瑞盟MS51xx系列芯片高精準(zhǔn)應(yīng)用于機(jī)器視覺行業(yè)

潘珍琪

什么是機(jī)器視覺 深圳市芯晶圖電子技術(shù)有限公司 杭州辦潘

機(jī)器視覺是人工智能行業(yè)的重要前沿分支。機(jī)器視覺通過模擬人類視覺系統(tǒng)，賦 予機(jī)器“看”和“認(rèn)知”的能力，是機(jī)器認(rèn)識世界的基礎(chǔ)。機(jī)器視覺利用成像系 統(tǒng)代替視覺器官作為輸入手段，利用視覺控制系統(tǒng)代替大腦皮層和大腦的剩余部 分完成對視覺圖像的處理和解釋，讓機(jī)器自動(dòng)完成對外部世界的視覺信息的探測， 做出相應(yīng)判斷并采取行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的指揮決策和自主行動(dòng)。作為人工智能最 前沿的領(lǐng)域之一，視覺類技術(shù)是人工智能企業(yè)的布局重點(diǎn)，具有最大的技術(shù)分布。

機(jī)器視覺原理

五大模塊構(gòu)筑機(jī)器視覺系統(tǒng)：按照信號的流動(dòng)順序，機(jī)器視覺系統(tǒng)主要包括光學(xué)成像、圖像傳感器、圖像處理、IO 和顯示等五大模塊。光學(xué)成像模塊設(shè)計(jì)合理 的光源和光路，通過鏡頭將物方空間信息投影到像方，從而獲取目標(biāo)物體的物理 信息；圖像傳感器模塊負(fù)責(zé)信息的光電信號轉(zhuǎn)換，目前主流的圖像傳感器分為 CCD 與 CMOS 兩類；圖像處理模塊基于以 CPU 為中心的電路系統(tǒng)或信息處理芯片，搭配完整的圖像處理方案和數(shù)據(jù)算法庫，提取信息的關(guān)鍵參數(shù)；IO 模塊 輸出機(jī)器視覺系統(tǒng)的結(jié)果和數(shù)據(jù)；顯示模塊方便用戶直觀監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)行過程， 實(shí)現(xiàn)圖像的可視化。

相對于人類視覺而言，機(jī)器視覺在量化程度、灰度分辨力、空間分辨力和觀測速 度等方面存在顯著優(yōu)勢。其利用相機(jī)、鏡頭、光源和光源控制系統(tǒng)采集目標(biāo)物體 數(shù)據(jù)，借助視覺控制系統(tǒng)、智能視覺軟件和數(shù)據(jù)算法庫進(jìn)行圖形分析和處理，軟 硬系統(tǒng)相輔相成，為下游自動(dòng)化、智能化制造行業(yè)賦予視覺能力。隨著深度學(xué)習(xí)、 3D 視覺技術(shù)、高精度成像技術(shù)和機(jī)器視覺互聯(lián)互通技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺性能 優(yōu)勢進(jìn)一步提升，應(yīng)用領(lǐng)域也向多個(gè)維度延伸。

機(jī)器視覺核心部件：工業(yè)相機(jī)

圖像分析的前提是由鏡頭捕捉光信號并轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻碾娦盘枴^(qū)別于民用相機(jī)， 工業(yè)相機(jī)具有更高的圖像穩(wěn)定性、傳輸能力和抗干擾能力，是機(jī)器視覺系統(tǒng)的關(guān) 鍵組件。目前市面上的工業(yè)相機(jī)產(chǎn)品主要有線陣相機(jī)、面陣相機(jī)、3D 相機(jī)和智 能相機(jī)等。智能相機(jī)將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，已成為 工業(yè)相機(jī)發(fā)展的趨勢。圖像傳感器是相機(jī)的核心，根據(jù)芯片類型可劃分為 CCD 和 CMOS 圖像傳感器， 兩者都使用光敏二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，但在工作原理和產(chǎn)品特性上都存在較大區(qū) 別。

CCD 圖像傳感器是一個(gè)由光電二極管和存儲區(qū)構(gòu)成的矩陣，每一個(gè)感光元件在 將光線轉(zhuǎn)化為電荷后，直接輸出到下一個(gè)感光元件的存儲單元，依此類推到最后 一個(gè)感光元件形成統(tǒng)一的輸出，再由放大器放大電信號以及專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。而 CMOS 傳感器中每一個(gè)感光元件都直接整合了 放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯（ADC），當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號之 后，電信號首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號。

CMOS 傳感器在應(yīng)用于機(jī)器視覺初期，由于在處理快速變化的影像時(shí)，容易因 電流變化過于頻繁而產(chǎn)生過熱現(xiàn)象，使得噪聲難以抑制，因此僅應(yīng)用在影像畫質(zhì) 要求較低的中低端工業(yè)產(chǎn)品；而 CCD 由于圖像質(zhì)量更高、抗噪能力更強(qiáng)的優(yōu)勢 多應(yīng)用于高端場合。

成像的核心：鏡頭

鏡頭是機(jī)器視覺圖像采集部分重要的成像部件，鏡頭的主要作用是將目標(biāo)成像在 圖像傳感器的光敏面上，分辨率、對比度、景深以及像差等指標(biāo)對成像質(zhì)量具有 關(guān)鍵性影響。

工業(yè)鏡頭按焦距可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭；根據(jù)光圈可分為固定光圈和可變光 圈；根據(jù)視場大小可分為攝遠(yuǎn)鏡頭、普通鏡頭和廣角鏡頭。此外，還有幾種具有 特殊用途的鏡頭，如遠(yuǎn)心鏡頭、顯微鏡頭、微距鏡頭、紫外鏡頭和紅外鏡頭等。由于傳統(tǒng)鏡頭存在視差現(xiàn)象（即鏡頭的放大倍數(shù)隨物距的變化而變化），且通常 有高于 1~2%的畸變，遠(yuǎn)心鏡頭應(yīng)用而生。它可以在一定物距范圍內(nèi)糾正視差的 影響，并將畸變系數(shù)嚴(yán)格控制在 0.1%以下。遠(yuǎn)心鏡頭由于其特有的平行光路設(shè) 計(jì)一直為對鏡頭畸變要求很高的機(jī)器視覺應(yīng)用場合所青睞，適應(yīng)精密檢測需求。

設(shè)計(jì)光路實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像：光源

機(jī)器視覺系統(tǒng)使用的光源主要分為LED光源、鹵素?zé)艉透哳l熒光燈三種，其中 最為常用的為 LED 光源。LED 光源即發(fā)光二極管光源，其發(fā)光原理和白熾燈、 氣體放電燈的原理都不同，LED 光源采用固體半導(dǎo)體芯片為發(fā)光材料，能量轉(zhuǎn) 換效率高，理論上可達(dá)白熾燈 10%的能耗，相比熒光燈也可以達(dá)到 50%的節(jié)能 效果。此外，LED 光源具有形狀自由度高、使用壽命長、響應(yīng)速度快、單色性 好、顏色多樣、綜合性價(jià)比高等特點(diǎn)，因此在機(jī)器視覺等工業(yè)領(lǐng)域具有更廣泛的應(yīng)用。

機(jī)器視覺光源產(chǎn)品可按形狀劃分為多種類型，如環(huán)形光源、條形光源、平面光源、 線光源、點(diǎn)光源、同軸光源等。不同的形狀結(jié)構(gòu)可提供不同的亮度、強(qiáng)度、照射 角度、照射面積及顏色組合等，適用于不同的機(jī)器視覺應(yīng)用場景。例如環(huán)形光源 是由 LED 陣列成圓錐狀以斜角照射在被測物體表面，通過漫反射方式照亮一小 片區(qū)域，工作距離在 10-15MM 時(shí)，環(huán)形光源可以突出顯示被測物體邊緣和高度 的變化，適合應(yīng)用于PCB基板檢測、IC 元件檢測、集成電路印字檢查等情形。

機(jī)器視覺與瑞盟的關(guān)系