一文讀懂視覺(jué)傳感器的工作原理、應用和選型

　　視覺(jué)傳感技術(shù)是傳感技術(shù)七大類(lèi)中的一個(gè)，視覺(jué)傳感器是指通過(guò)對攝像機拍攝到的圖像進(jìn)行圖像處理，來(lái)計算對象物的特征量(面積、重心、長(cháng)度、位置等)，并輸出數據和判斷結果的傳感器。視覺(jué)傳感器是整個(gè)機器視覺(jué)系統信息的直接來(lái)源，主要由一個(gè)或者兩個(gè)圖形傳感器組成，有時(shí)還要配以光投射器及其他輔助設備。視覺(jué)傳感器的主要功能是獲取足夠的機器視覺(jué)系統要處理的最原始圖像。

　　視覺(jué)傳感的工作原理

　　視覺(jué)源于生物界獲取外部環(huán)境信息的一種方式，是自然界生物獲取信息的最有效手段，是生物智能的核心組成之一。人類(lèi)80%的信息都是依靠視覺(jué)獲取的，基于這一啟發(fā)研究人員開(kāi)始為機械安裝“眼睛”使得機器跟人類(lèi)一樣通過(guò)“看”獲取外界信息，由此誕生了一門(mén)新興學(xué)科——計算機視覺(jué)，人們通過(guò)對生物視覺(jué)系統的研究從而模仿制作機器視覺(jué)系統，盡管與人類(lèi)視覺(jué)系統相差很大，但是這對傳感器技術(shù)而言是突破性的進(jìn)步。視覺(jué)傳感器技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是圖像處理技術(shù)，通過(guò)截取物體表面的信號繪制成圖像從而呈現在研究人員的面前。

　　視覺(jué)傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線(xiàn)的數以千計的像素。圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來(lái)衡量，以像素數量表示。在捕獲圖像之后，視覺(jué)傳感器將其與內存中存儲的基準圖像進(jìn)行比較，以做出分析。例如，若視覺(jué)傳感器被設定為辨別正確地插有八顆螺栓的機器部件，則傳感器知道應該拒收只有七顆螺栓的部件，或者螺栓未對準的部件。此外，無(wú)論該機器部件位于視場(chǎng)中的哪個(gè)位置，無(wú)論該部件是否在 360 度范圍內旋轉，視覺(jué)傳感器都能做出判斷視覺(jué)傳感技術(shù)的出現解決了其他傳感器因場(chǎng)地大小限制或檢測設備龐大而無(wú)法操作的問(wèn)題，由此廣受工業(yè)制造界的歡迎。

　　視覺(jué)傳感技術(shù)包括3D視覺(jué)傳感技術(shù)，3D視覺(jué)傳感器具有廣泛的用途，比如多媒體手機、網(wǎng)絡(luò )攝像、數碼相機、機器人視覺(jué)導航、汽車(chē)安全系統、生物醫學(xué)像素分析、人機界面、虛擬現實(shí)、監控、工業(yè)檢測、無(wú)線(xiàn)遠距離傳感、顯微鏡技術(shù)、天文觀(guān)察、海洋自主導航、科學(xué)儀器等等。這些不同的應用均是基于3D視覺(jué)圖像傳感器技術(shù)。特別是3D影像技術(shù)在工業(yè)控制、汽車(chē)自主導航中具有急迫的應用。

　　智能視覺(jué)傳感技術(shù)也是一種視覺(jué)傳感技術(shù)，智能視覺(jué)傳感技術(shù)下的智能視覺(jué)傳感器也稱(chēng)智能相機，是近年來(lái)機器視覺(jué)領(lǐng)域發(fā)展最快的一項新技術(shù)。智能相機是一個(gè)兼具圖像采集、圖像處理和信息傳遞功能的小型機器視覺(jué)系統，是一種嵌入式計算機視覺(jué)系統。它將圖像傳感器、數字處理器、通訊模塊和其他外設集成到一個(gè)單一的相機內，由于這種一體化的設計，可降低系統的復雜度，并提高可靠性。同時(shí)系統尺寸大大縮小，拓寬了視覺(jué)技術(shù)的應用領(lǐng)域。

　　智能視覺(jué)傳感器的易學(xué)、易用、易維護、安裝方便，可在短期內構建起可靠而有效的視覺(jué)檢測系統等優(yōu)點(diǎn)使得這項技術(shù)得到飛速的發(fā)展。視覺(jué)傳感器的圖像采集單元主要由CCD/CMOS像機、光學(xué)系統、照明系統和圖像采集卡組成，將光學(xué)影像轉換成數字圖像，傳遞給圖像處理單元。

　　視覺(jué)傳感技術(shù)的應用

　　一、汽車(chē)車(chē)身視覺(jué)檢測系統

　　車(chē)身成型是汽車(chē)制造的關(guān)鍵工序之一，對車(chē)身的各項指標要求嚴格，需對車(chē)身進(jìn)行100%的檢測。傳統的車(chē)身檢測方法是利用三坐標測量機，其操作復雜，速度慢，工期長(cháng)，只能進(jìn)行抽檢。通常，車(chē)身的關(guān)鍵尺寸主要是擋風(fēng)玻璃尺寸、車(chē)門(mén)安裝處棱邊位置、定位孔位置等。因此視覺(jué)傳感器分布于這些位置附近，測量其相應的棱邊、孔、表面的空間位置尺寸。在生產(chǎn)線(xiàn)上設計測量工位，車(chē)身定位后，置于一框架內，框架由縱橫分布的金屬柱、桿構成，可根據需要在框架上靈活安裝視覺(jué)傳感器。根據測量點(diǎn)的數量可安裝相應數量的視覺(jué)傳感器，(通常情況下每個(gè)視覺(jué)傳感器測量一個(gè)被測點(diǎn))，根據不同形式的傳感器包括雙目立體視覺(jué)傳感器、輪廓傳感器等多種類(lèi)型。

　　測量系統工作過(guò)程為：由生產(chǎn)線(xiàn)運送車(chē)身到測量工位進(jìn)行準確定位，然后傳感器按要求順序開(kāi)始工作，計算機采集檢測點(diǎn)圖像并進(jìn)行處理，計算出被測點(diǎn)的空間三維坐標，計算值與標準值比對，得出檢測結果，并將車(chē)身送出測量工位。

　　二、截面尺寸在線(xiàn)視覺(jué)測量系統

　　在工業(yè)生產(chǎn)中，無(wú)縫鋼管是一類(lèi)重要的工業(yè)產(chǎn)品，而它的質(zhì)量參數則是制造的重要數據，其中鋼管的直線(xiàn)度及截面積是主要的幾何參數，是控制無(wú)縫鋼管制造質(zhì)量的關(guān)鍵，但由于以下原因使得參數的測量成為難題：

　　1、無(wú)縫鋼管采取非接觸式測量，且制造現場(chǎng)環(huán)境惡劣;

　　2、無(wú)縫鋼管的空間尺寸大，這也要求檢測系統具備很大的測量空間。視覺(jué)傳感技術(shù)的出現解決了上述問(wèn)題，視覺(jué)傳感技術(shù)采用的是非接觸式測量且測量范圍大。

　　測量系統由多個(gè)結構光傳感器組成，傳感器上結構光投射器投射的光平面和被測鋼管相交，得到鋼管截面圓周上的部分圓弧，傳感器測量部分圓弧在空間中的位置。系統中每一個(gè)傳感器實(shí)現一個(gè)截面上部分圓弧的測量，通過(guò)適當的數學(xué)方法，由圓弧擬合得到截面尺寸和截面圓心的空間位置，由截面圓心分布的空間包絡(luò )，得到直線(xiàn)度參數。測量系統在計算機的控制下，可在數秒內完成測量，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求。

　　三、三維形貌視覺(jué)測量

　　在三維形貌數字化測量技術(shù)是逆向工程和產(chǎn)品數字化設計、管理及制造的基礎支撐技術(shù)。它所實(shí)現三維形貌數字化測量的機理是將視覺(jué)非接觸、快速測量和最新的高分辨力數字成像技術(shù)相結合。由于所測量的物體多是大型、具有復雜表面的物體，測量通常分為局部三維信息獲取和整體拼接兩部分，先利用視覺(jué)掃描傳感器對被測形貌各個(gè)局部區域進(jìn)行測量，再采用拼接技術(shù)將各部分形貌進(jìn)行拼接最終得到完整圖像。

　　這項傳感器的視覺(jué)掃描測頭采用局域雙目立體視覺(jué)測量原理設計。形貌整體拼接實(shí)質(zhì)上是將所采集到的數據放到公共坐標上，這樣就能得到整體的數據描述。通過(guò)高分辨率數碼相機從測量空間的上方以不同的角度和位置對被測量進(jìn)行數據收集，運用光束定向交匯平差原理得到控制點(diǎn)空間坐標并建立全局坐標系，最后通過(guò)各個(gè)坐標系進(jìn)行關(guān)聯(lián)、轉換，完成數據拼接。

　　如何選擇視覺(jué)傳感器?

　　目前，如何選擇機器視覺(jué)傳感器在當代的應用可謂是越來(lái)越廣泛，如何選擇機器視覺(jué)傳感器是值得我們好好學(xué)習的，現在我們就深入了解如何選擇機器視覺(jué)傳感器。相機是機器視覺(jué)系統的眼睛，而相機的心臟是圖像傳感器。傳感器的選擇取決于準確性、輸出、靈敏度、機器視覺(jué)系統的成本以及對應用要求的充分理解。對傳感器主要性能的基本理解能夠幫助開(kāi)發(fā)人員迅速縮小他們的查找范圍，找到合適的傳感器。

　　大多數的機器視覺(jué)系統的用戶(hù)認識到相機是系統的關(guān)鍵要素，經(jīng)常把它當作視覺(jué)系統的“芯片”。相機本身是一個(gè)復雜的系統：包括鏡頭、信號處理器、通訊接口，以及最核心的部分——把光子轉換成電子的器件：圖像傳感器。鏡頭和其它的部件共同配合來(lái)支持相機的功能，傳感器最終決定相機的最高性能。

　　業(yè)內的許多討論都集中在加工技術(shù)上，以及CMOS和CCD傳感器孰優(yōu)孰劣。這兩種技術(shù)都有其優(yōu)勢和不足之處，所加工的傳感器有著(zhù)不同的性能。最終用戶(hù)關(guān)心的不是傳感器是“如何”被制造出來(lái)的，而是其在最終應用中的表現。

　　在指定的應用中，三個(gè)關(guān)鍵的要素決定了傳感器的選擇：動(dòng)態(tài)范圍、速度和響應度。動(dòng)態(tài)范圍決定系統能夠抓取的圖像的質(zhì)量，也被稱(chēng)作對細節的體現能力。傳感器的速度指的是每秒鐘傳感器能夠產(chǎn)生多少張圖像和系統能夠接收到的圖像的輸出量。響應度指的是傳感器將光子轉換為電子的效率，它決定系統需要抓取有用的圖像的亮度水平。傳感器的技術(shù)和設計共同決定上述特征，因此系統開(kāi)發(fā)人員在選擇傳感器時(shí)必須有自己的衡量標準，詳細的研究這些特征，將有助于做出正確的判斷。