機器視覺系統的設計

　　機器視覺系統集成是將各種不同的組件和子系統組合在一起并使它們充當單個統一系統的過程。

　　視覺系統集成包括光源，鏡頭，相機，相機接口和圖像處理軟件等等。您可能想知道如何設計和實現一個完整，成功的機器視覺系統。

　　在本文中，我們將討論構成機器視覺系統集成的廣泛任務的通用部分，然后重點介紹使用基本機器視覺應用程序的真實示例進行系統設計的分步過程。

　　從根本上說，“系統集成”是將各種不同的組件和子系統組合在一起并使它們作為單個統一系統運行的過程。不同的視覺系統實現的步驟，階段和相關術語會相差很大。

　　一般來說，對于機器視覺中的整個系統集成過程，步驟可能包括：

　　第1部分–準備：初步分析和項目需求規范。

　　第2部分–設計：詳細的最終技術/系統規范。

　　第3部分–實施：組裝/構建/初始測試

　　第4部分–部署：交付/安裝/啟動和驗收測試。

　　但是，在此討論中，我們將僅專注于非常關鍵且有時很復雜的“設計”階段，以及它如何進入“實施”階段。這是按執行順序進行設計的基本順序：

　　■ 選擇相機

　　■ 選擇鏡頭

　　■ 選擇光源

　　■ 采集一些圖像以驗證成像

　　■ 選擇計算機（如果使用智能相機則不需要）

　　■ 開發程序（圖像處理，操作員界面等）

　　■ 將所有內容結合在一起，開始測試和優化

　　在開始設計之前，您需要有一個已經過全面審查的“需求規范”，它標識了系統必須執行的操作以及它將如何運行，“驗收測試”文檔詳細說明了如何驗證系統，并進行系統功能演示測試。事先應進行適當的評估，以確認建議的機器視覺設計和組件將能夠滿足要求的需求。

　　同樣重要的是要認識到，在任何學科中進行整合都是團隊活動。在機器視覺中，它始于客戶和系統集成團隊（公司內部或外部）。系統集成團隊必須具備光學，照明，電子，控制，編程，機械設計和項目管理等技能，并且可能還具有其他技能，例如機器人技術，運動控制，文檔和培訓。

　　鑒于所有這些都已經準備就緒，是時候從組件選擇開始著手進行系統設計了。

系統設計：組件選擇和規格

相機選擇

　　我們將使用“相機”一詞來廣泛地描述執行圖像采集的機器視覺系統中的組件。相機的基本規格受物體的特征檢測，識別，位置或測量的要求以及處理速度（以及其他一些注意事項）的驅動。根據需求，確定應用程序所需的空間分辨率，圖像分辨率和幀速率。

　　● 空間分辨率

　　通過處理的最小特征的像素數或必須達到的測量精度/可重復性，或兩者來確定空間分辨率。

　　舉例來說，從規格上，您需要檢測一個直徑為0.3mm的小孔。從理論上講，兩個像素就足夠了，但是經驗告訴我們，只有兩個像素是不可靠的。需要三個，四個或更多像素來覆蓋小孔的特征。如果您說需要四個像素，則您的空間分辨率為0.3毫米除以四個像素，為0.075毫米/像素。

　　在測量應用程序中，您會使用一種算法，可以達到亞像素精度的可重復性。亞像素究竟有多小，取決于多種因素，包括圖像中要測量的特征的大小（可以以更高的精度測量較大的特征），測量的特征與其背景的對比度以及相機噪聲。實際可達到的子像素分辨率取決于具體應用。有實際經驗表明，亞像素精度下限約為像素的十分之一。

　　假設您需要測量0.01mm的精度（可重復性），并且根據經驗或一些實驗，您認為該算法的重復精度可以做到像素的五分之一。然后，您所需的空間分辨率為0.01mm除以1/5像素，則系統所需的空間分辨率為0.05mm/像素。

　　如果您同時對最小特征的像素數或必須達到的測量精度/可重復性有要求，可以同時計算空間分辨率并選擇較小的結果。

　　● 圖像分辨率

　　所需的圖像分辨率就是實現我們的計算所確定的空間分辨率所需的像素列數和行數。定義成像區域（“視場”/FOV），將FOV除以空間分辨率。例如，如果我們指定了133x133mm的視野，而空間分辨率（根據我們的計算）為.075mm/像素，那么我們的圖像分辨率為133mm除以.075mm/像素，則寬度和高度均為1,733像素。

　　選擇像素行和列計數等于或大于您計算的攝像機。在此示例中，您可能會考慮使用圖像傳感器像素尺寸為3.45um，分辨率為2448x2448的相機。

　　● 成像幀率

　　相機選擇的最后一個基本步驟是驗證候選相機是否可以達到適用于指定應用程序的圖像幀速率（每秒幀數），并從選擇合適的圖像采集接口（“智能攝像機”不需要）。大多數基本的通用機器視覺應用程序的工件吞吐量都相對較低（每秒10-15個零件，并且通常要慢得多）。實現高成像速率應用程序的細節不在此討論的范圍內，但一定要意識到分辨率越高，成像幀率越慢。

鏡頭選擇

　　決定鏡頭選擇的基本因素包括：鏡頭格式，所需的視場，成像組件從物體到圖像的距離（工作距離/WD）以及所需的光學分辨率。在我們的討論中，我們將考慮選擇“固定焦距”鏡頭。（其他更專業的鏡頭，例如“遠心”鏡頭在許多機器視覺應用中很有用，但這將用于另一次討論。）鏡頭規格的選擇包含三個相關計算：光學分辨率，放大倍數（也稱為PMAG）和對鏡頭的焦距。

　　● 鏡頭屬性

　　鏡頭屬性就是標明制造廠商、鏡頭卡口型號以及適用什么圖像傳感器尺寸等等

　　● 光學分辨率

　　此度量標準有助于評估鏡頭清晰地再現被攝景物纖微細節的能力，是評價鏡頭質量的一個重要參數。（這是一個很好的出發點，盡管可以使用許多其他附加措施來比較鏡頭。）圖像傳感器的目標光學分辨率為1線/（2*像素大小，單位為mm）；在我們的示例中為1/（2*0.00345）大約為145lp/mm。

　　● 放大倍率

　　鏡頭將所需的FOV轉換或“放大”，并將其“投影”到相機傳感器上。通過將FOV的短邊尺寸除以傳感器的短邊物理尺寸，可以計算出特定FOV所需的放大倍數。例如，根據上面的討論，傳感器短邊尺寸為7.07mm，FOV為133mm，推導所需的放大倍數（M）為約0.053x。

　　最后，要獲得鏡頭焦距（f）的估計值，可以使用供應商提供的鏡頭參數對照表或鏡頭計算器或公式。

　　對于我們的示例，假設工作距離（WD）約為500mm，得出焦距為25.17mm。然后，我們最終的鏡頭選擇可能是25mm焦距，具有160線對/mm的光學分辨率和C型卡口。

照明選擇

　　機器視覺照明的目標是在工件及其背景之間產生對比度。有大量關于機器視覺照明技術的文獻參考，以及每種技術在什么條件下都能很好地工作。

評估和最終設計

圖像評估和測試

　　在致力于構建完整的系統之前，證明您的設計非常重要。通常，可行性測試期間，會發現設計中的缺陷，在投入更多時間和金錢之前迅速糾正設計缺陷，之后再進行更改會更加昂貴和耗時。

　　為了進行測試，請使用設計中的實際相機，鏡頭和光源。并使用多個實物樣本進行成像，以代表在實際生產中將出現的變化。如果需要，使用與生產環境等效的零件外觀模型，并包括預期的外觀變化。

　　基本評估應實現以下目標：

　　■ 確認鏡頭和相機在所需的WD處產生正確的FOV

　　■ 確認成像系統（相機，鏡頭，照明）相對于應用程序需求，創建了高質量（對比度和特征清晰度）圖像。

　　■ 檢查系統分辨率是否產生了預期的需求定義，并適合于應用程序。

　　■ 評估基本處理（缺陷檢測，測量等），以確認預期的系統功能

　　當然，在整個測試和評估過程中，可能有必要重新考慮組件的選擇。在需要的地方，重新評估組件的選擇，以找到可提供更高質量圖像的組件。

電腦/處理器

　　如果您為相機選擇了智能相機，那么您已經選擇了處理器。否則，您可以選擇專用處理器（集成了處理器，操作系統和機器視覺軟件的專用處理器），工業PC或在某些不太苛刻的環境中可以正常工作的標準PC，確保處理器具有相機和/或其他外部設備所需的接口，以及具有以目標速率處理結果的計算能力。

系統設計：文檔

　　設計的最后一步是對其進行記錄。可以收集的有關成像設計的數據將幫助您進行故障排除和復制。

其他設計注意事項

　　機器視覺系統作為獨立組件集成的確很少見。至少要進行機械設計才能實現；可能設計和構建完整的自動化系統。其他自動化組件也可能會起作用，包括PLC，機器人和其他設備。

結論

　　設計階段自然會演變為實施階段：組裝，構建和測試。這是一個反復的過程，在設計和構建階段之間會有重疊。在集成期間，請考慮一個總體規則：測試，優化/調整，重復。希望本機器視覺集成設計的基本介紹將幫助您在下一個機器視覺項目中取得成功。