2. 工业视觉数据采集方案

数据采集是工业视觉模型开发的第一道物理关口。模型再强，也无法从一张过曝、失焦或错位的图像中恢复出缺陷信息。本节围绕相机、光源、镜头、触发同步、材质成像策略与元数据管理六个环节，说明如何把"拍得到"变成"拍得稳、拍得可追溯"。

一、相机选型：先算分辨率，再定接口与快门

选型的第一步不是看品牌，而是算清空间分辨率需求。以检测 0.1 mm 的划痕为例，按"缺陷至少占 3 个像素"的经验准则，单像素对应实际尺寸应不大于 0.033 mm。若视野（FOV）为 100 mm × 80 mm，则横向像素数至少为 100 / 0.033 ≈ 3030，纵向约 2424，因此 500 万像素（2448×2048）不够，应选 800 万～1200 万像素面阵相机。

分辨率确定后，再匹配接口与帧率。产线节拍 60 件/分钟、每件拍 4 个面，则需 4 帧/秒以上；若用卷帘快门拍摄运动中的工件，会产生果冻效应，应改用全局快门。接口方面，GigE 适合长距离布线（≤100 m），USB3.0 适合短距离高带宽，Camera Link 适合高速多相机同步。示例参数：1200 万像素、全局快门 CMOS、GigE Vision、帧率 9 fps，可满足上述节拍并留有余量。

二、光源与镜头：把缺陷"照出来"

光源的核心作用是制造对比度，而非单纯照亮。常见方案包括：环形光用于一般表面均匀照明；条形光用于边缘和划痕的定向增强；同轴光用于高反光金属表面的镜面缺陷；背光用于轮廓和尺寸测量；穹顶光用于曲面反光件的均匀漫射。

镜头需与相机靶面和视野匹配。放大倍率 β = 传感器尺寸 / FOV。以 2/3 英寸传感器（8.8 mm × 6.6 mm）、FOV 100 mm 为例，β ≈ 0.088。工作距离 WD 与焦距 f 的关系近似为 f ≈ WD × β / (1 + β)。若 WD 设为 300 mm，则 f ≈ 300 × 0.088 / 1.088 ≈ 24 mm，可选 25 mm 定焦镜头。同时需关注景深：光圈越小景深越大，但进光量下降，需与曝光时间权衡。

三、触发与同步：让每一帧都落在正确位置

连续采集会产生大量冗余帧，且难以与工件一一对应。工业现场通常采用硬触发：编码器随传送带转动输出脉冲，经触发控制器分频后驱动相机曝光。例如编码器 2000 ppr、传送带每转移动 200 mm，则每脉冲对应 0.1 mm；若要求每 5 mm 拍一张，分频系数为 50。

多相机场景下，所有相机必须共用同一触发源，否则各视角图像在时间上错位，后续拼接或融合会失败。若相机安装位置不同，还需设置延时补偿：延时 = 相机间距 / 传送带速度。例如间距 300 mm、速度 500 mm/s，则延时 600 μs。触发抖动应控制在 10 μs 以内，否则运动模糊会随速度放大。

四、不同材质与缺陷的成像策略

金属拉丝表面：采用低角度条形光，使划痕产生明暗对比，避免同轴光导致整面均匀反光。透明薄膜：采用背光加偏振片，抑制表面反射，突出内部杂质。黑色橡胶：提高增益并延长曝光，但需注意噪声，可配合红外光源增强吸收差异。PCB 焊点：采用多角度彩色光，利用不同颜色在不同高度焊点上的反射差异判断虚焊。

缺陷类型也决定策略：划痕适合定向暗场；凹坑适合同轴光或低角度光；脏污适合均匀漫射光；尺寸测量适合背光轮廓。实际调试时，固定相机与镜头，逐一更换光源角度和亮度，观察缺陷对比度变化，选择信噪比最高的组合。

五、采集脚本与元数据管理

采集脚本应完成四件事：监听触发信号、抓取图像、绑定元数据、写入缓存并上传。以下为伪代码示例：

on_trigger(trigger_id):
    img = camera.grab(timeout=100ms)
    meta = {
        "image_id": uuid(),
        "timestamp": now_iso(),
        "station_id": STATION,
        "batch_no": current_batch,
        "exposure_us": camera.exposure,
        "gain_db": camera.gain,
        "trigger_id": trigger_id,
        "light_mode": LIGHT_MODE,
        "camera_sn": camera.serial
    }
    save_local(img, meta)          # SSD 环形队列
    upload_async(img, meta)        # 对象存储 + 索引
    if queue_full():
        drop_oldest()              # 防止磁盘写满

元数据必须与图像同生命周期存储。缺少曝光、增益、光源模式等字段，后续复现或排查成像异常将无从下手。建议每条记录包含：图像 ID、时间戳、工位、批次、曝光、增益、触发号、光源模式、镜头编号、相机序列号、标签、缺陷类型、复核状态。数据集版本应与采集批次绑定，确保训练集可追溯。

采集方案的本质，是在分辨率、节拍、对比度和可追溯性之间找到平衡点。相机决定上限，光源决定下限，触发决定稳定性，元数据决定可复现性。四者缺一，数据闭环就无法真正闭合。