工业视觉入门培训

3、工业相机——发展趋势
机器视觉
1、工业光源——光源简述
机器视觉系统工作的基本程序： • 取像 =》 分析 =》 结果输出 光源：为确保视觉系统正常取像获得足够光信息而提供照明的装置 光源的目的 • 是将待测区域与背景明显区分开 • 将运动目标“凝固”在图像上 • 增强待测目标边缘清晰度 • 消除阴影 • 抵消噪光 光源是一个视觉应用开始工作的第一步 适合的光源可以提高系统检测精度、运行速度及工作效率
Transmitting Controller Video Signal Channel to control the camera
3、工业相机——基本结构
图像传感器（Image sensor）：是一个由N行及M列感光单元 （CCD Pixel）组成的矩阵。 CCD的基本工作原理：当光子撞击到硅原子上时，会产生自由 电子，再将这些自由电子收集在一起形成信号。
3、工业相机——分类
模拟相机 VS 数字相机 相对来说模拟相机的价格比较低廉，使用比较 简单。但是模拟相机存在一个分辨率和帧频率 的上限，而且对于传输过程中的噪声和损耗也 较为敏感。数字相机，通常具有更高的分辨率 ，当然价格也更昂贵，而且牵涉到比较复杂的 按照调试工作，即使这个系统只需要最简单的 功能，数字相机的传输距离通常较模拟相机短 。
光子 CCD象素 自由电子
溢出
3、工业相机——基本结构
相机拍照时间示意图

电子快门时间可由用户自己设置。但相机传输速率（Frame rate）是相对固定的。因此，传输速率是相机的成像速度的 “瓶颈”。例：电子快门速度可达1/1000秒，但成像却只能达 到60帧/秒。
电子快门时间 图像传输时间
单帧图像完整拍照时间
2、工业镜头——基本概念 镜头接口 C-MOUNT 镜头的标准接口之一，镜头的接口螺纹参数： 直径：1“ 螺距：32牙 CS－Mount是C－Mount的一个变种，区别仅 仅在于镜头定位面到图像传感器光敏面的距离 的不同，C－Mount 是17.5mm，CS－ Mount是12.5mm。 C/CS能够匹配的最大的图像传感器的尺寸不 超过1“。
3、工业相机——基本概念
卷帘快门（Rolling Shutter） 多数CMOS图像传感器上使用的快门，其特 征是逐行曝光，每一行的曝光时间不一致。 全局快门（Global Shutter） CCD传感器和极少数CMOS传感器采用的快 门，传感器上所有像素同时刻曝光。
3、工业相机——基本概念
最大/最小工作距离（Work Distance）
从物镜到被检测物体的距离的范围，小于最小工作距离大 于最大工作距离系统均不能正确成像。
景深（Depth Of Field）
在某个调焦位置上，景深内的物体都可以清晰成像。
2、工业镜头——基本概念
畸变 几何畸变指的是由于镜头方面的原因导致的图 像范围内不同位置上的放大率存在的差异。 几何畸变主要包括径向畸变和切向畸变。如 枕形或桶形失真。
广泛
25MM/75MM/50MM
高 低精度测量/ 简单检测
中 标准精度测量 /定位
2、工业镜头——基本概念
工作距离（WD） 视 野 （ ） 景深（DOV）
成象面
FOV
后焦面距离
2、工业镜头——基本概念
视野 (FOV)
图像采集设备所能够覆盖的范围，它可以是在监视器上 可以见到的范围，也可以使设备所输出的数字图像所能覆 盖的最大范围。
3、工业相机——分类
按输出信号区分 模拟信号相机 从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压 信号，即普通视频信号，后再传到图像采集 卡中。 数字信号相机 信号自传感器中的像素输出后，在相机内部 直接数字化并输出。
3、工业相机——分类
彩色VS黑白 黑白相机的每个像素仅仅采集亮度信号，对于彩色相机，则是 借助于一个Bayer滤色片让每个像素来采集图像特定的色彩分量， 然后利用后期的电路再重建出真是色彩，所以黑白相机的分辨率 通常比具有同样像素数目和同级别后期处理电路的彩色相机高出 10－20％（in TVL)。此外由于没有覆盖Bayer滤色片，黑白 相机在弱光下面的灵敏度也更好一些。但是彩色相机在检测那些 具有色彩敏感信息的目标的时候具有突出的优势。当然黑白相机 也可以通过对光源色彩的控制实现这一功能。如果需要更高质量 的彩色视频，就需要采用3－CCD技术的彩色相机。
像素长宽比 指传感器上像素水平和垂直方向节距的比值，对于正方形 的象素来说，其比值为1：1。此参数，对于系统的标定有 直接影响。 快门速度（Shutter Speed） CCD/CMOS相机多数采用电子快门，通过电信号脉冲的 宽度来控制传感器的光积分（曝光）时间。对于一般性能 的的相机快门速度可以达到1/10000-1/100000秒。 帧频率（Frame Rate） 相机每秒中能够输出图像的帧数，对于模拟制式相机，这 个频率是固定值，对于数字相机，是个可变的值。 像素速率（Pixel Rate） 相机每秒中能够输出像素的个数，仅仅对于数字相机有意 义。
*Ethernet，包括传输未经压缩影像的千兆协议和传输经过压缩影像 的百兆协议。
上述数字相机的传输方式无论是在机械上还是在电气上都是不兼容的。
3、工业相机——基本结构
IR Filter
Drive Circuit
Digital Image Processing Module
Image Sensor Lens Mount
3、工业相机——基本概念
分辨率(Resolution) 模拟制式相机的分辨率取决于传感器上像素的数目以及后期 处理电路的质量，数字相机的传分辨率则直接取决与传感器 上像素的数目。
美制 RS – 170 Norm
欧制 CCIR - Norm
640 480 480
760 768 574
3、工业相机——基本概念
2、工业镜头——分类
按照功能分
变焦距镜头 镜头的焦距可以调节，镜头的视角，视野可变 定焦距镜头 镜头的焦距不能调节，镜头视角固定。聚焦 位置和光圈可以调节 定光圈镜头 光圈不能调节，通常情况下聚焦也不能调节。
2、工业镜头——分类
按照用途分
微距镜头（或者成为显微镜头） 用于拍摄较小的目标具有很大的放大比 远心镜头 包括物方远心镜头和像方远心镜头以及双 边远心镜头。
2、工业镜头——基本概念
成像面
可以在镜头的像面上清晰成像的物方平面
光圈与F值
光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。 表达光圈大小我们是用F值，如f1.4，f2，f2.8 etc。
焦距
焦距是像方主面到像方焦点的距离。如16mm， 25mm
2、工业镜头——基本概念
分辨率 测量系统能够重现的最小的细节的尺寸常常用每毫米 线对来表示，也就是根据这个镜头能够分辨一毫米内 多少对直线。选择镜头的时候必须注意厂商给出的分 辨率的定义方式。 lp/mm (line pair per mm) lp/mm是表征分辨率的最简单的指标，但不是最佳 指标，最佳的指标是镜头的调制传递函数MTF。
相机扫描方式 隔行扫描（ Interlace ）
3 5
2 4 6
3、工业相机——基本概念
相机扫描方式 逐行扫描（ PrBaidu Nhomakorabeagressive scan ）
1 3 5 2 4
3、工业相机——基本概念
异步触发 通常情况下相机是一帧一帧拍摄的，所以进行高速拍摄的时候 最高的同步精度不可能超过一帧图像的周期，对于某些支持异 步触发的相机，可以在当前帧扫描尚未完成的情况下，将当前 帧抛弃，直接开始新一帧图像的扫描，可以使得高速拍摄的同 步精度达到一行的扫描周期。 最低照度 又称灵敏度，衡量相机对光线敏感程度的指标。通常情况下是 指相机获得30％最大输出值时候所需的照度。单位是Lux。 局部扫描 多数数字相机支持仅仅输出传感器上某一部分像素，这些像素 位于某个矩形窗口内。通过具备扫描可以获得更高的桢频率。
2、工业镜头——基本概念
镜头的调制传递函数MTF
2、工业镜头——基本概念
镜头的调制传递函数MTF
2、工业镜头——基本概念
镜头的调制传递函数MTF MTF能够同时表征系统重现物方空间的几何 和灰度细节能力，是衡量成像系统性能的最 佳方式。 对于一个实际的成像系统，细节密集地方的 对比度要小于细节稀疏位置的对比度 成像系统中的每个环节都对系统最终的MTF 产生影像，包括滤色片，镜头，图像传感器， 后期处理电路等等。
第二章 机器视觉中的图像采集技术
一、工业相机的基本概念（2）
物理放大率 传感器感光面积于视野的比值，整个参数基本 取决于镜头 系统放大率 最后显示环节上目标的尺寸于实际目标尺寸的 比值。系统放大率取决于物理放大率和显示系统 的阐述。对于自动测量和检测系统而言，物理放 大率具有关键的意义。系统放大率仅仅对于需要 人机交互进行检测的系统有意义 像素（Pixel =picture+element） 传感器感光面上最小感光单位。
2、工业镜头
CCTV镜头
专业摄影镜头
远心镜头
2、工业镜头——镜头种类
CCTV镜头 价格 分辨率 低 低
（20L/MM） 高
专业摄影镜头 中 中
（40^80L/MM） 中
远心镜头 高 高
畸变
焦距选择范围 使用灵活性 适合应用
低
狭窄 低 高精度测量/ 纵深测量
广泛
25MM/75MM/50MM
3、工业相机——分类
按照图像传感器区分 CCD相机：使用CCD感光芯片为图像传感器的相机 CMOS相机：使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机
按照输出图像颜色区分： 单色相机：输出图像为单色图像的相机。 彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。
3、工业相机——分类
按照传感器类型区分 面扫描相机 传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图像为 二维“面”图像。 线扫描相机 传感器上呈线状（一行或三行）分布的相机，其 所成图像为一维“线”图像。
2、工业镜头——基本概念 系统的调制传递函数MTF
2、工业镜头——分类
按照等效焦距分为 广角镜头 等效焦距小于标准镜头（等效焦距为50mm）的镜头。 特点是最小工作距离短，景深大，视角大。常常表现为桶 形畸变。 中焦距镜头 焦距介于广角镜头和长焦镜头之间的镜头。通常情况下 畸变校正较好。 长焦距镜头 等效焦距超过200mm的镜头。工作距离长，放大比大， 畸变常常表现为枕形状畸变。 等效焦距计算方法： 实际焦距×43mm 镜头成像圆的直径
感光单元 (CCD Pixcel)
工作原理
3、工业相机——基本结构 CCD的电荷存储器：能够存储一定量的电子。将电 子释放出来之后所形成的电流，便可以量化地代表 感光面上某点的明暗信息。 CCD成象的“溢出”（Blooming）问题：当CCD 象素接收到过多的光子，存储器中所收集的自由电 子就会向周边的象素“溢出”。致使整个区域成象 变亮。
3、工业相机——基本概念
传感器的光谱 下面是一个典型的CCD图像传感器对于不同光谱的响应曲线。
3、工业相机——基本概念
信号格式 模拟图像信号的格式包括：复合视频信号，Y/C分离信号，RGB分量信 号。绝大多数周边设备都能够兼容这些信号格式。通常情况下对于彩色 视频信号，Y/C分离传输的方式优于复合视频传输的方式，RGB分量传 输的方式又优于Y/C分离传输方式。 数字相机的信号传输格式更为复杂，目前普遍应用的包括： *LVDS *IEEE-1394(Fire Wire) *USB2.0 *CameraLink
2、工业镜头——参数之间关系
光圈大通光能力
大，光圈小通光能
力小； 光圈小则景深大 ，光圈大则景深小 ；
2、工业镜头——参数之间关系
光圈大通光能 力大，光圈小通 光能力小 光圈小则景深 大，光圈大则景 深小
3、工业相机——基本概念
传感器的尺寸 图像传感器感光区域的面积大小。
这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。 绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4：3 (H：V)，数字相机 的长宽比例则包括多种：1：1，16：9，3：2 etc。