机器视觉入门学习

lin7Doa

204人浏览 · 2026-09-06 16:41:41

lin7Doa · 2026-09-06 16:41:41 发布

一、机器视觉系统

简单说，机器视觉就是用机器代替人眼和大脑来做测量和判断，是一种非接触式的检测方法。一套完整的机器视觉系统主要分成两大部分：成像部分和图像处理部分。成像部分靠硬件完成，包括光源、镜头、工业相机；图像处理部分则靠视觉控制器和配套的算法软件来完成。整个工作流程大致是：光源照亮被测目标，镜头把目标成像在相机的传感器上，相机将光信号转成电信号并输出图像，最后软件对图像进行分析判断，输出结果给外部设备执行动作。

机器视觉的本质就是：使用自动化和计算机以及光学技术取代人类视觉。

机器视觉系统的基本特点：快速、高效、客观、信息量大。

这个链条中任何一个环节出问题，都会直接影响最终的检测效果。而在实际项目中，最花时间、也最考验经验的，往往就是前期硬件选型。

二、工业相机基础知识

工业相机是机器视觉系统中把光信号转变成有序电信号的关键组件，它的选择直接决定采集图像的分辨率和图像质量，也与整个系统的运行模式直接相关。

1. 图像传感器的两种类型：CCD与CMOS

按传感器类型，工业相机分为CCD相机和CMOS相机两大类。CCD相机集光电转换及电荷存储、转移、信号读取于一体，成像质量较好。CMOS相机则将光敏元阵列、信号放大、读取、模数转换等全部集成在单块芯片上，集成度更高、成本更低、功耗更小。

2. 按输出信号区分：模拟相机与数字相机

模拟信号相机输出的是模拟电压信号，需要传到图像采集卡进行模数转换后才能由计算机处理。数字信号相机则是在相机内部直接完成数字化，通过1394、USB、Gige、CameraLink等接口直接输出数字图像给计算机。

3. 按取图类型区分：面阵相机与线扫相机

面阵相机的传感器像素呈面状分布，每次采集一幅完整的二维图像，适合大多数通用检测场景。线扫相机的传感器则是线状分布，每次只采集一行或者几行图像，适合视野很宽、精度要求很高、或者被测物是细长型连续物体的场景。

4. 相机型号命名规则

以海康机器人的MV-CS020-10GM为例，MV是海康工业相机的固定开头，CS代表系列，020表示两百万像素，10代表帧率，G表示千兆网口也就是GIGE接口，M表示黑白相机，如果是C则代表彩色。接口代号方面，CU代表USB3.0口，T代表万兆网口，X代表CoaXPress口，CL代表线扫相机，CH代表高像素相机。

5. 像元尺寸与靶面尺寸

像元尺寸指的是单个像元的大小，它和分辨率共同决定了相机靶面的尺寸。一般来说像元越小，影像分辨率越高、包含的信息量也越大。靶面尺寸用英寸来表示对角线长度。

6. 相机的驱动连接与IP设置

相机和电脑连接后，需要安装对应的驱动才能正常使用。海康机器人的MVS客户端支持Windows XP、7、10、Linux以及macOS系统，从官网下载安装包和SDK开发包后，安装时默认勾选GIGE和USB3.0驱动即可。为了确保数据传输稳定，PC端需要关闭防火墙。如果设备列表中相机显示为不可达状态，通常是因为IP地址没有设置好，这时候需要手动设置相机的静态IP、子网掩码和默认网关，让相机和电脑处于同一网段。

7. 触发模式与防抖设置

触发模式分为内触发和外触发两种。

内触发也叫软件触发，直接在软件里发送拍照指令就行，适合静态检测或者调试阶段使用。

外触发也叫硬触发，通过外部信号来控制相机拍照。

硬触发模式下触发源一般选线路零，触发极性有上升沿、下降沿、高电平、低电平四种可选，具体用哪种要看外部设备的输出信号类型。

外触发信号有时会有毛刺导致误触发，这时候可以通过设置线路防抖时间来解决，防抖时间的单位是微秒，范围从零到一百万微秒也就是零到一秒，只要防抖时间设置得比干扰信号的持续时间长，那些毛刺信号就会被忽略掉。

8. NPN与PNP

P就是正、N就是负。NPN设备平时输出低电位，信号到来时输出高电位；PNP设备正好相反，平时是高电位，信号到来时输出低电位。接线时正负极性一定不能接反，接反会烧毁相机。

相机输出的触发信号是开关信号，可以用来控制报警灯、光源或者PLC等外部设备，输出线路的最大输出电流一般有二十五毫安的限制，需要驱动更大电流的设备时就要通过光耦继电器来扩展，光耦继电器属于固态继电器没有触点，既有隔离作用又有比普通光耦更强的驱动能力。

三、工业相机选型

相机最本质的功能就是把光信号转变成有序的电信号。绝大多数项目的选型只需要按顺序搞定四个问题就够了。

黑白还是彩色

这是第一个要做的决定。如果检测任务跟颜色有关，比如检测线束的颜色顺序是否正确，或者只能通过颜色差异来判断产品好坏，那就必须选彩色相机。除开这些情况，一律选黑白相机。黑白相机的感光效率更高，成像细节更丰富，而且同样分辨率下价格通常更低。实际项目中黑白才是主流。

全局快门还是卷帘快门

这个问题直接取决于检测场景是动态还是静态。如果产品在拍照时是运动的，比如在传送带上边走边拍，那就必须选全局快门相机。全局快门让所有像素在同一时间曝光，拍出来的图像不会变形。如果产品是静止拍照的，比如人工摆放到固定位置后再触发拍照，那卷帘快门就够了，价格也更便宜。卷帘快门是逐行曝光的，拍运动物体会产生拖影和失真。

分辨率怎么算

分辨率的选择要看项目有没有精度要求。如果只是做有无检测或者粗略定位，没有精度指标，那就优先选低像素相机，够用就行，成像模糊再考虑升级。但如果是有尺寸测量或者精确定位的需求，那就需要按精度来反推分辨率。

帧率选多高

帧率决定了相机每秒能拍多少张图。如果检测速度很快，比如每秒要检测十个以上的产品，那就需要高帧率相机。一般来说，像素越低帧率越高，所以在满足分辨率要求的前提下，选像素更低的型号反而能获得更高的帧率，性价比也更好。

四、工业镜头匹配

镜头的作用是把目标成像在相机的传感器上。

靶面匹配与暗角

每个镜头都有一个支持的最大靶面尺寸，如果镜头的靶面尺寸小于相机传感器的靶面尺寸，成像圆就覆盖不满整个传感器，图像四周会出现黑色暗角。反过来，镜头靶面大于相机靶面则没有问题。所以选镜头时第一件事就是确认镜头支持靶面不小于相机靶面。

C接口和CS接口的区别

工业相机和镜头最常见的是C接口和CS接口。这两个接口的直径和螺纹间距完全一样，区别在于后截距——C接口是十七点五毫米，CS接口是十二点五毫米。CS接口的相机如果接C接口的镜头，中间需要加一个五毫米厚的转接环。但反过来，C接口的相机是不能用CS接口镜头的，因为镜头拧上去后成像位置对不上，无法聚焦。

FA镜头和远心镜头怎么选

FA镜头是目前最常用的镜头类型，优点是成本低、用途广，适合大尺寸物体的检测成像。但FA镜头有个局限，放大倍率会随物距变化而变化。也就是说，如果被测物体不在同一个平面上，不同位置的物体放大倍率不一样，测量结果就会产生误差。如果项目对精度要求很高，或者被测物体本身有高度起伏，那就需要考虑远心镜头。远心镜头能消除放大倍率随物距变化的误差，在物距变化时成像大小基本保持不变，适合高精度尺寸测量。

五、光源选型

颜色怎么选

机器视觉中常用的光源颜色有红光、绿光、蓝光、白光，还有红外光和紫外光。不同波长的光有不同的物理特性。波长越长，穿透性越强，所以红外光可以穿透塑料包装去检测里面的内容物，也能穿透深色液体去检测内部杂质。波长越短，扩散率越高，所以紫外光适合做透明物体表面的瑕疵检测和隐形码读取，还能激发荧光胶水发光。

除了波长特性，颜色的选择还要参考色环原理。如果目标特征和背景颜色相近难以区分，可以用互补色的光源来制造对比，在黑白相机下，互补色叠加会呈现深色效果。反过来，如果背景上的某些图案会干扰检测，可以用相邻色的光源把这些干扰"过滤"掉，让它们变亮变淡，不再干扰目标特征的提取。

高角度打光还是低角度打光

打光方式直接决定了缺陷的呈现方式。高角度打光是光线与检测面相对垂直，表面平整的部位反光容易进入镜头，画面偏亮；不平整的部位比如凹坑或划伤，反光杂乱，画面偏暗。高角度打光适合检测平整表面的缺陷和做定位识别，常用光源有高角度环形光、同轴光和开孔背光。

低角度打光正好相反，光线与检测面接近平行，平整表面没有反射光进入镜头，画面偏暗；不平整部位有一部分散射光进入镜头，反而显得偏亮。低角度打光特别适合突出表面细微的凹凸纹理和划伤，常用光源有低角度环形光和条形光。

背光选什么颜色

背光打光是把光源放在被测物体后方，在明亮背景下创建物体的深色轮廓，主要用于边缘检测和尺寸测量。蓝色背光波长较短、穿透性弱，适合检测透明产品比如玻璃和透明膜的尺寸与瑕疵；红色和红外背光穿透性强，适合检测深色口服液、深色液体、深色半透明皮革这类需要穿透的产品；白色背光通用性最强、亮度也最高，适用于大多数普通场景。