瑞盟MS51xx系列芯片高精準應用于機器視覺行業

潘珍琪

什么是機器視覺 深圳市芯晶圖電子技術有限公司 杭州辦潘

機器視覺是人工智能行業的重要前沿分支。機器視覺通過模擬人類視覺系統，賦 予機器“看”和“認知”的能力，是機器認識世界的基礎。機器視覺利用成像系 統代替視覺器官作為輸入手段，利用視覺控制系統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，讓機器自動完成對外部世界的視覺信息的探測， 做出相應判斷并采取行動，實現更復雜的指揮決策和自主行動。作為人工智能最 前沿的領域之一，視覺類技術是人工智能企業的布局重點，具有最大的技術分布。

機器視覺原理

五大模塊構筑機器視覺系統：按照信號的流動順序，機器視覺系統主要包括光學成像、圖像傳感器、圖像處理、IO 和顯示等五大模塊。光學成像模塊設計合理 的光源和光路，通過鏡頭將物方空間信息投影到像方，從而獲取目標物體的物理 信息；圖像傳感器模塊負責信息的光電信號轉換，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 為中心的電路系統或信息處理芯片，搭配完整的圖像處理方案和數據算法庫，提取信息的關鍵參數；IO 模塊 輸出機器視覺系統的結果和數據；顯示模塊方便用戶直觀監測系統的運行過程， 實現圖像的可視化。

相對于人類視覺而言，機器視覺在量化程度、灰度分辨力、空間分辨力和觀測速 度等方面存在顯著優勢。其利用相機、鏡頭、光源和光源控制系統采集目標物體 數據，借助視覺控制系統、智能視覺軟件和數據算法庫進行圖形分析和處理，軟 硬系統相輔相成，為下游自動化、智能化制造行業賦予視覺能力。隨著深度學習、 3D 視覺技術、高精度成像技術和機器視覺互聯互通技術的發展，機器視覺性能 優勢進一步提升，應用領域也向多個維度延伸。

機器視覺核心部件：工業相機

圖像分析的前提是由鏡頭捕捉光信號并轉變為有序的電信號。區別于民用相機， 工業相機具有更高的圖像穩定性、傳輸能力和抗干擾能力，是機器視覺系統的關 鍵組件。目前市面上的工業相機產品主要有線陣相機、面陣相機、3D 相機和智 能相機等。智能相機將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機內，已成為 工業相機發展的趨勢。圖像傳感器是相機的核心，根據芯片類型可劃分為 CCD 和 CMOS 圖像傳感器， 兩者都使用光敏二極管進行光電轉化，但在工作原理和產品特性上都存在較大區 別。

CCD 圖像傳感器是一個由光電二極管和存儲區構成的矩陣，每一個感光元件在 將光線轉化為電荷后，直接輸出到下一個感光元件的存儲單元，依此類推到最后 一個感光元件形成統一的輸出，再由放大器放大電信號以及專門的模數轉換芯片 將模擬信號轉換為數字信號。而 CMOS 傳感器中每一個感光元件都直接整合了 放大器和模數轉換邏輯（ADC），當感光二極管接受光照、產生模擬的電信號之 后，電信號首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉換成對應的數字信號。

CMOS 傳感器在應用于機器視覺初期，由于在處理快速變化的影像時，容易因 電流變化過于頻繁而產生過熱現象，使得噪聲難以抑制，因此僅應用在影像畫質 要求較低的中低端工業產品；而 CCD 由于圖像質量更高、抗噪能力更強的優勢 多應用于高端場合。

成像的核心：鏡頭

鏡頭是機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對成像質量具有 關鍵性影響。

工業鏡頭按焦距可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭；根據光圈可分為固定光圈和可變光 圈；根據視場大小可分為攝遠鏡頭、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。由于傳統鏡頭存在視差現象（即鏡頭的放大倍數隨物距的變化而變化），且通常 有高于 1~2%的畸變，遠心鏡頭應用而生。它可以在一定物距范圍內糾正視差的 影響，并將畸變系數嚴格控制在 0.1%以下。遠心鏡頭由于其特有的平行光路設 計一直為對鏡頭畸變要求很高的機器視覺應用場合所青睞，適應精密檢測需求。

設計光路實現目標成像：光源

機器視覺系統使用的光源主要分為LED光源、鹵素燈和高頻熒光燈三種，其中 最為常用的為 LED 光源。LED 光源即發光二極管光源，其發光原理和白熾燈、 氣體放電燈的原理都不同，LED 光源采用固體半導體芯片為發光材料，能量轉 換效率高，理論上可達白熾燈 10%的能耗，相比熒光燈也可以達到 50%的節能 效果。此外，LED 光源具有形狀自由度高、使用壽命長、響應速度快、單色性 好、顏色多樣、綜合性價比高等特點，因此在機器視覺等工業領域具有更廣泛的應用。

機器視覺光源產品可按形狀劃分為多種類型，如環形光源、條形光源、平面光源、 線光源、點光源、同軸光源等。不同的形狀結構可提供不同的亮度、強度、照射 角度、照射面積及顏色組合等，適用于不同的機器視覺應用場景。例如環形光源 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 片區域，工作距離在 10-15MM 時，環形光源可以突出顯示被測物體邊緣和高度 的變化，適合應用于PCB基板檢測、IC 元件檢測、集成電路印字檢查等情形。

機器視覺與瑞盟的關系