高速機(jī)器視覺

它從應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)開始

不僅是現(xiàn)代制造越來越多的生產(chǎn)速度，但機(jī)器視覺被應(yīng)用到越來越苛刻的應(yīng)用程序，是不可行的，在今天的高速組件成為可用。

我們應(yīng)該開始一個(gè)探索什么是所謂的“高速”的時(shí)候，用來描述機(jī)器視覺。有沒有客觀的標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)分一個(gè)高速視覺系統(tǒng)。

速度測(cè)量可以為持續(xù)的速度，視覺系統(tǒng)可以獲取圖像（例如，每秒100幅圖像）或時(shí)間觸發(fā)信號(hào)，輸出是有效的（例如，10毫秒之間。）。由于圖像采集和圖像處理可以重疊，它是可能的，有一個(gè)顯著的差異，這兩個(gè)測(cè)量之間的時(shí)間。

此外，如果一個(gè)視覺系統(tǒng)被用于在一個(gè)生產(chǎn)線被認(rèn)為是高速，視覺系統(tǒng)繼承的指定為高速。 

當(dāng)然，如果視覺系統(tǒng)執(zhí)行它的功能的速度比任何其他視覺系統(tǒng)，然后通過比較，它是一個(gè)高速視覺系統(tǒng)。

在最簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)，高速機(jī)器視覺需要一個(gè)短曝光時(shí)間的相機(jī)，相機(jī)和圖像處理器之間的快速數(shù)據(jù)傳輸，足夠的，往往是非常高的，處理能力，和最簡(jiǎn)單的可能的圖像處理程序。

高速機(jī)器視覺從應(yīng)用的設(shè)計(jì)開始。設(shè)計(jì)目標(biāo)是使應(yīng)用程序編程的最小的復(fù)雜。部分介紹是簡(jiǎn)化的一大組成部分。圖像中的零件數(shù)量越少，圖像處理的速度就越快。同樣，部分姿勢(shì)的變化越小，平移和旋轉(zhuǎn)的不確定性，更有效的圖像處理將是。

為了實(shí)現(xiàn)高速性能，照明的設(shè)計(jì)可以是至關(guān)重要的。一個(gè)足夠的照明水平，可以確保相機(jī)的曝光可以是短的實(shí)際。一個(gè)高層次的照明也有助于減輕環(huán)境照明的影響，在機(jī)器視覺中，是一個(gè)噪聲源。減少環(huán)境光的貢獻(xiàn)可以忽略不計(jì)的水平是必不可少的，至少是最復(fù)雜和最快 的圖像處理。

照明方向是至關(guān)重要的，以確保高對(duì)比度之間需要成像的功能和他們的背景。低對(duì)比度，使視覺過程中更容易受到零件的變化和他們的姿勢(shì)，以及噪聲，往往需要額外的圖像處理。仔細(xì)設(shè)計(jì)的照明方向，降低了圖像的變化，由于陰影或紋理，可以復(fù)雜的圖像處理。

最后，確保光照均勻性消除了圖像處理軟件中的光照變化的補(bǔ)償?shù)谋匾浴?/span>

在選擇相機(jī)時(shí)，有幾個(gè)因素要考慮：圖像分辨率，傳感器設(shè)計(jì)，感興趣區(qū)域（感興趣區(qū)域），曝光時(shí)間，和接口。

在機(jī)器視覺應(yīng)用程序中的一個(gè)常見的錯(cuò)誤是選擇一個(gè)具有更高的圖像分辨率（行和列的像素）比所需的應(yīng)用程序。此多余的圖像分辨率產(chǎn)生一個(gè)更高的圖像數(shù)據(jù)量比需要和地方不必要的時(shí)間負(fù)擔(dān)，從相機(jī)到處理器的圖像傳輸，以及圖像處理時(shí)間。當(dāng)可用的圖像分辨率大于所需的時(shí)，使用一個(gè)在相機(jī)中的投資回報(bào)率，以減少傳輸和處理的圖像數(shù)據(jù)。

用CCD攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)ROI，使用局部掃描，從獲取的圖像像素排除不需要的行。一個(gè)CMOS攝像頭，排除了行和列的像素是不必要實(shí)現(xiàn)ROI。

一般來說，CMOS圖像傳感器比CCD圖像傳感器的高速度勢(shì)。從歷史上看，CCD傳感器已更加敏感和有比CMOS傳感器低噪音。

一些更常見的圖像傳感器，CCD，像素陣列分為兩個(gè)，四個(gè)，或更多的部分，其單獨(dú)的輸出稱為龍頭的各部分。因此，圖像傳感器促進(jìn)了一個(gè)相機(jī)，一二，四，或更大的增加在一個(gè)單一的抽頭圖像傳感器的圖像數(shù)據(jù)傳輸速度。

短曝光時(shí)間有助于提高視覺系統(tǒng)的速度。然而，一個(gè)短的曝光時(shí)間要求一些組合的更高的相機(jī)的靈敏度，更高的照明水平上的相機(jī)的視野，或更廣泛的鏡頭光圈，影響其他屬性，如深度的領(lǐng)域和解決權(quán)力。

今天的機(jī)器視覺相機(jī)技術(shù)有一個(gè)豐富的選擇高速數(shù)字相機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)，可以滿足幾乎任何需要。更常見的接口標(biāo)準(zhǔn)，GigE Vision和USB3，給100和330像素/秒分別為8位的像素的圖像數(shù)據(jù)傳輸率。而這些接口是最通用的機(jī)器視覺好，不需要圖像采集卡，更高的速度，一般需要Camera Link，Camera Link HS，或CoaXPress。這些接口能夠達(dá)到640；2100；或3600像素/秒分別為8位的像素。這三個(gè)接口需要安裝在圖像處理的計(jì)算機(jī)圖像采集卡。每個(gè)接口有其他屬性，如電纜長(zhǎng)度為100米，從USB3 GigE和CoaXPress五米范圍。

在過去，接口板使用的總線。由于總線是在多個(gè)設(shè)備之間共享的，所以需要等待總線的攝像頭接口來接收總線的控制。這增加了額外的延遲，減緩了過程?，F(xiàn)代圖像采集卡使用的PCIe（PCI Express）連接，提供板直接訪問內(nèi)存總是有效的。用于高速工作的任何相機(jī)接口應(yīng)該使用PCIE接口。

圖像處理硬件的選擇范圍從PC或嵌入式計(jì)算機(jī)到一個(gè)專門的處理器增強(qiáng)到一個(gè)專門的高速處理器陣列的PC。它是可能的，在一般情況下，審查這些選項(xiàng)，但選項(xiàng)的范圍是相當(dāng)大的。接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)的速率和達(dá)到一個(gè)輸出所需的圖像處理量的速率決定了最佳的結(jié)構(gòu)。

 

硬件和軟件

圖像處理有兩個(gè)方面：硬件和軟件。讓我們先看看硬件。

最簡(jiǎn)單的硬件配置是一個(gè)PC或嵌入式處理器。隨著在過去的十年中的處理能力的進(jìn)步，這些處理器可以處理多達(dá)100個(gè)圖像，第二，如果圖像分辨率低，處理要求很簡(jiǎn)單。隨著圖像數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)或處理變得更加復(fù)雜，或如果處理器必須在其他任務(wù)之間共享，它就變得有必要添加額外的處理能力。最常見的方法是增加一個(gè)處理單元如GPU（圖形處理單元）、FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）、DSP（數(shù)字信號(hào)處理器），或二嵌入式通用處理器。這些處理設(shè)備可以在插件板添加或他們常?？砂惭b在圖像采集卡。

對(duì)于要求非常高的速度的應(yīng)用程序，使用一個(gè)數(shù)組的處理器。這些可以是獨(dú)立的處理器，也可以是在主板上的處理器，即插在PC上。有不同的方式來配置處理器。一種方式是循環(huán)的方法，每一個(gè)輸入的圖像是針對(duì)一個(gè)空閑的處理器執(zhí)行所有處理的圖像。另一種方法是分段并行處理，其中每個(gè)處理器處理傳入的圖像的一部分。分段的方法是非常困難的實(shí)現(xiàn)。三分之一種方法是使用一個(gè)串行管道中的處理器，每個(gè)處理器在將其結(jié)果發(fā)送到管道中的下一個(gè)處理器之前處理整個(gè)圖像上的一部分處理。

最后，應(yīng)用需要圖像處理軟件。雖然從零開始編寫的圖像處理軟件提供了潛在的優(yōu)化性能的速度，它需要顯著更多的專業(yè)知識(shí)和工作比使用商業(yè)圖像處理庫(kù)。從零開始的寫作軟件是最好的那些應(yīng)用程序是基于獨(dú)特的研發(fā)性能的應(yīng)用。

在選擇軟件庫(kù)時(shí)，請(qǐng)檢查它支持所選擇的處理架構(gòu)和處理器。確保使用處理器的向量處理能力的高度并行的計(jì)算能力（例如，上證所為英特爾處理器），它支持任何專門的處理器（如GPU）預(yù)期。最后，運(yùn)行候選軟件庫(kù)的基準(zhǔn)，以確保您選擇的一個(gè)最適合滿足您的功能和速度的需求。

總結(jié)，這里是高速機(jī)器視覺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟：

簡(jiǎn)化零件介紹

提供高水平的照明

設(shè)計(jì)照明方向，給予高對(duì)比度，降低噪聲

確保照明均勻性

只使用需要的圖像分辨率，如果必要的話，在相機(jī)中應(yīng)用一個(gè)投資回報(bào)率

選擇相機(jī)接口，支持所需的圖像數(shù)據(jù)傳輸能力

相機(jī)接口應(yīng)該在處理器使用PCIe連接

補(bǔ)充主處理器和GPU，F(xiàn)PGA，或DSP來提高處理速度

對(duì)于要求非常高的應(yīng)用程序，計(jì)劃使用一個(gè)處理器陣列

使用軟件庫(kù)，而不是代碼從頭開始，除非圖像處理是基于獨(dú)特的研發(fā)

在進(jìn)行選擇之前幾個(gè)軟件包運(yùn)行基準(zhǔn)