1.3　硬件选型

硬件的选型将关系到图像的质量和传输的速率，也会间接影响视觉软件算法的工作效率，本节将介绍机器视觉硬件系统的4个主要硬件选型。

1.3.1　光源

照明系统是机器视觉应用重要的部分之一，其主要目标是以合适的方式将光线投射到被测物体上，获得高品质、高对比度的图像。合适的光源能够改善整个系统的分辨率，简化软件的运算；不合适的照明，则会引起很多问题，例如花点和过度曝光会隐藏很多重要信息。所以，有时我们需要屏蔽一些光线变化，有时需要增加照明或调整打光方式。

光源的种类很多，根据光源的发光机理不同，可以分为高频荧光灯、卤素灯（光纤光源）、发光二极管（LED）光源、气体放电灯、激光二极管LD。按形状分有环形光源、背光源、点光源等。选择光源时，应根据检测的目标物体和检测要求决定如何打光以及选择何种光源。例如，如果要突出被测物体的结构细节，可以使用正面或者正侧面光源。如果要凸显物体的轮廓，可以使用背面光源。在选择和布置光源时，应根据检测的对象和希望呈现出的画面效果进行设计。除了可见光外，某些情况下也需要使用红外光源。例如，某眼球追踪项目需要捕捉瞳孔位置，这时就应该选择红外光源，这样光线不可见，不会对测试者造成干扰。总的来说，要根据实际需求进行光源选择。

在实际工程应用中，可以委托专业光源公司进行样品打光测试，然后再进行选型。

1.3.2　相机

机器视觉项目第一步就是图像输入。而图像的输入离不开相机，如图1.3所示。相机是一种将现场的影像转化成数字信号或模拟信号的工具，是采集图像的重要设备。本节将对相机的参数、分类等进行阐述。

（1）相机的分类

作为机器视觉系统中的核心部件，对于机器视觉系统的重要性是不言而喻的。按照分类的不同，相机又分为很多种：

①按色彩分，可以分为彩色相机和黑白相机。黑白相机直接将光强信号转换成图像灰度值，生成的是灰度图像。而彩色相机能获得景物中红、绿、蓝三个分量的光信号，输出彩色图像。一般来说，除了需要检测颜色的情况外，通常情况下都是选黑白相机，因为黑白相机更加高效，即使采集了彩色图像，输入到软件中也是先转为黑白图像再进行后续处理。

②按感光芯片的技术分，可以分CCD相机和CMOS相机。芯片主要差异在于将光转换为电信号的方式。对于CCD传感器，光照射到像元上，像元产生电荷，电荷通过少量的输出电极传输并转化为电流、缓冲、信号输出。对于CMOS传感器，每个像元自己完成电荷到电压的转换，同时产生数字信号。在大多数情况下，CCD相机的成像质量优于CMOS相机，需要根据项目的需求进行选择。例如，在弱光低速的检测环境下可以选择CCD，有助于获得更丰富的图像细节；若追求高性价比、高成像速度和成像质量，可以选择新式的CMOS。

③按传感器的像素排列方式进行分类，可以分为面阵相机和线阵相机。面阵相机是将图像以整幅画面的形式输出，因此其可以应用到面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。而线阵相机则是将图像逐行输出，可应用于图像区域是条形或者高速运动物体成像等。此外，两者在价格上也不同，线阵相机主要应用于一些需要高精度扫描数据领域，而面阵相机则广泛应用于一些不需要太高精度的扫描场合，因此线阵相机的市场价格相对同一类型的面阵相机昂贵很多。

④按相机数据输出模式的不同，分为模拟相机和数字相机，模拟相机输出模拟信号，数字相机输出数字信号。模拟相机通用性好，成本低，缺点为一般分辨率较低、采集速度慢，且在图像传输过程中容易受到噪声干扰，大多用于对图像质量要求不高的机器视觉系统。数字相机内部集成了A/D转换电路，可以直接将模拟量的图像信号转化为数字信号，具有图像传输抗干扰能力强、分辨率高、视频信号格式多样、视频输出接口丰富等特点，因此目前机器视觉系统一般选用数字相机。

（2）相机的主要参数

在选择相机前，首先要对相机有基本的了解，相机参数信息一般在各厂商提供的产品信息中都有详细介绍，接下来我们介绍与机器视觉相关的相机的主要参数。

①分辨率：相机每次采集图像的像素点数。主要用于衡量相机对物像中明暗细节的分辨能力。一般用W×H的形式表示，W、H分别表示图像水平方向／垂直方向上每一行／列的像素数。如30万像素的相机，其分辨率一般为640×480，总像素数为307200，即30.72万像素。就同类相机而言，分辨率越高，相机的档次也就越高。但选择相机时并不是分辨率越高越好，一般来讲，相机像素精度≥项目测量精度。

②像素尺寸：指每一个像素的实际大小，单位一般是μm。在分辨率一样的情况下，像素尺寸越小，得到的图像越大。

③像素深度：每位像素数据的位数。一般来说，8bits表示黑白图像，24bits表示彩色RGB图像，总的来说，像素的深度越大，图像的颜色信息也越丰富，但相应的图像文件也就越大。

④帧率：相机每一秒钟拍摄的帧数。对于面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/s），对于线阵相机为每秒采集的行数（Hz）。帧率越大，每秒捕捉到的图像越多，图像显示就越流畅。通常一个系统要根据被测物的运动速度大小、视场的大小、测量精度计算得出需要什么速度的相机。

⑤曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）：对于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采集方式，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、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，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10μs，高速相机还可以更快。

⑥数字接口：相机的接口是用来输出相机数据的，一般有USB2.0/3.0、Fire Ware、GigE、Camera Link等类型。

（3）智能相机

典型的机器视觉系统图像的采集功能由相机及图像采集卡完成，图像的处理则是在图像采集／处理卡的支持下，由软件在PC机中完成。智能相机是一个同时具有图像采集、图像处理和信息传递功能的小型机器视觉系统，是一种嵌入式计算机视觉系统（Embedded Machine Vision System）。它将图像传感器、数字处理器、通信模块和其他外设集成到一个单一的相机之内，使相机能够完全替代传统的基于PC的计算机视觉系统，独立完成预先设定的图像处理和分析任务。由于采用一体化设计，可降低系统的复杂度，并可提高系统的可靠性，同时系统的尺寸大为缩小。

（4）相机的选型

相机的选型步骤可参考如下内容：

①确定系统精度要求和相机分辨率，当进行尺寸测量时，通过其测量精度作为其精度要求；当进行缺陷检测时，将检出的最小缺陷的尺寸作为其精度要求，可以通过公式：

X方向系统精度(X方向像素值)=视野范围(X方向)/CCD芯片像素数量(X方向)

Y方向系统精度(Y方向像素值)=视野范围(Y方向)/CCD芯片像素数量(Y方向)

分辨率=(视野的高／精度)×(视野的宽／精度)×2

②根据被测物是否运动，来选择相机的快门方式。若物体处于运动状态，则采用全局快门；若物体处于静止状态，则采用卷帘快门。

③确定相机的帧率。根据物体的运动速度，确定相机的帧率，通过公式：

最低速率=运动速度／视野。

④确定相机的图像色彩。在一般情况下，基本选用黑白相机，由于黑白图像检测精度优于彩色相机，其中包括其对比度和锐度。在进行色彩识别或色彩缺陷检测等处理时，则选择彩色相机。

⑤确定相机与图像采集卡的匹配问题。a．分辨率的匹配，每款板卡都只支持某一分辨率范围内的相机；b．特殊功能的匹配，如用相机的特殊功能，先确定所用板卡是否支持此功能，比如，项目需要多部相机同时拍照，这个采集卡就必须支持多通道，如果相机是逐行扫描的，那么采集卡就必须支持逐行扫描；c．接口的匹配，确定相机与板卡的接口是否相匹配，如Camera Link、GigE、CoxPress、USB3.0等；d．视频信号的匹配，对于黑白模拟信号相机来说有两种格式，即CCIR和RS170(EIA)，通常采集卡同时支持这两种相机。

⑥在满足对检测的必要需求后，最后才是价格的比较。

1.3.3　镜头

镜头是与相机配套使用的一种成像设备，如图1.4所示。选择相机之后，就可以考虑选择合适的镜头了。镜头的主要作用是将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。在机器视觉系统中，镜头常和相机作为一个整体出现，它的质量和技术指标直接影响成像子系统的性能，合理地选择和安装镜头是决定机器视觉成像子系统成败的关键。

（1）镜头分类

①按焦距能否调节，可分为定焦镜头和变焦镜头两大类。机器视觉系统中常用定焦镜头，一般来说定焦镜头的光学品质更出众，缺点是当拍摄距离确定，其拍摄视角也就固定了，要想改变视角画面，则需要移动拍摄者位置。依据焦距的长短，定焦距镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。需要注意的是，焦距的长短划分并不是以焦距的绝对值为首要标准，而是以像角的大小为主要区分依据，所以当靶面的大小不等时，其标准镜头的焦距大小也不同。变焦镜头涵盖了从超广角镜头到超望远镜头的各种焦段选择，目前专业级的变焦镜头在光学品质方面几乎能够和定焦镜头相媲美。

②根据镜头接口类型划分，镜头和摄像机之间的接口有许多不同的类型，物镜的接口有三种国际标准：F接口、C接口和CS接口。其中C接口和CS接口是工业相机最常见的标准接口，适用于物镜焦距小于25mm且物镜的尺寸不大的情况。F接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式不同，一般可以找到各种常用接口之间的转接口。

③特殊用途的镜头。

a．显微镜头，一般是指成像比例大于10：1的拍摄系统所用镜头，但由于现在的摄像机的像元尺寸已经做到3μm以内，所以一般成像比例大于2：1时也会选用显微镜头。

b．微距镜头（Macro），一般是指成像比例为（2：1）～（1：4）范围内的特殊设计的镜头。在对图像质量要求不是很高的情况下，一般可采用在镜头和摄像机之间加近摄接圈的方式或在镜头前加近拍镜的方式达到放大成像的效果。

c．远心镜头（Telecentric），主要是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。

d．紫外镜头和红外镜头，一般镜头是针对可见光范围内的使用设计的，由于同一光学系统对不同波长的光线折射率不同，导致同一点发出的不同波长的光成像时不能会聚成一点，产生色差。常用镜头的消色差设计也是针对可见光范围的，紫外镜头和红外镜头即是专门针对紫外线和红外线进行设计的镜头。

（2）镜头参数

①分辨率。镜头分辨率表示它的空间极限分辨能力，常用拍摄正弦光栅的方法来测试。镜头的分辨率越高，成像越清晰。分辨率的选择，关键看对图像细节的要求。同时，镜头的分辨率应当不小于相机的分辨率。

②物距与焦距。物距是目标对象与相机的距离。焦距指目标对象在镜头的像方所成像位置到像方主面的距离。焦距体现了镜头的基本特性：即在不同物距上，目标的成像位置和成像大小由焦距决定。对于相同的感光元件，搭配的镜头焦距越长，视场角越小，反之成立（排除枕形畸变的影响）。可以根据图1.5直观感受一下使用同款感光芯片的焦距概念。

③最大像面。最大像面是指镜头能支持的最大清晰成像范围（常用可观测范围的直径表示），超出这个范围所成的像对比度会降低，而且会变得模糊不清。由于机器视觉成像系统中的传感器多制作成长方形或正方形，因此镜头的最大像面常用它可以支持的最大传感器尺寸（单位为in，靶面1in表示对角线16mm）来表示。相应地，镜头的视场也可以用最大像面所对应的横向和纵向观测距离或视场角来表示，如图1.6所示。

④视场／视场角。镜头的视场就是镜头最大像面所对应的观测区域。视场角为以光学仪器的镜头为顶点，被测目标的物像可通过镜头的最大范围的两条边缘构成的夹角。也就是说，如果目标物体超过视场角就不会被收在镜头里。在远距离成像系统中，例如望远镜、航拍镜头等场合，镜头的成像范围均用视场角来衡量。而近距离成像中，常用实际物面的直径（即幅面）来表示。

⑤光圈（F）。光圈是镜头相对孔径的倒数，它是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面光量的装置，一般用F来表示这一参数。例如，镜头的相对孔径是1：2，光圈就是F2.0，也就是说，光圈系数的标称值数字越小，表示其实际光圈越大。当相机曝光时间、增益等参数恒定时，光圈越大，进入相机的光线越多，画面就越亮，如图1.7所示。因此对于光线比较暗的场合，可选用大一点的光圈。

⑥景深。景深是指在镜头前方沿着光轴所测定的能够清晰成像的范围，与镜头和成像系统关系十分密切。可成清晰像的最远的物平面称为远景平面，它与对准平面的距离称为后景深DOF₂；能成清晰像的最近物平面称为近景平面，它与对准平面的距离称为前景深DOF₁；景深=前景深+后景深。如图1.8所示，与景深有关的计算公式如式（1.1）～式（1.3）所示。

前景深：

　　（1.1）

后景深：

　　（1.2）

景深：

　　（1.3）

其中，δ为容许弥散圆直径；f为镜头焦距；D为对焦距离；F为镜头的拍摄光圈值。

⑦对比度。对比度用来形容图像最亮处和最暗处的差别，用MTF来表示，MTF描述的是光学成像系统对各频率分量对比度的传递特性，如式（1.4）所示。

　　（1.4）

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。很明显，调制度介于0～1之间，调制度M越高，意味着对比度越大；当图像中的最大亮度和最小亮度相等，此时MTF为0。

⑧镜头倍率。镜头倍率即放大倍数，这个值与被测物体的工作距离有关，要根据放大需求决定。

⑨接口。接口是镜头与相机的机械连接方式。镜头的接口应与相机的物理接口相匹配。例如，相机的接口是C口，镜头也应选择C口。还有F口、CS口、S口等接口，不同的接口是为了适应不同的相机芯片尺寸。

（3）镜头选择步骤

选择镜头时，可以参考以下步骤。

①确定镜头的工作波长和是否需要变焦，变焦与定焦镜头的选择由成像过程需要改变放大的倍率决定。

②确定镜头的景深效果（DOF）。景深效果（DOF）是指由于物体移动导致的模糊，是保持理想对焦状态下物体允许的移动量（从最佳焦距前后移动）。当物体的放置位置比工作距离近或者远的时候，它就位于焦外了，这样解析度和对比度都会受到不好的影响。出于这个原因，DOF同指定的分辨率和对比度相配合。当景深一定的情况下，DOF可以通过缩小镜头孔径来变大，同时也需要光线增强。

③确定焦距。首先测量工作距离和目标物体的大小，得到图像的宽或高。然后确定相机的安装位置，从相机的拍摄角度推测视角，最后根据二者的几何关系计算相机的焦距。镜头的焦距是和镜头的工作距离、系统分辨率（及CCD像素尺寸）相关的。

④根据现场的拍摄要求，考虑光圈、价格等其他因素。

1.3.4　图像采集卡

图像采集卡（如图1.9所示）又称图像捕捉卡，其功能主要是将来自相机的模拟信号或数字信号转化为所需的图像数据流并发送到计算机端，是相机和计算机之间的重要连接组件。在上一节我们已经了解到并不是所有情况都需要用到图像采集卡，但是在接口传输速度要求很高的项目中往往需要应用图像采集卡方可满足需求。

（1）图像采集卡的种类

①按接收信号的种类，可以分为模拟信号图像采集卡和数字信号图像采集卡。

②按接口的适用性，可以分为专用接口（如Camera Link、模拟视频接口等）采集卡和通用接口采集卡（如GigE、USB3.0等）。

③按支持的颜色，可以分为彩色图像采集卡和黑白图像采集卡。

④按其性能作用，可以分为电视卡、图像采集卡、DV采集卡、电脑视频卡、监控采集卡、多屏卡、流媒体采集卡、分量采集卡、高清采集卡、笔记本采集卡、DVR卡、VCD卡、非线性编辑卡（简称非编卡）。

（2）图像采集卡的技术参数

①图像传输接口与数据格式。图像采集卡的传输接口需与所选用相机一致。大多数摄像机采用RS422或EIA644（LVDS）作为输出信号格式。在数字相机中，IEEE1394、USB2.0和Camera Link几种图像传输形式得到了广泛应用。若选用数字制式，还必须考虑相机的数字位数。

②图像格式（像素格式）。

a．黑白图像：通常情况下，图像灰度等级可分为256级，即以8位表示。在对图像灰度有更精确要求时，可用10位、12位等来表示。

b．彩色图像：彩色图像可由RGB（YUV）3种色彩组合而成，根据其亮度级别的不同有8-8-8、10-10-10等格式。

③传输通道数。当摄像机以较高速率拍摄高分辨率图像时，会产生很高的输出速率，这一般需要多路信号同时输出，图像采集卡应能支持多路输入。一般情况下，有1路、2路、4路、8路输入等。随着科技的不断发展和行业的不断需求，路数更多的采集卡也出现在市面上。

④分辨率。采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持768×576点阵，而性能优异的采集卡支持的最大点阵可达64k×64k。单行最大点数和单帧最大行数也可反映采集卡的分辨率性能。同三维推出的采集卡能达到1920×1080分辨率。

⑤采样频率。采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行高度图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。高档的采集卡采样频率可达65MHz。

⑥传输速率。主流图像采集卡与主板间都采用PCI接口，其理论传输速度为132MB/s。

（3）图像采集卡的选型

选择图像采集卡之前，要明确项目的功能需求，如分辨率、传输速率等要求，以及相机的详细参数。图像采集卡的选型应当与相机匹配，主要指以下几个方面的匹配。

①支持的接口模式，如Camera Link接口的相机支持的模式有Base模式、Medium模式、Full模式，那么图像采集卡在选择时也应当与相机的模式匹配。在实际项目中曾发现，如果相机选择Base模式，而图像采集卡选用Full模式，会造成图像数据的丢失或缺色。

②支持的分辨率：在选择时应考虑图像采集卡的分辨率是否能满足输入图像的要求。

③其他：还应当考虑硬件的可靠性，如有没有过电压保护、散热性能如何等。除了硬件外，还要考虑配套软件的易用性。图像采集卡一般都有配套的开发包，如SDK、开发平台等，可根据开发者的经验和偏好进行选择。