机器视觉与图像分析技术详解

并不令人惊讶的是，几乎所有视觉项目都从获得基本问题的答案开始。这些问题的答案充分地确定了视觉系统硬件的成本：需要多少台摄像机？必须具有多高的图像分辨率？彩色成像是否必要？每秒必须采集多少帧？用不用产生模拟输出的摄像机？如果这样，就需要选择一个帧接收板来将模拟信号转换成数字形式，在必要时还要图像帧的采集与外部触发事件同步。

尽管一些用于模拟摄像机的帧接收器可以同时接收来自多个摄像机的输入，但是一次为一台摄像机提供一个接口的电路板更为常见。如果你选择具有数字接口的摄像机，你会使用能够进行图像处理和图像采集的“智能”摄像机吗？还是由摄像机将原始（未处理的）图像数据发送到主机PC进行处理？还有，数字摄像机采用哪种接口标准或总线与主机PC通信呢？适用于某些总线的数字摄像机需要帧接收器。但是，与用于模拟摄像机的帧接收器不同，用于数字摄像机的帧接收器不进行模/数转换。

与硬件相关的考虑因素可能会超越这些问题。而且，一些问题采用了通常正确的默认假设，即视觉系统的主计算机是一台运行标准版本Windows （www.microsoft.com）的PC。机器视觉系统有时候在实时操作系统下运行，而图像分析软件则经常在Unix或Linux下运行。此外，与其它实时系统一样，许多实时视觉系统采用与Pentium （www.intel.com）或Athlon （www.amd.com）器件不同的CPU。

五、摄像机接口

使摄像机与主机计算机接口仍然是视觉系统设计的一个关键问题。尽管出现了数字化接口的摄像机，尽管成像系统采用IEEE 1394（也称为FireWire和i-Link）来与摄像机接口，但摄像机接口的选择仍值得仔细考虑。（正在迅速成为主流高速PC外设接口的USB 2.0并不是工业成像领域的一个要素，这主要是因为，虽然其480 Mbps的数据传输速率名义上比最初版本的FireWire更高，但USB 2.0的以主机为中心的协议对于成像来说却比FireWire更慢。）

FireWire是消费类视频系统和家庭娱乐系统中流行的高速串行总线。这种即插即用的总线采用多点体系结构和对等层通信协议。该标准的最初具体化包括速率高达400 Mbps的数据传输。数据传输速率最终将达到3.2 Gbps。2003年1月，IEEE发布了1394b，而且其拥护者们期望不久就可以在视觉硬件中看到800Mbps的版本。不过，尽管工业FireWire摄像机具有合理的成本，但它在消费类设备中的可用性在不断增加（在消费类设备中，所需的分辨率--有时候还有帧频--均比工业设备中所要求的更为适度），其纤细而柔软的串行电缆用起来很方便，其总线数字技术具有抗扰性，但选用这类摄像机仍然受到限制。

成本可能会限制FireWire在工业成像领域中的普及。工业FireWire摄像机的成本要比具有相同帧频和分辨率的工业模拟输出摄像机高。另一方面，FireWire摄像机与模拟摄像机的成本比较有时候可能会产生误导。在具有内置FireWire端口的系统中，摄像机通常不需要额外的接口硬件。这种摄像机包括一个ADC（模/数转换器），而模拟摄像机则需要帧接收器来完成必要的ADC功能（图3）。

图3National Instruments公司的基于Celeron的CVS-1454型小巧视觉系统（Compact Vision System）例证了为工厂环境设计的机器视觉硬件。虽然这一系统（右上）并非一个标准的办公室PC，但它包含三个FireWire端口从而不需要特殊的摄像机接口硬件。该系统与National Instruments公司的LabView图形化开发环境配套使用，而这个开发环境能通过交互式图形化工具快速开发程序，如果有必要，随后再使用完整的图形化编程功能调试设备。

FireWire摄像机采用IEEE 1394的同步协议，这就能保证带宽并确保数据包按照它们的发送顺序到达（如果他们全部到达的话）。该标准的其它协议（异步的）保证消息传递但不确保数据包按照它们的发送顺序到达。每个同步设备可以每隔125μs--也就是以8kHz的最大速率--发出一个带宽请求。起总线管理器作用的设备赋予每个发出请求的设备在随后125μs内发送预定数目数据包的权力。

　　总线上的同步设备越多，每个设备可得到的带宽就越少。当FireWire总线上仅有一台摄像机时，一台1280×960像素黑白摄像机差不多可以每秒发送15帧。一台640×480像素的FireWire彩色摄像机大约可以每秒发送30帧。尽管这两个例子中的任一个似乎都不会使用总线的全部可用数据传输容量，但每个像素的比特数以及摄像机使数据格式化的方法却会对最大帧速率产生影响。附带说明一下，分辨率越高并不总是越好。分辨率较高的摄像机不仅价格更贵，帧速率通常比分辨率较低的摄像机更慢，而且还更容易揭示UUT和KGU之间微不足道的差别，从而提高AOI系统错误地检测故障的速率。

　　六、更多摄像机接口

　　除了FireWire之外，数字输出摄像机的接口选件还包括RS 422并行接口和Camera Link（表1）。RS 422摄像机接口还没有完全标准化，所以通常需要摄像机专用接口卡。从用于模拟输出摄像机的接口卡的意义上来说，这些卡并不是帧接收器，但它们通常同样可插入主PC的PCI总线。由于有时候需要50多根连线，并行接口被证明并不适用。不过，RS 422数字摄像机仍然受欢迎，并且继续用得广泛。

　　AIA的Camera Link是性能最高的数字输出摄像机接口标准。与FireWire不同，Camera Link允许每条总线上只有一台摄像机，但许多PC可以容纳多条Camera Link总线。Camera Link可在并行组合的单向链路、串行链路和点对点链路上，利用SERDES（串行化/解串行化）技术以高达4.8 Gbps的速度发送数据。每条链路可传送来自7个通道的数据，并使用每条链路需要两根导线的LVDS (低电压差分信号传输) 技术。通道的数目决定了Camera Link总线的最大数据速率。一条配置齐全的总线可以有76个通道，其中包括11条链路和22根导线，不过该标准考虑到具有28个通道和56个通道的总线 (4和8条链路及8和16根连线)。每条Camera Link总线通常需要PC中的一个独立接口卡。

　　选用Camera Link总线目前还涉及到编写额外的软件。由于在PC中生成Camera Link总线的卡既稀少又没有完全标准化，所以紧缩包裹型应用程序开发软件包通常缺乏Camera Link启动程序。尽管如此，如果需要Camera Link的引人注目的速度，那你就没有多少选择余地。

　　某些时候，你可利用智能摄像机来减少视觉系统必须处理的数据量，因为智能摄像机可以先对其采集的数据进行处理或压缩，然后再将数据发送给主机PC。这样的摄像机有时候既可降低摄像机与主机之间的数据速率又可降低主机与主机中负载之间的数据速率，但成本较高。然而，你必须保证数据压缩要么是真正无损的，要么是不需要压缩中损失的数据。