一般來說，機器視覺(Machine vision)就是一個與電腦等處理單元連接、可進行圖像處理并控制某個系統的光電系統(相機)。這是一種可以“看到”目標物體的系統或電腦。生產裝置、產品質量控制、取放機等等系統都可以采用機器視覺控制。利用Firewire、USB或以太網等電氣接口使圖像傳感器和透鏡系統(相機)與電腦連接，電腦再與控制設備相連接，就可以獲得一個機器視覺系統。

機器視覺應用需要結合使用以下軟硬件才能確保成功：

* 相機
* 主機電腦
* 幀捕獲器
* 應用軟件

雖然選擇正確的硬件十分重要，不過機器視覺系統的核心乃視覺檢測軟件。傳感器(一般由像素時鐘驅動)有一組寄存器，用戶可用以經由SPI 或I2C接口對分辨率、工作速度、放大倍數控制、曝光時間和積分時間進行配置。傳感器輸出幀同步與線同步脈沖以及數字數據以待處理。

傳感器的電氣接口為速度高達200MHz的CMOS。在速度較大時，需要一個LVDS接口來實現信號完整性。圖1所示為機器視覺相機的典型系統架構：

圖1：機器視覺系統的主要部件。
這種機器視覺系統結構通過Firewire、USB或 GigE等業界標準電氣接口與一個單獨的相機配合工作。相機單獨供電，原始數據經由電氣接口發送到主機。根據應用需要，視頻傳輸可以是連續幀，也可以是一個數據幀。單幀捕獲和視頻傳輸被稱為觸發模式，利用一個外部系統向相機系統發送電脈沖(一般在CMOS級).

圖2：帶離線處理功能的相機
相機的邏輯電路將啟動單幀積分并通過電接口把攝后數據傳送到主機。在某些情況下，原始數據通過總線與同步信號、時鐘一起發送到終端數據采集系統，比如幀捕獲器。幀捕獲器把這些數據儲存在存儲器中，供主機應用軟件在進行處理和控制任務時所用。

相機到主機的電接口包括：

1. Firewire IEEE 1394 接口
2. USB 接口
3. GigE Vision 接口
4. 復合模擬視頻
5. LVDS

離線處理的一個優點是單個主機可以同時用于相機和系統控制。但另一方面，由于相機視頻數據的逐幀傳輸存在延時，故這種方法不適用于輸送帶上產品檢測這類需要實時處理的應用。

帶在線處理功能的相機

隨著技術的發展，最新的DSP已具備強大的計算能力，足以實時執行復雜的算法，這使得在線處理成為可能。而相機就內置有無膠粘連接或帶膠粘邏輯(glue logic)的傳感器和DSP處理器。傳感器的掃描視頻通過DMA(直接存儲器存取)的方式直接被傳送到DSP的存儲器，并逐幀處理。然后處理器直接對被控系統啟動最終結果或控制功能，或者是作為一條命令傳送給主機。

圖3：帶在線處理功能的相機
相機中視頻處理的優勢在于，可實時執行數據處理，Firewire、USB或GigE接口上沒有數據包處理的開銷。對于運行在300 MHz以上的時鐘頻率的DSP處理器，可采用字節優化的匯編代碼來實現更快的實時處理。對檢測類的應用(譬如輸送帶上高速移動的器件)而言，圖像算法的實時處理至為關鍵。一個幀的成像需要一定的計算，并得在另一個圖像幀傳送到系統之前完成。

關鍵因素

對于機器視覺系統，圖像質量是直接影響到最終圖像處理結果的主要因素。尤其是在自然采光條件下，圖像質量隨光源條件改變而大幅變化。通過調節相機設置，如“放大倍數”和“曝光時間”，可以補償外界照明的不穩定，改善圖像質量。

圖4：用于檢測的機器視覺相機

圖5：機器視覺引導檢測系統
根據終端應用的需求和傳感器與被攝目標的接近程度，光源可以是單獨的單元或者在鏡頭附近是攝像頭的一部分。如果光源在攝像頭附件，則相機可以和光源一起移動。常用光源有鹵素燈泡、熒光燈和發光二極管(LED)。

影響圖像質量的主要因素：

1. 光強度
2. 光方向
3. 物距
4. 焦距
5. 采樣率
6. 曝光時間和放大倍數
7. 暗漏電流
8. 分辨率(像素數)

鏡頭選擇和要求

鏡頭的質量與傳感器質量一樣重要。相機是一個光電系統，同時利用光學和電子學原理成像。一旦鏡頭選擇不好就會造成圖像模糊。

鏡頭尺寸和形狀的選擇主要在于焦距，但物距較小時，常采用C- mount鏡頭。若相機需要在反射強烈的環境中工作，最好選擇帶抗反射涂層的鏡頭。相機總體覆蓋范圍取決于所需視角、工作距離和鏡頭性能。

精度和目標物體的分辨率

鏡頭設計/選擇的另一個關鍵參數是目標物體所需的分辨率(mm 或 mil (1/1000英寸))。當相機用于在生產中測量目標物體尺寸時，必需考慮到以下幾個重要參數：

1. 視角
2. 傳感器分辨率(像素數)
3. 圖像質量
4. 視覺工具精度

例如，對于IBIS5-1300 傳感器 (1.3M像素 1280(h) X 1024 (v))，1/10像素的工具精度，5英寸寬4英寸高的物體，6英寸的水平視角，精度為0.0004英寸。

分辨率：根據視角和被攝目標物體所需的圖像粒度，常采用VGA 到兆像素(Megapixel)陣列。

靈敏度

單色或彩色：大多數檢測應用都可以采用生成灰度級圖像的單色傳感器。典型應用有條形碼讀取器、指紋掃描儀、生產器件的尺寸測量等等。

當目標物體的顏色與生產控制質量有關聯時，需采用彩色器件。胡椒粉或蘋果的分類分級就是一個實例。傳感器的24位色彩數據能夠捕獲到1740萬種不同的色度。

傳感器參數及選擇

對于機器視覺應用，傳感器和相機必需支持多個分辨率和幀速。若采用可編程技術來實現這種特性，可以獲得一個適用于多種機器視覺應用的通用性更強的相機設計。

* 窗口和分辨率選擇
* 用戶可編程高幀速
* 標準電氣CMOS接口
* 傳感器暗漏電流低

可靠性和傳感器性能必須能夠支持各種工業工作環境。器件必須是工業級的，工作溫度范圍一般為0 - 80度。

應用：

* 引導：機器人取放裝置中的系統
* 檢測：材質、表面、標簽、裝配
* 測量：生產部件的物理尺寸，裝配部件的尺寸