机器视觉笔记

《机器视觉入门及应用》硬件篇1）相机按芯片类型：CCD相机、CMOS相机按扫描方式：隔行扫描相机、逐行扫描相机按传感器结构特性：线阵相机、面阵相机1.相机基本参数●分辨率：相机每次采集图像的像素点（Pixels），对于数字相机一是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机则是取决于视屏制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480；●像素深度：即每个像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字工业相机一般还有10Bit、12Bit等；●像元尺寸（pixel Size)：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机机靶面的大小。

目前数字相机像元尺寸一般为3um--10um；●帧率：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec）对于线阵相机为每秒采集的行数（Hz）D相机CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。

它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。

CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他器件是以电流或者电压为信号。

这类成像器件通过光电转换成电荷包，而后在脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。

典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。

CCD作为一种功能器件，与真空管相比具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

3.SMOS相机CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制集成在一块芯片上。

CMOS相机具有局部像素的编程随机访问的优点，目前，CMOS相机以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围特点在高分辨率和高速场合得到了广泛应用。

4.工业相机与普通相机的区别A. 工业相机性能可靠易于安装，相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可以在较差的环境下使用，普通相机是做不到这些的，例如：让普通相机连续工作一天或几天肯定会受不了的；B. 工业相机的快门（曝光）时间非常短，可以抓拍高速运动的物体；C. 工业相机帧率远高于普通相机；D. 工业相机输出的是裸数据，光谱范围较宽。

比较适合进行高质量的图像处理算法，普通相机的光谱范围只适合人眼视觉，图像质量较差，不利于进行分析处理。

E. 工业相机价格贵。

5.相机选取方法A. 根据应用的不同选取CCD或CMOS相机。

CCD相机主要应用在运动物体的图像摄取，如贴片机机器视觉，。

用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD 相机比较多，CMOS相机成本低，功耗低也越来越广泛；B. 分辨率的选择。

首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率。

相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。

则相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理论精度。

若单视野为5mm，理论精度为0.02mm,则单方向分辨率=5/0.02=250。

然而为增加系统稳定性，不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值，一般可以选择倍数4或更高。

这样改相机需求单方向分辨率为1000，选用130万像素已经足够。

C.其次看相机的输出，若是体式观察或机器视觉软件分析识别，分辨率高是有帮助的；若是VGA输出或USB输出，再显示器上观察，则还依赖显示器的分辨率，相机的分辨率再高，显示器分辨率不够，也是没有意义的；利用存储卡或拍照功能，相机的分辨率高也是很有帮助的。

D.考虑与镜头的匹配。

传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，C或CS安装座也要匹配（或者增加转接口）；E.考虑相机帧数选择。

当被测物体有运动要求时，要选择帧数高的工业相机。

但一般来说分辨率越高，帧数越低。

2) 镜头镜头的基本功能就是实现光束变换，在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标图像成像在图像传感器的光敏面上。

镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。

1. 镜头分类按功能：定焦镜头、变焦镜头、定光圈镜头按视角：普通镜头、广角镜头、远摄镜头按用途：微距镜头、远心镜头、CCTV镜头2. 镜头基本参数1）镜头的相关参数：●视场（FOV，邺城视野范围）：指观测物体的可视范围，也就是相机采集芯片的物体部分。

（视场范围是选型中必须了解的）●工作距离（WD）:指从镜头前部到受检验物体的距离。

即清晰成像的表面距离。

（选型必须了解的问题，工作问题是否可调？包括是否有安装空间等）●分辨率：图像系统可以测到的手检验物体上的最小可分辨特征尺寸。

在多数情况下，视野越小，分辨率越好；●景深（DOF）：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力。

（需要了解客户对景深是否有特殊要求）3.景深计算公式δ--容许弥散圆直径；f --镜头焦距；F --镜头的拍摄光圈值；L--对焦距离；ΔL1--前景深；ΔL2--后景深；ΔL --景深4.景深计算公式(2)：可看出，后景深>前景深，且景深与镜头使用的光圈，镜头焦距与拍摄距离等有关系：●镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；●镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；镜头焦距越短，景深越大；●拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

5. 镜头的其他参数●感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。

这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视野范围（FOV）非常重要。

●镜头光学放大倍数(PMAG)由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。

虽然基本参数包括感光芯片的尺寸，但PMAG却不属于基本参数；●焦距(f): 是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。

亦是相机中，从镜头中心到底片或CCD等成像平面的距离。

●镜头接口➢C型：C型接口镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器处的位置）的距离为17.5mm;➢CS型：CS型接口此距离为12.5mm。

C型镜头与CS型相机之间增加一个5mm 的C/CS接圈可以配合使用。

CS镜头与C型镜头无法配合使用；➢F型：通用型接口，一般适用于大于25mm的镜头。

➢畸变：视野中局部放大倍数不一定造成的图像扭曲，由于受制作工艺的影响，镜头越好畸变越小。

广角镜头的畸变比较大，比如直线弯曲、矩形变成桶形或者枕型。

因此在精密测量系统等精度要求高的情况下必须考虑镜头的畸变。

6. 镜头选取方法●根据客户要求。

一般先考虑客户对镜头的特殊要求，例如在镜头与工件之前有没有加入其他器件（透镜、反光镜片、玻璃）、镜头的工作环境等。

●是否需要用远心镜头。

精密测量系统需要选用远心镜头，远心镜头最主要的功能就是克服透视相差（成像时由于距离的不同而导致的放大倍数不一致现象）的影响，使得检测目标在一定范围内运动时得到的尺寸数据几乎不变。

一般情况下，远心镜头都是固定焦距和工作距离的，而且有些远心镜头的体积很大，有的超过十斤，需要详细了解客户对视场大小、工作距离、空间限制和运动控制的要求。

一般的表面缺陷、有无判断等对物体成像没有严格要求时，选用畸变小的镜头就可以。

●镜头的接口。

镜头接口和相机接口都分为C、CS、F和其他更大尺寸的接口类型。

相机和镜头时互补的，即C接口的相机只能用C口接的镜头，CS接口的相机可以使用CS接口的镜头或者加上5mm接圈，其他接口的只能一一对应，如果相机的芯片尺寸超过1英尺，尽量选用F或者更大的接口，避免图像周围成像质量差。

3)光源机器视觉系统中最关键的一个方面就是选择正确的照明，机器视觉光源直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。

所以我们经常说光源起到的作用就是获得对比鲜明的图像。

1. 光源的作用选择合适的光源，可突显良好的图像效果（特征点），可以简化算法，提高检测精度，保证检测系统的稳定性。

2.光源类型A. 环形光源：提供不同的照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；高密度LED列阵，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散。

（PCB基板检测，IC元件检测，显微镜照明，液晶校正，塑胶容器检测，集成电路印字检查...)B. 背光源：用高密度LED列阵面提供高强度背光照明，能突出物体的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。

红白两用背光源、红蓝多用背光源，能调配出不同颜色，满足不同被测物多色要求。

（机械零件尺寸的测量，电子元件、IC的外型检测、胶片污点检测，透明物体划痕检测...）C. 条形光源：条形光源是较大方形结构被测物体的首选光源；颜色可根据需求搭配，自由组合；照射角度与安装随意可调。

（金属表面检查，图像扫描，表面裂缝检测，LCD面板检测...)D. 组合条形光源：四边配置条形光，每边照明独立可控；可根据被测物体要求调整所需照明角度，使用性广。

（PCB基板检测，IC元件检测，焊锡检查，Mark 点定位，显微镜照明，包装条码照明，球形物体照明...）E. 同轴光源：同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。

（系列光源最适宜用于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和晶片的破损检测，Mark点定位，包装条码识别。

F. 线性光源：超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。

G. 点光源：大功率LED，体积小，发光强度高；光纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等；高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。

（适合远心镜头使用，用于芯片检测，Mark点定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

3.光源选型A.条光选型要领：➢条光照射宽度最好大于检测的距离，否则可能会照射距离远造成亮度差，或者是距离近而辐射面积不够；➢条光长度能够照明所需打亮的位置即可，无需太长造成安装不便，同时也增加成本，一般情况下，光源的安装高度会影响到所选用条光的长度，高度越高，光源长度要求越长，否则图像两侧亮度比中间暗；➢如果照明目标是高反光物体，最好加上漫射板，如果是黑色等暗色不反光产品，也可以拆掉漫射板以提高亮度；B. 环光选型要领：➢了解光源安装距离，过滤掉某些角度光源；例如要求光源安装尺寸高，就可以过滤掉大角度光源，选择用小角度光源，同样，安装高度越高，要求光源直径越大；➢目标面积小，且主要特征性在表面中间，可选择小尺寸0角度或小角度光源；➢目标需要表现的特征如果在边缘，可选择90角度环光，或大尺寸高角度环形光；➢检测表面划伤，可选择90度角环光，尽量选择波长短的光源。

C. 背光源/平行背光源选型要领：➢根据物体大小选择合适大小的背光源，以免增加成本造成浪费➢背光源四周一条由于外壳遮挡，其亮度会低于中间部位，因此选择背光源时，尽量不要使目标正好位于背光源边缘➢背光源一般在检测轮廓时，可以尽量使用波长短的光源，波长短的光源其衍射性弱，图像边缘不容易产生重影，对比度更高；➢背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳效果，并非离得越近效果越好，也非越远越好；➢液位检测可以将背光源侧立使用；➢圆轴类产品，螺旋状的产品尽量使用平行背光源D. 同轴光源选型要领：➢选择同轴光时主要看其发光面积，根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光；➢同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍左右，因为同轴光的光路设计时让光路通过一片45度反半透镜改变光源靠近灯板的地方会比原理灯板的亮度高，因此，尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀；➢同轴光在安装时尽量不要离目标太高，越高，要求选用的同轴光越大，才能保证其均匀性。