機(jī)器視覺與圖像分析技術(shù)詳解

并不令人驚訝的是，幾乎所有視覺項(xiàng)目都從獲得基本問題的答案開始。這些問題的答案充分地確定了視覺系統(tǒng)硬件的成本：需要多少臺攝像機(jī)？必須具有多高的圖像分辨率？彩色成像是否必要？每秒必須采集多少幀？用不用產(chǎn)生模擬輸出的攝像機(jī)？如果這樣，就需要選擇一個(gè)幀接收板來將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，在必要時(shí)還要圖像幀的采集與外部觸發(fā)事件同步。

盡管一些用于模擬攝像機(jī)的幀接收器可以同時(shí)接收來自多個(gè)攝像機(jī)的輸入，但是一次為一臺攝像機(jī)提供一個(gè)接口的電路板更為常見。如果你選擇具有數(shù)字接口的攝像機(jī)，你會使用能夠進(jìn)行圖像處理和圖像采集的“智能”攝像機(jī)嗎？還是由攝像機(jī)將原始（未處理的）圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)PC進(jìn)行處理？還有，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采用哪種接口標(biāo)準(zhǔn)或總線與主機(jī)PC通信呢？適用于某些總線的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)需要幀接收器。但是，與用于模擬攝像機(jī)的幀接收器不同，用于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的幀接收器不進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。

與硬件相關(guān)的考慮因素可能會超越這些問題。而且，一些問題采用了通常正確的默認(rèn)假設(shè)，即視覺系統(tǒng)的主計(jì)算機(jī)是一臺運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)版本W(wǎng)indows （www.microsoft.com）的PC。機(jī)器視覺系統(tǒng)有時(shí)候在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下運(yùn)行，而圖像分析軟件則經(jīng)常在Unix或Linux下運(yùn)行。此外，與其它實(shí)時(shí)系統(tǒng)一樣，許多實(shí)時(shí)視覺系統(tǒng)采用與Pentium （www.intel.com）或Athlon （www.amd.com）器件不同的CPU。

五、攝像機(jī)接口

使攝像機(jī)與主機(jī)計(jì)算機(jī)接口仍然是視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問題。盡管出現(xiàn)了數(shù)字化接口的攝像機(jī)，盡管成像系統(tǒng)采用IEEE 1394（也稱為FireWire和i-Link）來與攝像機(jī)接口，但攝像機(jī)接口的選擇仍值得仔細(xì)考慮。（正在迅速成為主流高速PC外設(shè)接口的USB 2.0并不是工業(yè)成像領(lǐng)域的一個(gè)要素，這主要是因?yàn)?，雖然其480 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率名義上比最初版本的FireWire更高，但USB 2.0的以主機(jī)為中心的協(xié)議對于成像來說卻比FireWire更慢。）

FireWire是消費(fèi)類視頻系統(tǒng)和家庭娛樂系統(tǒng)中流行的高速串行總線。這種即插即用的總線采用多點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)和對等層通信協(xié)議。該標(biāo)準(zhǔn)的最初具體化包括速率高達(dá)400 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸速率最終將達(dá)到3.2 Gbps。2003年1月，IEEE發(fā)布了1394b，而且其擁護(hù)者們期望不久就可以在視覺硬件中看到800Mbps的版本。不過，盡管工業(yè)FireWire攝像機(jī)具有合理的成本，但它在消費(fèi)類設(shè)備中的可用性在不斷增加（在消費(fèi)類設(shè)備中，所需的分辨率--有時(shí)候還有幀頻--均比工業(yè)設(shè)備中所要求的更為適度），其纖細(xì)而柔軟的串行電纜用起來很方便，其總線數(shù)字技術(shù)具有抗擾性，但選用這類攝像機(jī)仍然受到限制。

成本可能會限制FireWire在工業(yè)成像領(lǐng)域中的普及。工業(yè)FireWire攝像機(jī)的成本要比具有相同幀頻和分辨率的工業(yè)模擬輸出攝像機(jī)高。另一方面，F(xiàn)ireWire攝像機(jī)與模擬攝像機(jī)的成本比較有時(shí)候可能會產(chǎn)生誤導(dǎo)。在具有內(nèi)置FireWire端口的系統(tǒng)中，攝像機(jī)通常不需要額外的接口硬件。這種攝像機(jī)包括一個(gè)ADC（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器），而模擬攝像機(jī)則需要幀接收器來完成必要的ADC功能（圖3）。

圖3National Instruments公司的基于Celeron的CVS-1454型小巧視覺系統(tǒng)（Compact Vision System）例證了為工廠環(huán)境設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺硬件。雖然這一系統(tǒng)（右上）并非一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的辦公室PC，但它包含三個(gè)FireWire端口從而不需要特殊的攝像機(jī)接口硬件。該系統(tǒng)與National Instruments公司的LabView圖形化開發(fā)環(huán)境配套使用，而這個(gè)開發(fā)環(huán)境能通過交互式圖形化工具快速開發(fā)程序，如果有必要，隨后再使用完整的圖形化編程功能調(diào)試設(shè)備。

FireWire攝像機(jī)采用IEEE 1394的同步協(xié)議，這就能保證帶寬并確保數(shù)據(jù)包按照它們的發(fā)送順序到達(dá)（如果他們?nèi)康竭_(dá)的話）。該標(biāo)準(zhǔn)的其它協(xié)議（異步的）保證消息傳遞但不確保數(shù)據(jù)包按照它們的發(fā)送順序到達(dá)。每個(gè)同步設(shè)備可以每隔125μs--也就是以8kHz的最大速率--發(fā)出一個(gè)帶寬請求。起總線管理器作用的設(shè)備賦予每個(gè)發(fā)出請求的設(shè)備在隨后125μs內(nèi)發(fā)送預(yù)定數(shù)目數(shù)據(jù)包的權(quán)力。

　　總線上的同步設(shè)備越多，每個(gè)設(shè)備可得到的帶寬就越少。當(dāng)FireWire總線上僅有一臺攝像機(jī)時(shí)，一臺1280×960像素黑白攝像機(jī)差不多可以每秒發(fā)送15幀。一臺640×480像素的FireWire彩色攝像機(jī)大約可以每秒發(fā)送30幀。盡管這兩個(gè)例子中的任一個(gè)似乎都不會使用總線的全部可用數(shù)據(jù)傳輸容量，但每個(gè)像素的比特?cái)?shù)以及攝像機(jī)使數(shù)據(jù)格式化的方法卻會對最大幀速率產(chǎn)生影響。附帶說明一下，分辨率越高并不總是越好。分辨率較高的攝像機(jī)不僅價(jià)格更貴，幀速率通常比分辨率較低的攝像機(jī)更慢，而且還更容易揭示UUT和KGU之間微不足道的差別，從而提高AOI系統(tǒng)錯(cuò)誤地檢測故障的速率。

　　六、更多攝像機(jī)接口

　　除了FireWire之外，數(shù)字輸出攝像機(jī)的接口選件還包括RS 422并行接口和Camera Link（表1）。RS 422攝像機(jī)接口還沒有完全標(biāo)準(zhǔn)化，所以通常需要攝像機(jī)專用接口卡。從用于模擬輸出攝像機(jī)的接口卡的意義上來說，這些卡并不是幀接收器，但它們通常同樣可插入主PC的PCI總線。由于有時(shí)候需要50多根連線，并行接口被證明并不適用。不過，RS 422數(shù)字?jǐn)z像機(jī)仍然受歡迎，并且繼續(xù)用得廣泛。

　　AIA的Camera Link是性能最高的數(shù)字輸出攝像機(jī)接口標(biāo)準(zhǔn)。與FireWire不同，Camera Link允許每條總線上只有一臺攝像機(jī)，但許多PC可以容納多條Camera Link總線。Camera Link可在并行組合的單向鏈路、串行鏈路和點(diǎn)對點(diǎn)鏈路上，利用SERDES（串行化/解串行化）技術(shù)以高達(dá)4.8 Gbps的速度發(fā)送數(shù)據(jù)。每條鏈路可傳送來自7個(gè)通道的數(shù)據(jù)，并使用每條鏈路需要兩根導(dǎo)線的LVDS (低電壓差分信號傳輸) 技術(shù)。通道的數(shù)目決定了Camera Link總線的最大數(shù)據(jù)速率。一條配置齊全的總線可以有76個(gè)通道，其中包括11條鏈路和22根導(dǎo)線，不過該標(biāo)準(zhǔn)考慮到具有28個(gè)通道和56個(gè)通道的總線 (4和8條鏈路及8和16根連線)。每條Camera Link總線通常需要PC中的一個(gè)獨(dú)立接口卡。

　　選用Camera Link總線目前還涉及到編寫額外的軟件。由于在PC中生成Camera Link總線的卡既稀少又沒有完全標(biāo)準(zhǔn)化，所以緊縮包裹型應(yīng)用程序開發(fā)軟件包通常缺乏Camera Link啟動程序。盡管如此，如果需要Camera Link的引人注目的速度，那你就沒有多少選擇余地。

　　某些時(shí)候，你可利用智能攝像機(jī)來減少視覺系統(tǒng)必須處理的數(shù)據(jù)量，因?yàn)橹悄軘z像機(jī)可以先對其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理或壓縮，然后再將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)PC。這樣的攝像機(jī)有時(shí)候既可降低攝像機(jī)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)速率又可降低主機(jī)與主機(jī)中負(fù)載之間的數(shù)據(jù)速率，但成本較高。然而，你必須保證數(shù)據(jù)壓縮要么是真正無損的，要么是不需要壓縮中損失的數(shù)據(jù)。