苏州协尔智能光电有限公司

   任何机器视觉检测项目方案大体都由三部分组成：图像采集方案，图像处理方案，机构平台方案。这三部分的方案的执行既有先后实施的顺序又需要统筹的去考虑，采集图像是第一步，有了图像才能去计算去处理，有了处理的结果才能通讯后续机构的执行，无论是人手工、机械手、流水线等，只有完全执行完毕，一个视觉检测任务才算是结束。但这三者的方案往往又需要统一去考虑，才能保证彼此衔接实施的顺畅和效率。比如说图像采集方案里采集图片的效率和方式要考虑图像处理的效率和机构平台的运作方式，速度要衔接；采集图像的区域分割要考虑图像处理的精度和机构平台的空间和布局；因此一个视觉方案的完成需要针对客的真实需求做全面的剖析和评估，针对客户的精度要求、效率要求、硬件平台的要求、硬件成本的要求等做分析和平衡，得出最优化的视觉方案和客户讨论确定后才能开始实施。但这个过程往往需要很多技术人员做很多工作，项目负责人往往会反复的和客户沟通协商后才能实现。在今天很多视觉公司都在争取一个项目的时候，谁能够更快更好的完成这一系列工作，无疑在同行竞争的过程中就占得先机，因此，我们今天就来讨论一下这里面非常重要的一环——如何快速制定视觉硬件方案。

   做视觉硬件方案的第一步也是最重要的一步就是剖析客户的视觉检测需求。这个非常重要，就好像写作文之前要理解作文命题的要求一样，如果项目一接手就根据自己的经验和认知盲目的去做往往有很大风险，浪费了人力物力结果丧失了时间和客户的耐心，项目可能就流产了。剖析客户的视觉检测需求的原则是把握重点的需求点然后反复和客户协商确认，这其中需求项目负责人协调光学工程师、软件算法工程师、机构工程师、机电工程师、配合供应商等实施项目讨论会议，制定多种可实施的初步方案，甚至具体哪些工作需要视觉完成，哪些工作需要自动化配合完成？彼此之间如何配合？实施现场的环境如何？需求中是否有互相矛盾的点可以修改？检测精度和效率实现的困难度？是否有项目预估成本，预估硬件和软件成本是否和客户期望偏差较大？……这中间有很多存在矛盾的地方比如精度和速度，硬件成本和精度等，需要权衡利弊做出最优的选择。
   今天我们就这其中评估过程中图像采集这部分的一些技术原理和方式来和大家讨论。

   我们先来看一下视觉硬件的组成：相机、镜头、光源、机构平台。这其中平台机构的作用是协调项目平台/自动化方案的作业方式保证视觉硬件的采集方式而确定的，属于被动确定方式，就不再赘述了。我们重点讨论相机、镜头、光源对项目需求的选择与搭配问题。

   相机：这里都是指工业相机，工业相机根据工作方式分为线阵、面阵；线阵相机根据芯片尺寸大小分为（2K、4k、6k、8K、12k、16k等）；面阵相机根据芯片尺寸大小分为（1/3”,1/2”,1/2.3”,1/2.5”,2/3”,1”,1.2”,全画幅等）；根据芯片的制作工艺又分为CCD和CMOS；根据相机的接口又分为C,F,M58，M72等；不同芯片尺寸有时又会对应不同的分辨率大小，不同的像元尺寸，不同的帧率等；根据工作光学波段又可分为红外、近红外、可见光、紫外等；目前市面上的工业项目门类和种类非常多，采用同样感光芯片的工业相机又有非常多的厂家品牌，如何选择合适项目应用的相机对视觉项目来说是非常重要的。我们可以通过以下几个点来找到选择相机的方式。1、根据项目检测的视野大小和理论精度来计算相机的分辨率。2、根据检测的工作方式（运动/静止）来选择相机的曝光方式。3、根据经验和镜头的精度来对应合适的像元尺寸。4、根据检测效率的要求来选择合适的帧率。5、根据应用光照环境来选择合适的工作波段。6、根据检测的要求来确定黑白或彩色。

   我们先来看精度，我们知道面阵相机的感光芯片轮廓是一个矩形，它由固定数量的像元在X，Y方向阵列组成。像元大小是固定的且一般是正方形，X、Y方向的排布数量也是一定的，那么通过计算可以得到整个感光芯片的矩形大小。因此相机感光最小的单元就是单位像元，相机能采集到图像的像面大小就是这个矩形大小。我们假设软件算法在处理图像时的单位精度和相机的像元相匹配的状态下，那么图像采集的理论精度就是单位像元对应的视野大小。根据光学镜头的成像倍率我们可以计算出这个精度的数值，像元大小/单位精度=镜头的光学倍率（单位是微米）。 我们根据镜头的光学倍率和检测的视野大小可以算出像面的大小，也就是矩形的大小，根据像元尺寸反推出相机的分辨率。

   这样相机的像元尺寸、分辨率就都知道了，当然它的前提是对应固定倍率的镜头不能变。
   那我们在这里会有一个问题：像元尺寸、分辨率、镜头光学倍率、视野大小、单位精度这5个量化数据中往往只有 视野大小、单位精度是客户能提供出来的，剩下三个都是未知的，这样的话好像之前的计算公式都没办法应用。在这里有一些经验技巧可以提供帮助，我们知道相机没有镜头无法单独成像，成像的精度不能单单只考虑相机，只有当镜头的精度大于或等于相机的精度时，利用相机像元来计算精度才有意义，不然就会浪费相机的分辨率，使得实际的精度小于相机的精度，达不到项目精度实现的目标。那镜头的精度和相机的精度如何匹配呢？一般来说我们可以了解到光学镜头厂家各种镜头的像方精度（这个一般都可以问到），然后我们找有越接近尺寸像元的相机，这样就保证了镜头相机的相互精度匹配。这个办法刚好解决了一个问题：相机的分辨率是否越高越好？   这里的答案应该是，在像元大小保证的前提下分辨率越高越好。我们通过前文的说明可以知道，如果保证像元大小的前提下提高分辨率，那么相机的像面大小就会变大。这里要注意相机像面大小变大后是否还能匹配镜头（这里如何匹配我会在后续的镜头篇做重点说明）。我们也会在后边讲解案例的文章里以具体的案例来计算说明上文的原理。

   接下来我们看相机的曝光方式,关于曝光方式我们首先要区分一个方向，是选择线阵还是面阵？线阵相机一般适合在检测大尺寸物面匀速运动时高精度检测的场景，比如印刷品（报纸），纺织品（布匹），圆柱体表面（瓶体标贴，工件表面等）。因为线阵相机需要采集匀速运动的物体的反光信息才能生成图片，所以应用场景一般非常规律。且线阵相机由于像元的线性排布往往可以做到很高的分辨率，但价格相比较面阵相机也会高很多，在选择上需要综合考虑。面阵相机因为芯片的工作方式不同也会有不一样的曝光方式：整帧曝光、逐行曝光、隔行曝光等。静止状态下采集图像一般不会考虑曝光方式的影响，但对运动状态下采集图像来说影响就会比较大，如果运动速率太高，图像可能会发生拖影，变形等问题。这里的实际工作速度要考虑相机的帧率是否能满足需要，同时要考虑算法处理图像的时间，采集的时间+处理的时间=单位工作时间。

   一般在做尺寸测量的项目时，尤其是轮廓尺寸测量时，往往需要背光照明，图像需要取到灰度轮廓，为了避免镜头色差的影响，避免彩虹光晕对特征提取的影响，我们会考虑用单色光成像，在这种单色光成像的项目里我们肯定会排除彩色相机，且相机工作效率越接近系统使用波段就越理想。