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。