1.2　機(jī)器視覺(jué)的硬件構(gòu)成

人眼的硬件構(gòu)成籠統(tǒng)點(diǎn)說(shuō)就是眼珠和大腦，機(jī)器視覺(jué)的硬件構(gòu)成也可以大概說(shuō)成是攝像機(jī)和電腦，如圖1.1所示。作為圖像采集設(shè)備，除了攝像機(jī)之外，還有圖像采集卡、光源等設(shè)備。以下從計(jì)算機(jī)和圖像輸入采集設(shè)備。兩方面做較詳細(xì)的說(shuō)明。

1.2.1　計(jì)算機(jī)

計(jì)算機(jī)的種類很多，有臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、平板電腦、工控機(jī)、微型處理器等，但是其核心部件都是中央處理器、內(nèi)存、硬盤(pán)和顯示器，只不過(guò)不同計(jì)算機(jī)核心部件的形狀、大小和性能不一樣而已。

（1）中央處理器

中央處理器，也叫CPU（central processing unit），如圖1.2所示，屬于計(jì)算機(jī)的核心部位，相當(dāng)于人的大腦組織，主要功能是執(zhí)行計(jì)算機(jī)指令和處理計(jì)算機(jī)軟件中的數(shù)據(jù)。其發(fā)展非常迅速，現(xiàn)在個(gè)人計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度已經(jīng)超過(guò)了10年前的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

（2）硬盤(pán)

電腦的主要存儲(chǔ)媒介，用于存放文件、程序、數(shù)據(jù)等。由覆蓋有鐵磁性材料的一個(gè)或者多個(gè)鋁制或者玻璃制的碟片組成，如圖1.3所示。

硬盤(pán)的種類有：固態(tài)硬盤(pán)（solid state drives，SSD）、機(jī)械硬盤(pán)（hard disk drive，HDD）和混合硬盤(pán)（hybrid hard disk，HHD）。SSD采用閃存顆粒來(lái)存儲(chǔ)，HDD采用磁性碟片來(lái)存儲(chǔ)，HHD是把磁性硬盤(pán)和閃存集成到一起的一種硬盤(pán)。絕大多數(shù)硬盤(pán)都是固定硬盤(pán)，被永久性地密封固定在硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器中。

數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)的程序數(shù)據(jù)相同，被存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理后，將圖像表示在顯示器上或者重新保存在硬盤(pán)中以備使用。除了計(jì)算機(jī)本身配置的硬盤(pán)之外，還有通過(guò)USB連接的移動(dòng)硬盤(pán)，最常用的就是通常說(shuō)的U盤(pán)。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高，硬盤(pán)容量也是在不斷擴(kuò)大，現(xiàn)在一般計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)容量都是TB數(shù)量級(jí)，1TB=1024GB。

（3）內(nèi)存

內(nèi)存（memory）也被稱為內(nèi)存儲(chǔ)器，如圖1.4所示，用于暫時(shí)存放CPU中的運(yùn)算數(shù)據(jù)，以及與硬盤(pán)等外部存儲(chǔ)器交換的數(shù)據(jù)。只要計(jì)算機(jī)在運(yùn)行中，CPU就會(huì)把需要運(yùn)算的數(shù)據(jù)調(diào)到內(nèi)存中進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算完成后CPU再將結(jié)果傳送出來(lái)，例如，將內(nèi)存中的圖像數(shù)據(jù)拷貝到顯示器的存儲(chǔ)區(qū)而顯示出來(lái)等。因此，內(nèi)存的性能對(duì)計(jì)算機(jī)的影響非常大。

現(xiàn)在數(shù)字圖像一般都比較大，例如，900萬(wàn)像素照相機(jī)，拍攝的最大圖像是3456×2592=8957952像素，一個(gè)像素是紅綠藍(lán)（RGB）3個(gè)字節(jié)，總共是8957952×3=26873856字節(jié)，也就是26873856÷1024÷1024≈25.63MB內(nèi)存。實(shí)際查看拍攝的JPEG格式圖像文件也就是2MB左右，沒(méi)有那么大，那是因?yàn)閷D像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)成JPG文件時(shí)進(jìn)行了數(shù)據(jù)壓縮，而在進(jìn)行圖像處理時(shí)必須首先進(jìn)行解壓縮處理，然后再將解壓縮后的圖像數(shù)據(jù)讀到計(jì)算機(jī)內(nèi)存里。因此，圖像數(shù)據(jù)非常占用計(jì)算機(jī)的內(nèi)存資源，內(nèi)存越大越有利于計(jì)算機(jī)的工作。現(xiàn)在32位計(jì)算機(jī)的內(nèi)存一般最小是1GB，最大是4GB（232Byte）；64位計(jì)算機(jī)的內(nèi)存，一般最小是8G，最大可以達(dá)到128GB（264Byte）。

（4）顯示器

顯示器（display）通常也被稱為監(jiān)視器，如圖1.5所示。顯示器是電腦的I/O設(shè)備，即輸入輸出設(shè)備，有不同的大小和種類。根據(jù)制造材料的不同，可分為：陰極射線管顯示器CRT（cathode ray tube）、等離子顯示器PDP（plasma display panel）、液晶顯示器LCD（liquid crystal display）等。顯示器可以選擇多種像素及色彩的顯示方式，從640×480像素的256色到1600×1200像素以及更高像素的32位的真彩色（true color）。

1.2.2　圖像采集設(shè)備

圖像采集設(shè)備包括攝像裝置、圖像采集卡和光源等。目前基本上都是數(shù)碼攝像裝置，而且種類很多，包括PC攝像頭、工業(yè)攝像頭、監(jiān)控?cái)z像頭、掃描儀、攝像機(jī)、手機(jī)等，如圖1.6所示。當(dāng)然，觀看微觀的顯微鏡和觀看宏觀的天文望遠(yuǎn)鏡，也都是圖像輸入裝置。

攝像頭的關(guān)鍵部件是鏡頭，如圖1.7所示。鏡頭的焦距越小，近處看得越清楚；焦距越大，遠(yuǎn)處看得越清楚，相當(dāng)于人眼的眼角膜。對(duì)于一般的攝像設(shè)備，鏡頭的焦距是固定的；一般PC攝像頭、監(jiān)控?cái)z像頭等常用攝像設(shè)備鏡頭的焦距為4～12mm。工業(yè)鏡頭和科學(xué)儀器鏡頭有定焦鏡頭，也有調(diào)焦鏡頭。

攝像裝置與電腦的連接一般是通過(guò)專用圖像采集卡、IEEE1394接口和USB接口，如圖1.8所示。計(jì)算機(jī)的主板上都有USB接口，有些便攜式計(jì)算機(jī)除了USB接口之外，還帶有IEEE1394接口。臺(tái)式計(jì)算機(jī)在用IEEE1394接口的數(shù)碼圖像裝置進(jìn)行圖像輸入時(shí)，如果主板上沒(méi)有IEEE1394接口，需要另配一枚IEEE1394圖像采集卡。由于IEEE1394圖像采集卡是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)圖像采集卡，價(jià)格非常便宜，市場(chǎng)價(jià)從幾十元到三四百元不等。IEEE1394接口的圖像采集幀率比較穩(wěn)定，一般不受計(jì)算機(jī)配置影響，而USB接口的圖像采集幀率受計(jì)算機(jī)性能影響較大。現(xiàn)在，隨著計(jì)算機(jī)和USB接口性能的不斷提高，一般數(shù)碼設(shè)備都趨向于采用USB接口，而IEEE1394接口多用于高性能攝像設(shè)備。對(duì)于特殊的高性能工業(yè)攝像頭，例如，采集幀率在每秒一千多幀的攝像頭，一般都自帶配套的圖像采集卡。

在室內(nèi)生產(chǎn)線上進(jìn)行圖像檢測(cè)，一般都需要配置一套光源，可以根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的狀態(tài)選擇適當(dāng)?shù)墓庠矗@樣不僅可以減輕軟件開(kāi)發(fā)難度，也可以提高圖像處理速度。圖像處理的光源一般需要直流電光源，特別是在高速圖像采集時(shí)必須用直流電光源，如果是交流電光源會(huì)產(chǎn)生圖像一會(huì)亮一會(huì)暗的閃爍現(xiàn)象。直流光源一般采用發(fā)光二極管LED（light emitting diode），根據(jù)具體使用情況做成圓環(huán)形、長(zhǎng)方形、正方形、長(zhǎng)條形等不同形狀，如圖1.9所示。有專門(mén)開(kāi)發(fā)和銷售圖像處理專用光源的公司，這樣的專業(yè)光源一般都很貴，價(jià)格從幾千元到幾萬(wàn)元不等。