由于近來DSP處理器發(fā)展非?？?，已經(jīng)具備實時執(zhí)行復雜算法的計算功能，因此也使得攝像頭的在線處理成為可能。在線處理功能的攝像頭包括感應器與DSP處理器，二者可通過非粘接邏輯、也可通過某種粘接邏輯連接。DMA 將感應器掃描的視頻直接發(fā)送至DSP 存儲器，并進行逐幀處理?？刂坪瘮?shù)的最終結(jié)果由處理器在被控制的系統(tǒng)中直接啟動，或在主機上作為命令啟動。

在線處理功能的攝像頭進行視頻處理的優(yōu)勢在于，數(shù)據(jù)處理可實時進行，而且在火線、USB 或千兆以太網(wǎng)接口上沒有分組處理的負擔?？刹捎米止?jié)優(yōu)化型匯編代碼，在時鐘頻率超過300 MHz的DSP處理器上加快實時處理速度。

圖像算法的實時處理對檢查應用至關(guān)重要，例如，能夠檢查出傳送帶上移動過快的的器件。一個幀圖像的計算完成并采取相應行動后，才可以繼續(xù)向系統(tǒng)傳輸下一個圖像幀。

在實際應用中，應依據(jù)具體的應用環(huán)境來選擇攝像頭，不管是離線處理功能的攝像頭還是在線處理功能的攝像頭，都具有各自的技術(shù)特點，選擇合適合理的攝像頭才能更好的體現(xiàn)出機器視覺系統(tǒng)的優(yōu)越性。

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互補式金屬氧化物半導體的英文縮寫，它將NMOS和PMOS二個相反極性的MOS半導體串起來，形成了集成電路中廣泛使用的一個基本單元。例如計算機中用量最大的內(nèi)存——動態(tài)存儲器，就是用CMOS工藝制造的。

CMOS的攝像機并不比CCD攝像機出現(xiàn)的時間晚多少，CCD在六十年代末，而CMOS在七十年代初相繼開發(fā)出來，后來之所以CCD占了統(tǒng)治地位，是因為在當時的工藝制造技術(shù)條件下，CMOS的圖像質(zhì)量太差了。直至1990年，新工藝的發(fā)展，使開發(fā)人員再一次對CMOS產(chǎn)生了興趣，主要是看到了CMOS的低功耗、高集成(整個攝像機集成在一片晶體內(nèi))、低制造成本(基于不需重新建立新的生產(chǎn)線，可以在已有的主流的邏輯和存儲器CMOS流水線中進行)。經(jīng)過大量的投入和努力，CMOS攝像機在近幾年已獲得了極大的成功，已形成了對CCD的強大挑戰(zhàn)。形成了CCD和CMOS二個激烈競爭的發(fā)展方向和陣營。

在過去，CMOS圖像傳感器給人的印象是低端產(chǎn)品，例如商務用傳真機、復印機、掃描儀，到今日，以娛樂為主的攝像機、手機拍攝組件，直至大紫大紅的網(wǎng)上攝像機也多為CMOS傳感器。同時，CMOS攝像機在圖像質(zhì)量上已取得長足的進步，即使在對圖像質(zhì)量要求較高的投影儀上也獲得了使用。

無論是CMOS還是CCD，它們都是用光敏像元陣列將入射的光圖像轉(zhuǎn)換成像元內(nèi)的電荷，所不同的是將這些像元中的電荷取出，并轉(zhuǎn)換成電壓的方式和途徑不同。CCD是用電荷量來載荷圖像信息的，而CMOS是用電壓量來載荷圖像信息的。

CMOS和CCD的工作過程如下圖所示，從圖可以看出，CCD像元將光轉(zhuǎn)換為電荷后，用電荷耦合的方法，將電荷逐點、逐行地用電荷移位寄存器移出，直至電荷/電壓轉(zhuǎn)換器，圖像信息用電荷的形式在芯片內(nèi)移動輸出；而CMOS則以完全不同的方式將圖像信息送出像元陣列，從圖(b)可以看出，每一個像元光敏單元都有一個電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元與之相伴，所以像元電荷馬上轉(zhuǎn)換成為電壓，再通過與之對應的矩陣開關(guān)，將電壓送出陣列，所以CMOS的圖像信息是以電壓的形式傳送輸出的。由于這種完全不同的結(jié)構(gòu)，為它們帶來了各自的長處和短處。

CCD和CMOS工作過程示意圖

CMOS攝像機有超強的集成度、低功耗和小尺寸的優(yōu)勢；但在圖像質(zhì)量，特別在低照度下和靈活性方面就要遜色多了。所以CMOS適合于批量大、有空間和重量限制，而圖像質(zhì)量要求不是太高的領(lǐng)域，例如保安、生物測量儀等領(lǐng)域使用，包括機器視覺系統(tǒng)中對圖像質(zhì)量要求不嚴的場合，例如數(shù)字或文學識別、易區(qū)分的缺陷檢測、簡單物體幾何分類、簡單場景自動導航等等。

機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，人們將機器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

半導體行業(yè)是最先利用機器視覺技術(shù)進行檢測的行業(yè)，其他行業(yè)也隨之而來。作為生產(chǎn)機械的OEM的設(shè)計工程師，最基本的問題就是：“我是要檢測這個部件還是整個這個產(chǎn)品”。檢測可以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，但是也會有這樣的事實存在：檢測成本或者產(chǎn)品質(zhì)量要求并不需要這樣的檢測。比如說牙簽，假設(shè)在一個裝有500個牙簽的盒子里有一兩個不合格，大多數(shù)人都不會怎么擔心。但是對于很多產(chǎn)品，假如前面的盒子里裝的不是牙簽，而是針頭，試想不合格品可能會帶來什么樣的后果，所以產(chǎn)品功能性的檢測都是不可缺少的，即使只是外觀檢測，要證明內(nèi)在的品質(zhì)也必須要做到無缺陷。因此，為了達到這個目的，許多OEM將機器視覺應用到他們將要賣給用戶的系統(tǒng)中。機器視覺能夠為整個系統(tǒng)增值，表現(xiàn)在三個方面：提高生產(chǎn)效率，提高制造過程的精確性，減少成本。

那么，對于一個設(shè)計工程師來說，怎么樣才能知道機器視覺是否適合他的系統(tǒng)呢？盡管最早的最基本的機器視覺系統(tǒng)在20世紀70年代引入，工業(yè)就將其視為主流應用。這就導致設(shè)計工程師要考慮它是否合適他們的應用，同時要考慮利用機器視覺檢測的成本與其所能帶來的利潤。
高復雜度產(chǎn)品行業(yè)，比如說半導體行業(yè)和電子行業(yè)，由于它們的復雜性和小型化，從傳統(tǒng)上推動著機器視覺市場的發(fā)展。但是如今，所有產(chǎn)業(yè)，包括自動化、制藥、造紙等等都依靠機器視覺系統(tǒng)檢測產(chǎn)品以提高產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)專家們預言：在未來的20年到50年，機器視覺將成為橫跨所有行業(yè)的通用性技術(shù)，幾乎所有出產(chǎn)的產(chǎn)品都會由機器視覺系統(tǒng)來檢測。

使用機器視覺系統(tǒng)有以下五個主要原因：

精確性——由于人眼有物理條件的限制，在精確性上機器有明顯的優(yōu)點。即使人眼依靠放大鏡或顯微鏡來檢測產(chǎn)品，機器仍然會更加精確，因為它的精度能夠達到千分之一英寸。

重復性——機器可以以相同的方法一次一次的完成檢測工作而不會感到疲倦。與此相反，人眼每次檢測產(chǎn)品時都會有細微的不同，即使產(chǎn)品時完全相同的。

速度——機器能夠更快的檢測產(chǎn)品。特別是當檢測高速運動的物體時，比如說生產(chǎn)線上，機器能夠提高生產(chǎn)效率。

客觀性——人眼檢測還有一個致命的缺陷，就是情緒帶來的主觀性，檢測結(jié)果會隨工人心情的好壞產(chǎn)生變化，而機器沒有喜怒哀樂，檢測的結(jié)果自然非?？捎^可靠。

成本——由于機器比人快，一臺自動檢測機器能夠承擔好幾個人的任務。而且機器不需要停頓、不會生病、能夠連續(xù)工作，所以能夠極大的提高生產(chǎn)效率。

一旦工程師決定使用機器視覺系統(tǒng)，就需要建立這個系統(tǒng)。其中要素包括：照明光源、工件放置（夾具）、工業(yè)鏡頭、工業(yè)相機、位置傳感器、控制邏輯、以及圖像采集卡，圖像處理軟件、技術(shù)支持。由于大多數(shù)廠商在這個領(lǐng)域都沒有經(jīng)驗，機會來了。所以，尋找一個既了解核心技術(shù)又能為其提供系統(tǒng)所需產(chǎn)品的供應商就成為關(guān)鍵問題。

圖1.1.1 基于PC的視覺系統(tǒng)基本組成

典型的基于PC的視覺系統(tǒng)通常由如圖1.1.1所示的幾部分組成：

①工業(yè)相機與工業(yè)鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統(tǒng)都是由一套或者多套這樣的成像系統(tǒng)組成，如果有多路相機，可能由圖像卡切換來獲取圖像數(shù)據(jù)，也可能由同步控制同時獲取多相機通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)應用的需要相機可能是輸出標準的單色視頻（RS-170/CCIR）、復合信號（Y/C）、RGB信號，也可能是非標準的逐行掃描信號、線掃描信號、高分辨率信號等。

②光源——作為輔助成像器件，對成像質(zhì)量的好壞往往能起到至關(guān)重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等都容易得到。
③傳感器——通常以光纖開關(guān)、接近開關(guān)等的形式出現(xiàn)，用以判斷被測對象的位置和狀態(tài)，告知圖像傳感器進行正確的采集。

④圖像采集卡——通常以插入卡的形式安裝在PC中，圖像采集卡的主要工作是把相機輸出的圖像輸送給電腦主機。它將來自相機的模擬或數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流，同時它可以控制相機的一些參數(shù)，比如觸發(fā)信號，曝光/積分時間，快門速度等。圖像采集卡通常有不同的硬件結(jié)構(gòu)以針對不同類型的相機，同時也有不同的總線形式，比如PCI、PCI64、Compact PCI，PC104，ISA等。

⑤PC平臺——電腦是一個PC式視覺系統(tǒng)的核心，在這里完成圖像數(shù)據(jù)的處理和絕大部分的控制邏輯，對于檢測類型的應用，通常都需要較高頻率的CPU，這樣可以減少處理的時間。同時，為了減少工業(yè)現(xiàn)場電磁、振動、灰塵、溫度等的干擾，必須選擇工業(yè)級的電腦。

⑥視覺處理軟件——機器視覺軟件用來完成輸入的圖像數(shù)據(jù)的處理，然后通過一定的運算得出結(jié)果，這個輸出的結(jié)果可能是PASS/FAIL信號、坐標位置、字符串等。常見的機器視覺軟件以C/C++圖像庫，ActiveX控件，圖形式編程環(huán)境等形式出現(xiàn)，可以是專用功能的（比如僅僅用于LCD檢測，BGA檢測，模版對準等），也可以是通用目的的（包括定位、測量、條碼/字符識別、斑點檢測等）。

⑦控制單元（包含I/O、運動控制、電平轉(zhuǎn)化單元等）——一旦視覺軟件完成圖像分析（除非僅用于監(jiān)控），緊接著需要和外部單元進行通信以完成對生產(chǎn)過程的控制。簡單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O，相對復雜的邏輯/運動控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元/運動控制卡來實現(xiàn)必要的動作。