机器视觉之图像采集卡基础知识

工业机器视觉系统的图像采集与手眼标定工业机器视觉系统在现代制造业中扮演着重要的角色。

它利用技术手段实现自动化的视觉检测与监控，可以广泛应用于产品质量检测、生产线控制、安全监测等领域。

而在工业机器视觉系统中，图像采集和手眼标定是其中两个关键的环节。

本文将详细介绍工业机器视觉系统的图像采集与手眼标定的原理、方法和应用。

一、图像采集图像采集是工业机器视觉系统的基础环节，它通过相机或其他图像传感器将物体的图像信息转化为数字信号。

图像采集过程需要考虑到物体形状、表面特性、光照条件等多个因素，并通过适当的硬件设备和图像处理算法来实现高质量的图像采集。

在工业机器视觉系统中，常用的图像采集设备有CCD相机和CMOS相机。

CCD相机具有较高的灵敏度和动态范围，在光线较暗或对图像质量要求较高的场景中表现优秀。

而CMOS相机则具有较高的速度和较低的功耗，适合于快速采集和处理大量图像的应用。

在图像采集的过程中，还需要考虑到物体的尺寸、距离和角度，以及摄像头的位置和角度等因素。

通过适当调整相机的焦距、光圈和曝光时间等参数，可以获得清晰、准确的图像信息。

二、手眼标定手眼标定是工业机器视觉系统中的一个重要环节，它用于确定相机和机械臂之间的坐标变换关系，从而实现准确的机器视觉引导和控制。

手眼标定的关键是确定相机坐标系和机械臂坐标系之间的转换关系，通常采用外标定和内标定的方法。

外标定是通过将相机固定在机械臂末端，通过移动机械臂在不同位置和姿态下拍摄物体图像，然后利用图像处理算法提取特征点，最终计算得到相机的外参矩阵。

外参矩阵包括旋转矩阵和平移矩阵，它们描述了相机坐标系相对于机械臂坐标系的位置和姿态关系。

内标定是通过将相机固定在静止平台上，拍摄特定的标定板图像，利用图像处理算法提取特征点，最终计算得到相机的内参矩阵。

内参矩阵描述了相机的主要参数，包括焦距、光心以及畸变系数等。

手眼标定的过程中，需要采集足够多的图像样本，并使用适当的图像处理算法进行特征点提取和匹配。

机器视觉行业知识点总结在这篇文章中，我们将对机器视觉行业的一些知识点进行总结和梳理，以帮助读者更好地理解这一领域的发展和应用。

一、机器视觉的基本原理1.图像采集和传感器技术图像采集是机器视觉系统的第一步，也是至关重要的一步。

图像传感器的选择将直接影响到后续的图像处理和分析效果。

常见的图像传感器有CCD（Charge-Coupled Device）和CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）两种类型，它们在成本、灵敏度和分辨率等方面各有优劣。

2.图像预处理图像预处理包括对图像进行去噪、增强、滤波、边缘检测等操作，目的是减少图像中的噪声和干扰，从而提高后续的图像处理和分析效果。

3.特征提取和描述特征提取和描述是机器视觉系统中的关键步骤，它涉及到对图像中的特征进行提取和描述，常用的特征包括边缘、角点、纹理等。

特征提取和描述的质量将直接影响到后续的目标检测、识别和跟踪效果。

4.目标检测、识别和跟踪目标检测、识别和跟踪是机器视觉系统中的核心任务之一，它涉及到对图像中的目标进行定位、识别和跟踪。

常见的目标检测和识别算法包括Haar特征、HOG特征、深度学习等技术。

5.应用领域机器视觉技术在工业自动化、智能制造、医疗影像诊断、交通监控、安防监控等领域都有广泛的应用。

其中，工业自动化是机器视觉技术应用最为广泛的领域之一，它包括产品的质量检测、组装线的监控、机器人视觉导航等方面。

二、机器视觉的发展趋势1.深度学习与机器视觉深度学习作为机器学习的一种方法，在图像识别和分析领域表现出了强大的能力，因此也在机器视觉领域得到了广泛的应用。

通过深度学习技术，机器视觉系统可以更准确地识别和分析图像中的目标，实现更高水平的自动化。

2.智能传感器与机器视觉智能传感器集成了传感器、处理器和通信接口等功能，它可以直接在传感器端进行数据的处理和分析，从而减轻了计算机端的负担。

智能传感器的发展将进一步推动机器视觉系统的智能化和自动化。

第一章硬件部分一、视频信号的结构与使用图象采集卡是对模拟视频信号采样并作A/D转换而成为数字信号的，为了获得正确的数字信号，对模拟视频信号有一个大概的了解是十分重要的，尤其在一些特殊的应用领域，例如：●实时处理●多路视频输入●非标准视频采集●立体视觉●序列图象分析●运动图象等都对摄象机的同步连接；多路切换；图象处理与视频信号的同步配合；图象窗口的选择；亮度与对比度的调节有着特殊的要求，为了满足这些要求，把视频信号的结构了解清楚后，会对用户很快构成并调试好自己的图象处理系统；设计好自己的软件；充分提高CPU处理图象的效率等带来很大的好处，为此本节对视频信号的概要作一介绍，这里不是教材，只给用户提供一些使用图象卡应有的视频信号的基本知识。

1-1、视频信号的概述视频信号最初是用于广播电视的，也就是说是要经过传输，尤其是无线传输而送到观众接收机上，由于图象的信息量是如此巨大，如果不对视频信号作一定的处理，就会占据无线通讯很宽的宝贵频带，为此对全电视信号在清晰度、闪烁性、叠加彩色后的与黑白图象的兼容性、所占用的带宽等方方面面作了精心的权衡与安排，研究设计出目前的黑白/彩色全电视信号标准。

例如隔行扫描就是考虑到带宽、抗闪烁、清晰度等方面而巧妙设计的；PAL或NTSC的彩色图象制式就是考虑到人眼对颜色的着色特性，与原黑白视频的兼容性，在不影响黑白灰度信息的前提下，而将彩色信息调制后插入黑白全电视信号频谱的缝隙之中的。

而所谓的不影响仅仅是理论上的，由于技术上的局限性，在接收端将黑白信息与彩色信息分离时，在大多数情况下会大大影响黑白信息的分辨率。

视频信号的这些特性在广播电视中带来了巨大的好处，但在图象处理的使用场合又会带来很大的不便与缺陷。

所以在用图象采集卡时大致了解一些视频信号的特性，对有效的构建用户自己的系统是很必要的。

1-2、黑白全电视信号及采集摄象机获取图象形成视频信号是用扫描的方式逐行顺序进行的，从景物的左上角开始扫描第一行，然后向下移动扫描第二行，直至这场扫描完312行（PAL制），到第313行的一半时，这一场结束，形成了一幅奇场图象；从图象的最上部中间开始第313行的后半部扫描，见图一，开始第二场即偶场的扫描，第二场的每一行夹在第一场的相邻行中间，直至625行结束，第二场图象结束，形成了一幅偶场图象，同时相邻行由奇场和偶场图象交叉形成了一帧图象。

图像采集卡基本概念及分类图像采集卡（Image Gr abber）又称为图像卡，它将摄像机的图像视频信号，以帧为单位，送到计算机的内存和VGA帧存，供计算机处理、存储、显示和传输等使用；在机器视觉系统中，图像卡采集到的图像，供处理器作出工件是否合格、运动物体的运动偏差量、缺陷所在的位置等等处理。

基本概念1、图像采集卡（Fr ame Graber）图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。

图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的过程，叫做采集、数字化。

2、A/D转换视频量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字信号的过程，即A/D转换。

视频信号的量化处理是图像采集处理的重要组成部分。

3、传输通道数（Channel）采集卡同时对多个相机进行A/D转换的能力。

如：2通道、4通道。

4、分辨率采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。

即，其所能支持的相机最大分辨率。

5、采样频率采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。

在进行高速图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。

6、传输速率指图像由采集卡到达内存的速度。

普通PCI接口理论传输速度为132MB/S，PCI-E，PCI-X是更高速的总线接口。

7、图像格式（像素格式）(1) 黑白图像：通常情况下，图像灰度等级可分为256级，即以8位表示。

在对图像灰度有更精确要求时，可用10位，12位等来表示。

(2) 彩色图像：彩色图像可由RGB（YUV）3种色彩组合而成，根据其亮度级别的不同有8－8－8，10－10－10等格式。

8、颜色空间对一种颜色进行编码的方法统称为“颜色空间”或“色域”(Color Space)。

——RGB(16位/24位/32位)——YUV(YCbCr)——其他(HSV、CMYK、数码相机自定义格式等)——Alpha通道9、帧和场——标准的模拟视频信号是隔行信号，一帧分成两场——偶数场包含所有的偶数行(0, 2, . . . )——奇数场包含所有的奇数行(1, 3, . . . )——采集和传输的过程中使用的是场，而不是帧——一帧图像的两场之间有时间差可采集的视频信号·模拟视频和数字视频；·标准视频和非标准视频信号；·隔行和逐行扫描方式；·黑白和彩色摄像机输出；·复合和各种分量式彩色视频信号图像采集卡的分类1. 依据输入信号类型可以分为：模拟制式图像采集卡数字图像采集卡2. 根据采集信号颜色可分为：黑白图像采集卡彩色图像采集卡输出接口类型根据不同的应用方向，为配合所接摄像头，图像采集卡有多种输出接口，其主要接口有BN C、VGA、Camer alink、LVDS、DVI、USB、FireWir e等。