机器视觉通过让设备替代人眼进行测量与判断。系统将被拍目标经成像装置转化为图像信号，传送给专用处理单元；基于像素分布、亮度、颜色等信息进行运算，提取目标特征，并据判定结果驱动现场设备执行动作。

2.1.1 视觉系统组成部分

视觉系统通常由以下模块构成：

- 照明光源

- 镜头

- 工业摄像机

- 图像采集/处理卡

- 图像处理与控制系统

- 其他外部设备

2.1.1.1 相机篇

工业相机又称摄像机，与民用相机相比具有更高的稳定性、传输能力和抗干扰性，普遍采用 CCD 或 CMOS 传感芯片。CCD 传感器以电荷作为信号，优点在于低噪声和稳定性；CMOS 传感器则具备高集成度、低功耗和成本优势，且在高分辨率和高速场景中应用越来越广泛。相机的分类通常包括：按芯片类型分 CCD 与 CMOS；按传感器结构分线阵与面阵；按扫描方式分隔行扫描与逐行扫描；按分辨率、输出信号、输出色彩等进行细分。

选择要点包括：

- 技术类型：CCD 相机多用于高稳定性与高要求的检测，CMOS 相机成本更低、功耗更低、兼容性更好。

- 分辨率与视野：需根据观测对象的尺寸与所需精度确定像素分辨率，通常需要留有冗余来提升系统稳定性。

- 镜头匹配：传感器尺寸需与镜头接口相符，常见接口有 C、CS；不同接口不可混用，需要配套使用。

- 帧率需求：被测对象若有运动，需选择较高的帧率；但分辨率越高，单帧帧率通常越低。

- 输出与应用：若用于软件分析或存储，需考虑输出格式与存储能力。

2.1.1.2 镜头篇

镜头的核心作用是将目标成像到传感器上，其光学质量直接决定系统性能。选镜时要确保镜头接口与摄像机以及传感器尺寸匹配，C 与 CS 接口的镜头互通性需注意，CS 接口镜头不能用于 C 接口的相机。镜头的关键参数包括焦距、视场、通光量（光圈）、景深、以及对像差的控制能力。常见像差有球差、像散、慧差、场曲、色差和畸变，其中畸变只影响几何形状，不直接影响清晰度。

镜头性能的评价通常关注：

- 分辨率（lp/mm）

- 明锐度（对比度）

- 景深（DOF）

- 最大相对孔径（如 f/1.2 等，数值越小光圈越大，进光量越大）

镜头的焦距越短，视野越广，但边缘畸变和像差通常越明显；光圈越大，亮度越高但景深越浅；镜头中央通常比边缘分辨率更高、光照更均匀。

镜头选择与搭配要点：

- 根据被测对象规模与精度需求确定焦距与分辨率的平衡。

- 若输出侧为显示设备，需考虑显示分辨率是否能支持镜头的高分辨率；如需拍照存档，分辨率提升更有意义。

- 选择时需考虑镜头与传感器尺寸的匹配，以及实际使用环境下的耐用性与稳定性。

镜头计算与景深概念简述：

- 焦距定义为主点到成像面的距离，决定画幅大小与视场。VSport

- 通光量与光圈用以调控成像亮度，光圈越大成像越亮，但景深越浅。

- 景深是在焦点前后仍能保持清晰的距离范围，计算与实际应用中常结合焦距、孔径及允许的像差来考量。

常见镜头设计与评估方面的要点包括光学传递函数（OTF）与像差控制。不同镜头在材质、加工精度和镜片结构上的差异导致价格区间极大。评价镜头时通常关注分辨率、对比度与景深等实用参数。

镜头参数间的关系要点：

- 短焦距导致景深增大，但畸变和边缘照度问题可能加剧。

- 光圈越大，亮度提升、景深变浅、分辨率可能提高但边缘光强不均可能增多。

- 图像中心通常比边缘具有更高的分辨率与光强。

2.1.1.3 光源篇

在机器视觉系统中，选择合适的照明是提升图像质量、提升识别与定位精度的关键。光源直接影响输入数据的质量与实际应用效果，良好照明能显著降低后续分割、识别难度。

光源的核心作用包括：

- 照亮目标、提升对比度

- 优化成像效果，便于图像处理

- 克服环境光干扰，确保图像稳定

- 作为测量或定位的参考

常用的灯源类型及特点（以 LED 为主）：

- 环形光源：多角度多颜色组合，适合突出物体三维信息，广泛用于电子元件、显微检测等。

- 背光源：提供强烈背光，突出轮廓，常用于载物台成像，颜色可调。

- 条形光源：适用于大面积被测物，照明角度可调，便于结构检测。

- 同轴光源：减少表面不平整造成的阴影，适合反射性高的材料。

- AOI 专用光源、球积分光源、线形光源、点光源等：针对不同检测场景设计，提升检测效果与均匀性。

- 组合条形光源、对位光源等：可实现多角度、分区控制照明，提升检测灵活性。

光源选型的一般思路

- 明确检测内容与对象属性（外观、缺陷、尺寸、定位等）、表面状态（镜面、粗糙、曲面）、是否为立体对象、材质与颜色、视野大小、是否动态场景等。

- 根据具体应用进行预备知识补充：材料、厚度、透光性、波长对透射的影响等。

- 选择稳定、均匀的光源，确保被测物与背景对比明显，常用方法包括明场与暗场照明。

- 在实际拍摄中通过试验确定最能突出特征点的照明组合，以实现高信噪比、降低材质和入射角对成像的影响。

- 不同类型的光源在价格、能耗、寿命和响应速度方面存在差异，通常 LED 光源在现场应用中最常用，具备形状、颜色与亮度的多样化定制能力、快速响应、低成本与较长寿命等优点。

光源的实际取舍与应用要点

- 明视野（直接光照对象整体，背景较暗）与暗视野（通过散射光成像，突出边缘特征）两种基本成像方式常被结合使用以增强边缘信息。

- 选择光源时，需结合试验经验，逐步优化以获得最佳特征对比度与鲁棒性。

- 光源设计的成败直接关系到后续算法的分割、识别与测量性能，因此需在应用初期就进行充分的照明规划与验证。