4. 图像采集与曝光控制

在 In-Sight 视觉系统中，图像采集是定位引导链路的第一环。如果图像本身存在运动模糊、过曝、欠曝或色偏，后续的图案匹配、Blob 分析和标定转换都会失去可靠基础。本节围绕“如何让传感器拿到一张适合定位算法的图”展开，重点讲清触发、曝光、增益、白平衡这几个相互耦合的参数，以及面对不同工件表面时如何做取舍。

一、触发模式：决定“什么时候拍”

In-Sight 相机支持连续采集、软件触发和硬件触发三种基本模式。连续采集下相机以自身帧率自由运行，适合调试取景，但无法保证图像与工件位置同步；软件触发由程序或手动命令发起，适合节拍不严格、工件静止的场合；硬件触发通过 I/O 接收外部传感器信号，是机器人引导场景中最常用的方式。

硬件触发的关键在于触发源与工件运动的关系。以传送带上的工件为例，光电传感器检测到工件前沿时输出上升沿，相机在收到沿信号后开始曝光。如果工件仍在运动，就必须把曝光时间压到足够短，否则图像会出现拖影。触发延迟、曝光时间和传送带速度三者共同决定拖影量：拖影像素 ≈ 运动速度 × 曝光时间 ÷ 像素当量。例如传送带速度 200 mm/s、曝光 500 μs、像素当量 0.1 mm/pixel，拖影约为 1 像素，基本可接受；若曝光拉到 5 ms，拖影约 10 像素，边缘定位就会明显劣化。

二、曝光时间与增益：亮度控制的两个旋钮

曝光时间决定传感器感光单元积累电荷的时长，增益则是对读出信号做电子放大。两者都能提高图像亮度，但代价不同：延长曝光会引入运动模糊，提高增益会放大暗电流噪声和读出噪声。因此在有运动的定位场景中，应遵循“曝光优先、增益兜底”的原则。

实际操作时，先把增益设为最低（通常 0 dB 或 1×），然后逐步增加曝光时间，直到工件特征区域的灰度均值落在 100～180（8 位灰度）之间，且背景与特征有足够对比度。如果曝光已经压到冻结运动所需的上限（例如 300 μs）仍偏暗，再以 2～4 dB 步进增加增益，同时观察图像噪声。若增益超过 12 dB 后噪声明显，应考虑补光而不是继续加增益。

三、白平衡：彩色工件的颜色一致性

白平衡用于校正 R、G、B 三通道的增益比例，使白色物体在图像中呈现为白色。对于彩色定位任务，例如依靠颜色区分不同型号的工件，白平衡偏差会直接导致颜色特征偏移。In-Sight 提供自动白平衡和手动白平衡两种方式：自动白平衡适合光源色温稳定的场合，相机对白色参考面进行一次校准；手动白平衡则允许分别调整 R、G、B 增益，适合光源色温固定但需要精细控制的产线。

需要注意的是，如果后续定位算法只使用灰度图，白平衡的影响会小很多，但仍会影响灰度转换后的对比度。例如红色工件在偏蓝的白平衡下，灰度值会被压低，与背景的区分度下降。因此即使做灰度匹配，也建议在光源稳定后做一次白平衡校准。

四、自动曝光与手动调节的取舍

自动曝光（Auto Exposure）会根据图像亮度自动调整曝光时间和增益，适合工件亮度变化平缓、节拍不紧的场景。但在机器人引导中，自动曝光存在两个风险：一是调整过程需要多帧收敛，可能错过触发时刻；二是当视场中出现高反光区域时，自动曝光会为了压低高光而整体欠曝，导致暗部特征丢失。因此，定位引导任务通常建议使用手动曝光，把参数固定下来，保证每张图的成像条件一致。

如果必须使用自动曝光，应限制其调节范围，例如设定曝光时间上限为冻结运动所需的最大值，增益上限为 6 dB，并开启“锁定”功能在触发前完成收敛。

五、不同工件表面下的成像优化

工件表面特性直接决定打光方式和曝光策略。常见情况包括：

• 高反光金属表面：容易产生镜面反射，局部过曝。应使用漫射光源或偏振片，曝光时间适当缩短，避免高光区域溢出。若特征位于高光附近，可尝试低角度打光，让反射光偏离镜头。
• 黑色或吸光表面：反射率低，需要更长曝光或更高增益。优先增加曝光时间，若运动不允许则补光。注意黑色表面对灰尘和划痕敏感，曝光过高会把瑕疵也放大。
• 粗糙或纹理表面：漫反射均匀，曝光容差较大，但纹理可能干扰边缘提取。可适当降低对比度或使用同轴光突出表面平整度差异。
• 透明或半透明工件：透射光会造成背景亮、边缘弱。建议使用背光照明，把工件轮廓变成暗背景上的亮边缘，曝光以背景不饱和为准。
• 彩色工件：先做白平衡，再根据颜色通道对比度选择是否使用彩色匹配。若颜色差异小，可改用灰度匹配加形状特征。

六、参数配置示例

以下是一组针对传送带运动工件的参考配置（示例参数，需根据实际光源和节拍调整）：

触发模式：硬件触发，上升沿
触发延迟：50 μs
曝光时间：400 μs
增益：4 dB
白平衡：手动，R=1.00, G=1.00, B=1.05
光源：环形漫射白光，常亮
目标灰度：特征区均值 120～160

配置完成后，用一张标准工件图检查：边缘是否清晰、直方图是否居中、特征与背景灰度差是否大于 40。若边缘模糊，先降曝光；若噪声明显，先降增益并补光；若颜色偏差，重新做白平衡。只有图像稳定，后续的定位引导才有可靠输入。