视觉检测基础知识

视觉检测的基础知识内容概略：一、光源二、镜头三、相机四、分辨率、精度、公差间的关系视觉检测的基础知识（一）光源觉检测硬件构成的基本部分和光源相关的最重要的两个参数就是光源颜色和光源形状。

2016-7A p o l工业机器视觉系统的前沿应用视一、什么是颜色？颜色是通过眼、脑和我们的生活经验所产生的一种对光的视觉效应，我们肉眼所见到的光线，是由波长范围很窄的电磁波产生的，不同波长的电磁波表现为不同的颜色，对色彩的辨认是肉眼受到电磁波辐射能刺激后所引起的一种视觉神经的感觉。

颜色具有三个特性，即色相，饱和度和明亮度。

▼简单讲就是光线照到物体，反射到眼中的部分被大脑感知，引起的一种感觉。

通过色相Hue，，饱和度Saturation和明亮度Value来表示，即我们常说的HSV。

当然，颜色有不止一种表示方法，RGB三原色也是另外一种表示方法。

但是对人类最直观感受的方式是HSV。

二，什么是HSV？色相Hue▼如果将色彩分类，可分为含有颜色的有彩色与不含颜色的无彩色（黑、白、灰）两种。

在有彩色中，红、蓝、黄等颜色的种类即称为“色相（Hue）”。

▼作为主要色相有红、黄、绿、蓝、紫。

以这些色相为中心，按照颜色的光谱将颜色排列成环状的图形我们称之为“色相环”。

使用此色相环我们即可求得中间色与补色。

饱和度Saturation▼饱和度（Saturation）是指颜色的鲜艳度，表示色相的强弱。

颜色较深鲜艳的色彩表示“饱和度较高”，相反颜色较浅发暗的色彩表示“饱和度较低”。

饱和度最高的颜色称为“纯色”，饱和度最低的颜色（完全没有鲜艳度可言的颜色）即为无彩色。

明亮度Value▼明亮度（Value）表示颜色的明暗程度。

无论有彩色还是无彩色都具有明亮度。

明亮的颜色表示“明亮度较高”，相反暗的颜色表示“明亮度较低”。

无论有彩色还是无彩色，明亮度最高的颜色即为白色，明亮度最低的颜色即为黑色。

也就是说，有彩色的明亮度可用与该亮度对应的无彩色的程度进行表示。

▼HSV的关系用一张图来表示如下：三，补色红与绿、蓝与橙等，在色相环中位于相对位置的色相组称为补色。

具有互补关系的颜色混合后变成无彩色。

颜料混合（减色法）时呈黑色，色光混合（加色法）时呈白色。

▼例子：四，波长与颜色的关系▼如果将自然光用棱镜分解，则可见无色的光呈现出7种颜色。

光的不同颜色是因波长而引起。

从波长较短的光到波长较长的光，依次变化的顺序是紫、蓝、绿、黄、红。

各种颜色的波长如下所示。

▼同时，由光的波粒二象性可知，短波长的蓝色光粒子性更强，实际应用中，更适合捕捉产品微小的瑕疵划伤。

而红色光更适合需要穿透表面薄膜检测内部的应用。

机器视觉检测的基础知识（一）光源光源形状：本节主要讲述常用的几类光环形状。

环形光源▼最常见的LED光源，提供基本的照明作用。

▼随着光源距离产品的工作距离LWD变化而产生的亮度分布如下图。

暖色表示亮，冷色表示暗。

同时该图示是针对特定一款大小的环形光源的数据（下同）。

条形光源▼最常见的LED光源，可对长尺区域进行均匀照射。

同时通过角度改变可以完成多种照明效果。

▼比如安装为斜向照射，以漫反射光进行拍摄、辨别，从而避免产生引起光晕的镜面反射光。

此外，还可将CCD与照明呈相同角度倾斜，以获取镜面反射光，从而突显出刻印等的边缘成分。

▼单个条形光源直接照明的亮度分布。

▼凸显边缘的应用实例。

▼连接器行业，给产品的端子头部照明，可以获得很好的效果。

▼经过组合，还可以做成如下图的可以调整照射角度的照明搭配。

碗形光源▼常见的LED光源，可以实现照明效果是均匀的无影光。

▼发光原理和亮度分布如下图。

▼应用实例。

同轴光源▼常见的L ED光源，其突出特点是具备高对比度，在检测镜面、光泽面或希望以光泽差异进行辨别时非常有效。

▼照射原理如下图。

同轴光源从侧面将光线发射到半反射镜上，反射镜再将光线反射到工件上。

镜面反射光可以返回到CCD，而工件表面如刻印伤痕等凹凸不平的部分产生的漫反射光则不能接受到。

这样就使得工件的边缘点形成了对比度。

而且，来自工件的光线越远，不能接受到的漫反射光就越多，形成更大的图像对比度和清晰度。

▼亮度分布如下。

▼应用实例。

低角度光源和同轴光源的平行照射的理念正好相反，通过从小角度或几乎平行的角度照射LED，可仅突出边缘，轮廓或者表面的缺陷划伤。

▼低角度光源在很小的角度上将光线直接照射到工件上。

通常检测工件的边缘或表面上的瑕疵对于标准的直接照明都很困难。

由于光的方向几乎与表面平行，表面高度的任何变化都会改变到CCD的光路，从而突出变化。

▼应用实例。

点光源▼最大特点是节省空间，同时可以实现小范围高亮度照明。

▼此外，可以与C接口长焦镜头配合使用，在没有空间安装的地方，实现远距离照明。

▼同时，如果和远心镜头配合，还可以作为平行光源使用。

多角度光源▼更加柔和的照明，以及放在不同高度可以实现不同的效果。

▼应用实例。

背光光源▼以上介绍的所有通用照明的相同点是，光源位于相机和工件之间，使用正面打光，通过获取工件表面的反光而获得工件的表面信息。

背光源不同的地方是，通常情况下使用时工件位于背光和镜头之间，通过工件阻挡光线通过，获取工件的轮廓信息。

▼背光光源通常情况下的安装图。

偶尔也会有作正面均匀的用途。

▼应用实例。

以上介绍的即为常用的LED光源标准品类型。

当然对于特殊的应用，也有很多种尺寸和形状的定制光源，有配合线扫描相机的线性光源，配合2.5D相机的多方向发光光源，配合贴片检测的多色AOI光源等等。

市面上专业的光源供应商有日本的CCS，国内的V-light，OPT，CST等。

机器视觉检测的基础知识（三）镜头一，什么是镜头？▼简单讲就是在其一端收集物体的光线，并将光线在另一端汇聚为实像，并投影到接收面的透镜。

此时，汇集光线的点称为焦点，镜头中心到焦点的距离称为焦点距离。

当镜头为凸镜时，焦点距离将根据镜头的厚度（膨胀）程度不同而各不相同。

膨胀程度越大焦点距离越短。

二，镜头的重要参数。

玩摄影的朋友都知道，镜头几个基本的参数包括焦距（长焦，广角，变焦范围），F值（表征透光率）等。

而工业用镜头与之相比，更关注以下几个参数：1，WD（Work Distance工作距离）表示焦点对准拍摄对象时，镜头顶端到拍摄对象的距离。

也称为工作距离。

当为CCD时，比例公式工作距离：视野＝焦点距离：CCD尺寸成立。

2，焦点距离（焦距）▼FA(Factory Automation)镜头中有代表性的镜头为焦点距离为8mm/16mm/25mm/50mm等规格的镜头。

根据想要拍摄的拍摄对象所需的视野和焦点距离，可以求出对焦位置＝WD（工作距离）。

WD和视野的大小由镜头的焦点距离和CCD的尺寸来决定。

例如：焦点距离为16mm镜头、CCD尺寸 3.6mm时，如果想把视野设为45mm，则WD变为200mm。

WD：视野=焦点距离：CCD尺寸3，视野▼工作距离范围中的拍摄范围。

一般来说，拍摄对象和镜头的工作距离越长，则视野越广（视野角）。

另外，视野的广度由镜头的焦点距离来决定。

我们将相对于视野，使用镜头可以拍摄的范围的角度称为视角或者视野角。

镜头的焦点距离越短，则视角越大，视野也就越广。

相反，焦点距离越长，则可以放大远处的拍摄对象。

4，景深是指使人感觉镜头对焦的深度范围（拍摄物体侧的距离）。

范围较大时，称为「景深深」，相反范围较小时称为「景深浅」。

严谨的来说，对焦位置只有一个，只不过肉眼在一定的范围内感觉图像能够清晰成像。

我们将此范围称为景深。

▼如下图所示，我们在拍摄斜面上粘贴表示高度的胶带的这个对象时，针对调大光圈的情况和调小光圈的情况进行比较。

最终的景深需要实测才能知道。

因为除了镜头本身的结构外，影响景深的因素还有很多。

1，镜头本身。

2，光圈越小，景深越大。

3，照明越亮，景深越大。

（快门速度越慢，景深越大）4，焦距越小，景深越大。

5，WD工作距离越大，景深越大。

6，CCD的单个像素直径越大，景深越大。

5，镜头的分辨率镜头的分辨率不光使用在图像处理中，它是指所有光学测量仪器中使用的镜头可以观察的最小间隔。

如分辨率为10μm的镜头，可以清晰的观察线宽为10μm、间距为10μm并列条纹线。

分辨率不足时，人们感觉2根线好像重叠在一起。

这时候，需要更高分辨率的镜头。

6，镜头的倍率所谓倍率，是指检测对象的实际大小与通过光学测量仪器成像大小的比率。

以往在通过显微镜的接眼部观察时，我们使用光学倍率这一概念，但是近年来由于可以将观测对象物显示在液晶显示器上的系统不断增多，显示器倍率这一概念也已经普及。

【光学倍率】用数码相机的原理考虑时，光学倍率可以通过「CCD有效像素大小÷视野」来求得。

【显示器倍率】显示器倍率可以通过「显示器对角÷CCD素子对角×光学倍率」来求得。

7，F值▼F值（或者光圈值）是指表示镜头的明亮度的基准。

准确的来说，就是镜头的焦点距离除以镜头直径（口径）得到的值。

F值的「F」来源于focal（焦点的）这个词。

事实上，镜头并不会让所有光线都透过，其中的一部分会反射。

而且，为了减少像差使用多个镜头时，透过的光量会变少。

因此，光的透过量较多，可以获得明亮成像的镜头我们称为「亮」，相反光的透过量较镜头则称为「暗」。

可以大大影响镜头的明暗的要素之一，就是镜头的焦点距离和直径的关系，也即F值，这个值较小的镜头称为「亮镜头」，较大的镜头称为「暗镜头」。

一般的小型相机都会在镜头旁刻上「F=2.5」「1:2.5」的标记，这就表示F值为2.5。

在相机镜头的性能上，如果F值达到2.0左右，则表示这个相机的明亮等级非常高。

8，歪曲像差（失真）▼歪曲像差（失真）表示通过镜头成像的图像发生歪曲的状态。

事实上不存在形状完美的镜头。

因此，虽然从理论上来说，直射光通过镜头后会沿着直线传播，而实际上光通过镜头后会向外侧或者内侧歪曲。

前者称为「桶形失真」，后者称为「枕形失真」。

一个镜失真的参数以百分比表示。

三，远心镜头大家都有这种印象，一个物体在人眼看来，会有近大远小的现象。

这是因为物体近的时候，在视网膜上投影大，小的时候，投影小。

镜头也是一样，因为近大远小的原因，会产生误差。

特别是在做尺寸测量的时候，就尤其关键。

为了解决这个问题，就产生了远心镜头。

简单讲就是不会因为WD工作距离的远近而在投影端产生大小变化的的镜头。

▼远心镜头对于有厚度测产品，也会照出截面的效果。

远心镜头主要应用于精密测量。

在精密光学测量系统中，由于普通光学镜头会存在一定的制约因素，如影像的变形、视角选择而造成的误差、不适当光源干扰下造成边界的不确定性等问题，进而影响测量的精度。

而远心镜头（Telecentric镜头）能有效降低甚至消除上述问题，因此Telecentric镜头已经成为精密光学量测系统决定性的组件，其应用领域也越来越广泛。