72萬像素。就同類相機而言，分辨率越高，相機的檔次也就越高。但選擇相機時并不是分辨率越高越好，一般來講，相機像素精度≥項目測量精度。

②像素尺寸：指每一個像素的實際大小，單位一般是μm。在分辨率一樣的情況下，像素尺寸越小，得到的圖像越大。

③像素深度：每位像素數據的位數。一般來說，8bits表示黑白圖像，24bits表示彩色RGB圖像，總的來說，像素的深度越大，圖像的顏色信息也越豐富，但相應的圖像文件也就越大。

④幀率：相機每一秒鐘拍攝的幀數。對于面陣相機一般為每秒采集的幀數（Frames/s），對于線陣相機為每秒采集的行數（Hz）。幀率越大，每秒捕捉到的圖像越多，圖像顯示就越流暢。通常一個系統要根據被測物的運動速度大小、視場的大小、測量精度計算得出需要什么速度的相機。

⑤曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）：對于線陣相機都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以設定一個固定的時間；面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數字相機一般都提供外觸發采圖的功能?？扉T速度一般可到10μs，高速相機還可以更快。

⑥數字接口：相機的接口是用來輸出相機數據的，一般有USB2.0/3.0、Fire Ware、GigE、Camera Link等類型。

（3）智能相機

典型的機器視覺系統圖像的采集功能由相機及圖像采集卡完成，圖像的處理則是在圖像采集／處理卡的支持下，由軟件在PC機中完成。智能相機是一個同時具有圖像采集、圖像處理和信息傳遞功能的小型機器視覺系統，是一種嵌入式計算機視覺系統（Embedded Machine Vision System）。它將圖像傳感器、數字處理器、通信模塊和其他外設集成到一個單一的相機之內，使相機能夠完全替代傳統的基于PC的計算機視覺系統，獨立完成預先設定的圖像處理和分析任務。由于采用一體化設計，可降低系統的復雜度，并可提高系統的可靠性，同時系統的尺寸大為縮小。

（4）相機的選型

相機的選型步驟可參考如下內容：

①確定系統精度要求和相機分辨率，當進行尺寸測量時，通過其測量精度作為其精度要求；當進行缺陷檢測時，將檢出的最小缺陷的尺寸作為其精度要求，可以通過公式：

X方向系統精度(X方向像素值)=視野范圍(X方向)/CCD芯片像素數量(X方向)

Y方向系統精度(Y方向像素值)=視野范圍(Y方向)/CCD芯片像素數量(Y方向)

分辨率=(視野的高／精度)×(視野的寬／精度)×2

②根據被測物是否運動，來選擇相機的快門方式。若物體處于運動狀態，則采用全局快門；若物體處于靜止狀態，則采用卷簾快門。

③確定相機的幀率。根據物體的運動速度，確定相機的幀率，通過公式：

最低速率=運動速度／視野。

④確定相機的圖像色彩。在一般情況下，基本選用黑白相機，由于黑白圖像檢測精度優于彩色相機，其中包括其對比度和銳度。在進行色彩識別或色彩缺陷檢測等處理時，則選擇彩色相機。

⑤確定相機與圖像采集卡的匹配問題。a．分辨率的匹配，每款板卡都只支持某一分辨率范圍內的相機；b．特殊功能的匹配，如用相機的特殊功能，先確定所用板卡是否支持此功能，比如，項目需要多部相機同時拍照，這個采集卡就必須支持多通道，如果相機是逐行掃描的，那么采集卡就必須支持逐行掃描；c．接口的匹配，確定相機與板卡的接口是否相匹配，如Camera Link、GigE、CoxPress、USB3.0等；d．視頻信號的匹配，對于黑白模擬信號相機來說有兩種格式，即CCIR和RS170(EIA)，通常采集卡同時支持這兩種相機。

⑥在滿足對檢測的必要需求后，最后才是價格的比較。

1.3.3　鏡頭

鏡頭是與相機配套使用的一種成像設備，如圖1.4所示。選擇相機之后，就可以考慮選擇合適的鏡頭了。鏡頭的主要作用是將成像目標聚焦在圖像傳感器的光敏面上。在機器視覺系統中，鏡頭常和相機作為一個整體出現，它的質量和技術指標直接影響成像子系統的性能，合理地選擇和安裝鏡頭是決定機器視覺成像子系統成敗的關鍵。

（1）鏡頭分類

①按焦距能否調節，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。機器視覺系統中常用定焦鏡頭，一般來說定焦鏡頭的光學品質更出眾，缺點是當拍攝距離確定，其拍攝視角也就固定了，要想改變視角畫面，則需要移動拍攝者位置。依據焦距的長短，定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭四大類。需要注意的是，焦距的長短劃分并不是以焦距的絕對值為首要標準，而是以像角的大小為主要區分依據，所以當靶面的大小不等時，其標準鏡頭的焦距大小也不同。變焦鏡頭涵蓋了從超廣角鏡頭到超望遠鏡頭的各種焦段選擇，目前專業級的變焦鏡頭在光學品質方面幾乎能夠和定焦鏡頭相媲美。

②根據鏡頭接口類型劃分，鏡頭和攝像機之間的接口有許多不同的類型，物鏡的接口有三種國際標準：F接口、C接口和CS接口。其中C接口和CS接口是工業相機最常見的標準接口，適用于物鏡焦距小于25mm且物鏡的尺寸不大的情況。F接口是通用型接口，一般適用于焦距大于25mm的鏡頭。接口類型的不同和鏡頭性能及質量并無直接關系，只是接口方式不同，一般可以找到各種常用接口之間的轉接口。

③特殊用途的鏡頭。

a．顯微鏡頭，一般是指成像比例大于10：1的拍攝系統所用鏡頭，但由于現在的攝像機的像元尺寸已經做到3μm以內，所以一般成像比例大于2：1時也會選用顯微鏡頭。

b．微距鏡頭（Macro），一般是指成像比例為（2：1）～（1：4）范圍內的特殊設計的鏡頭。在對圖像質量要求不是很高的情況下，一般可采用在鏡頭和攝像機之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達到放大成像的效果。

c．遠心鏡頭（Telecentric），主要是為糾正傳統鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內，使得到的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應用。

d．紫外鏡頭和紅外鏡頭，一般鏡頭是針對可見光范圍內的使用設計的，由于同一光學系統對不同波長的光線折射率不同，導致同一點發出的不同波長的光成像時不能會聚成一點，產生色差。常用鏡頭的消色差設計也是針對可見光范圍的，紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專門針對紫外線和紅外線進行設計的鏡頭。

（2）鏡頭參數

①分辨率。鏡頭分辨率表示它的空間極限分辨能力，常用拍攝正弦光柵的方法來測試。鏡頭的分辨率越高，成像越清晰。分辨率的選擇，關鍵看對圖像細節的要求。同時，鏡頭的分辨率應當不小于相機的分辨率。

②物距與焦距。物距是目標對象與相機的距離。焦距指目標對象在鏡頭的像方所成像位置到像方主面的距離。焦距體現了鏡頭的基本特性：即在不同物距上，目標的成像位置和成像大小由焦距決定。對于相同的感光元件，搭配的鏡頭焦距越長，視場角越小，反之成立（排除枕形畸變的影響）?？梢愿鶕D1.5直觀感受一下使用同款感光芯片的焦距概念。

③最大像面。最大像面是指鏡頭能支持的最大清晰成像范圍（常用可觀測范圍的直徑表示），超出這個范圍所成的像對比度會降低，而且會變得模糊不清。由于機器視覺成像系統中的傳感器多制作成長方形或正方形，因此鏡頭的最大像面常用它可以支持的最大傳感器尺寸（單位為in，靶面1in表示對角線16mm）來表示。相應地，鏡頭的視場也可以用最大像面所對應的橫向和縱向觀測距離或視場角來表示，如圖1.6所示。

④視場／視場角。鏡頭的視場就是鏡頭最大像面所對應的觀測區域。視場角為以光學儀器的鏡頭為頂點，被測目標的物像可通過鏡頭的最大范圍的兩條邊緣構成的夾角。也就是說，如果目標物體超過視場角就不會被收在鏡頭里。在遠距離成像系統中，例如望遠鏡、航拍鏡頭等場合，鏡頭的成像范圍均用視場角來衡量。而近距離成像中，常用實際物面的直徑（即幅面）來表示。

⑤光圈（F）。光圈是鏡頭相對孔徑的倒數，它是一個用來控制光線透過鏡頭，進入機身內感光面光量的裝置，一般用F來表示這一參數。例如，鏡頭的相對孔徑是1：2，光圈就是F2.0，也就是說，光圈系數的標稱值數字越小，表示其實際光圈越大。當相機曝光時間、增益等參數恒定時，光圈越大，進入相機的光線越多，畫面就越亮，如圖1.7所示。因此對于光線比較暗的場合，可選用大一點的光圈。

⑥景深。景深是指在鏡頭前方沿著光軸所測定的能夠清晰成像的范圍，與鏡頭和成像系統關系十分密切。可成清晰像的最遠的物平面稱為遠景平面，它與對準平面的距離稱為后景深DOF₂；能成清晰像的最近物平面稱為近景平面，它與對準平面的距離稱為前景深DOF₁；景深=前景深+后景深。如圖1.8所示，與景深有關的計算公式如式（1.1）～式（1.3）所示。

前景深：

　?。?.1）

后景深：

　?。?.2）

景深：

　　（1.3）

其中，δ為容許彌散圓直徑；f為鏡頭焦距；D為對焦距離；F為鏡頭的拍攝光圈值。

⑦對比度。對比度用來形容圖像最亮處和最暗處的差別，用MTF來表示，MTF描述的是光學成像系統對各頻率分量對比度的傳遞特性，如式（1.4）所示。

　?。?.4）

式中，和表示像的最大和最小灰度值；I_max和I_min表示物的最大和最小灰度值。很明顯，調制度介于0～1之間，調制度M越高，意味著對比度越大；當圖像中的最大亮度和最小亮度相等，此時MTF為0。

⑧鏡頭倍率。鏡頭倍率即放大倍數，這個值與被測物體的工作距離有關，要根據放大需求決定。

⑨接口。接口是鏡頭與相機的機械連接方式。鏡頭的接口應與相機的物理接口相匹配。例如，相機的接口是C口，鏡頭也應選擇C口。還有F口、CS口、S口等接口，不同的接口是為了適應不同的相機芯片尺寸。

（3）鏡頭選擇步驟

選擇鏡頭時，可以參考以下步驟。

①確定鏡頭的工作波長和是否需要變焦，變焦與定焦鏡頭的選擇由成像過程需要改變放大的倍率決定。

②確定鏡頭的景深效果（DOF）。景深效果（DOF）是指由于物體移動導致的模糊，是保持理想對焦狀態下物體允許的移動量（從最佳焦距前后移動）。當物體的放置位置比工作距離近或者遠的時候，它就位于焦外了，這樣解析度和對比度都會受到不好的影響。出于這個原因，DOF同指定的分辨率和對比度相配合。當景深一定的情況下，DOF可以通過縮小鏡頭孔徑來變大，同時也需要光線增強。

③確定焦距。首先測量工作距離和目標物體的大小，得到圖像的寬或高。然后確定相機的安裝位置，從相機的拍攝角度推測視角，最后根據二者的幾何關系計算相機的焦距。鏡頭的焦距是和鏡頭的工作距離、系統分辨率（及CCD像素尺寸）相關的。

④根據現場的拍攝要求，考慮光圈、價格等其他因素。

1.3.4　圖像采集卡

圖像采集卡（如圖1.9所示）又稱圖像捕捉卡，其功能主要是將來自相機的模擬信號或數字信號轉化為所需的圖像數據流并發送到計算機端，是相機和計算機之間的重要連接組件。在上一節我們已經了解到并不是所有情況都需要用到圖像采集卡，但是在接口傳輸速度要求很高的項目中往往需要應用圖像采集卡方可滿足需求。

（1）圖像采集卡的種類

①按接收信號的種類，可以分為模擬信號圖像采集卡和數字信號圖像采集卡。

②按接口的適用性，可以分為專用接口（如Camera Link、模擬視頻接口等）采集卡和通用接口采集卡（如GigE、USB3.0等）。

③按支持的顏色，可以分為彩色圖像采集卡和黑白圖像采集卡。

④按其性能作用，可以分為電視卡、圖像采集卡、DV采集卡、電腦視頻卡、監控采集卡、多屏卡、流媒體采集卡、分量采集卡、高清采集卡、筆記本采集卡、DVR卡、VCD卡、非線性編輯卡（簡稱非編卡）。

（2）圖像采集卡的技術參數

①圖像傳輸接口與數據格式。圖像采集卡的傳輸接口需與所選用相機一致。大多數攝像機采用RS422或EIA644（LVDS）作為輸出信號格式。在數字相機中，IEEE1394、USB2.0和Camera Link幾種圖像傳輸形式得到了廣泛應用。若選用數字制式，還必須考慮相機的數字位數。

②圖像格式（像素格式）。

a．黑白圖像：通常情況下，圖像灰度等級可分為256級，即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時，可用10位、12位等來表示。

b．彩色圖像：彩色圖像可由RGB（YUV）3種色彩組合而成，根據其亮度級別的不同有8-8-8、10-10-10等格式。

③傳輸通道數。當攝像機以較高速率拍攝高分辨率圖像時，會產生很高的輸出速率，這一般需要多路信號同時輸出，圖像采集卡應能支持多路輸入。一般情況下，有1路、2路、4路、8路輸入等。隨著科技的不斷發展和行業的不斷需求，路數更多的采集卡也出現在市面上。

④分辨率。采集卡能支持的最大點陣反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持768×576點陣，而性能優異的采集卡支持的最大點陣可達64k×64k。單行最大點數和單幀最大行數也可反映采集卡的分辨率性能。同三維推出的采集卡能達到1920×1080分辨率。

⑤采樣頻率。采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進行高度圖像采集時，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。高檔的采集卡采樣頻率可達65MHz。

⑥傳輸速率。主流圖像采集卡與主板間都采用PCI接口，其理論傳輸速度為132MB/s。

（3）圖像采集卡的選型

選擇圖像采集卡之前，要明確項目的功能需求，如分辨率、傳輸速率等要求，以及相機的詳細參數。圖像采集卡的選型應當與相機匹配，主要指以下幾個方面的匹配。

①支持的接口模式，如Camera Link接口的相機支持的模式有Base模式、Medium模式、Full模式，那么圖像采集卡在選擇時也應當與相機的模式匹配。在實際項目中曾發現，如果相機選擇Base模式，而圖像采集卡選用Full模式，會造成圖像數據的丟失或缺色。

②支持的分辨率：在選擇時應考慮圖像采集卡的分辨率是否能滿足輸入圖像的要求。

③其他：還應當考慮硬件的可靠性，如有沒有過電壓保護、散熱性能如何等。除了硬件外，還要考慮配套軟件的易用性。圖像采集卡一般都有配套的開發包，如SDK、開發平臺等，可根據開發者的經驗和偏好進行選擇。