智能圖像處理與分析識別課件：圖像采集系統(tǒng)

智能圖像處理與分析識別

《智能圖像處理與分析識別》

圖像采集系統(tǒng)2.1光源2.2鏡頭2.3

相機光源是圖像采集系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，它直接影響輸入圖像的質(zhì)量。光源的主要功能是以合適的方式將光線投射到待測物體上，突出待測物體特征部分的對比度。采用照明光源的目的主要有以下幾點：（1）是將待測區(qū)域與背景明顯區(qū)分開。（2）將運動目標“凝固”在圖像上。（3）增強待測目標邊緣清晰度。（4）消除陰影。（5）抵消噪光。不恰當(dāng)?shù)墓庠?，會給整個系統(tǒng)帶來很多不必要的麻煩，甚至讓檢測失敗。例如：相機過度曝光以及曝光不足均會隱藏許多重要的圖像信息；陰影會引起邊緣的誤檢測；不均勻的照明會增加圖像處理閾值選擇的困難等等。需要注意的是，沒有通用的圖像采集系統(tǒng)的照明設(shè)備，針對每個特定的應(yīng)用實例，要設(shè)計相應(yīng)的照明裝置，以達到最佳效果。2.1光源光源是指能夠產(chǎn)生光輻射的輻射源，一般分為天然光源和人造光源。天然光源是自然界中存在的輻射源，如太陽、天空、恒星等。人造光源是人為將各種形式的能量（熱能、電能、化學(xué)能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，按照發(fā)光機理，人造光源一般可以分為以下幾類：（1）鎢絲燈類：白熾燈(普燈)、鹵素?zé)?；?）氣體放電燈類：高強度氣體放電燈(HID)類（高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈），熒光燈類（直管/環(huán)形日光燈、緊湊型節(jié)能燈）；（3）固體光源類：發(fā)光二極管(LED)。2.1光源2.1.1光源的類型

目前，數(shù)字圖像處理系統(tǒng)上的光源主要有：熒光燈、鹵素?zé)簦ü饫w導(dǎo)管）、LED光源，如圖所示。2.1光源2.1.1光源的類型（a）熒光燈（b）鹵素?zé)簦╟）LED光源圖2-1圖像采集系統(tǒng)中主要的光源類型1、熒光燈將弧光放電現(xiàn)象產(chǎn)生的紫外線作為熒光體，從而發(fā)出可視光的光源。一般來說，其結(jié)構(gòu)為：在玻璃管的內(nèi)側(cè)涂上熒光體，將水銀密封在玻璃管內(nèi)，然后在管子的兩端安裝用來放電的電極。熒光燈由交流電供電，因此產(chǎn)生與供電電源相同頻率的閃爍。應(yīng)用于圖像采集系統(tǒng)時，為了避免圖像明暗的變化，需要使用不低于22KHz的供電頻率。

2、鹵素?zé)酐u素?zé)襞菔窃跓襞輧?nèi)注入碘或溴等鹵素氣體，其工作原理為：當(dāng)燈絲發(fā)熱的時候，鎢原子就會開始蒸發(fā)，然后向玻璃燈泡管壁方向移動，接近玻璃管壁的同時，鎢原子的蒸汽會被冷卻然后和鹵素原子結(jié)合一起，形成鹵化鎢，為氣態(tài)。然而，鹵化鎢是一種十分不穩(wěn)定的物質(zhì)，遇熱后會重新分解成鎢和鹵素蒸汽，如此無限循環(huán)下去，即鹵鎢循環(huán)。通過這樣的鹵鎢循環(huán)，燈絲上的鎢不會漸漸溶解，也不會因為鎢在燈泡殼上沉積而發(fā)黑，其壽命得到了大大的提升，也比普通白熾燈發(fā)光效率高。一般將鹵素?zé)艉凸饫w導(dǎo)管組合，由一個鹵素?zé)襞菰谝粋€裝置（通常稱為，燈箱）中發(fā)光，再由光纖導(dǎo)管將鹵素?zé)羲a(chǎn)生的強光轉(zhuǎn)向被測物進行照明。2.1光源2.1.1光源的類型3、LED光源LED光源由數(shù)層很薄的攙雜半導(dǎo)體材料制成，一層帶過量的電子，另一層因缺乏電子而形成帶正電的“空穴”，當(dāng)有電流通過時，電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，從而輻射出光芒。LED光源主要有如下幾個特點：（1）可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度；（2）可根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時調(diào)節(jié)亮度；（3）通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩(wěn)定；（4）使用壽命長；（5）反應(yīng)快捷，可在10微秒或更短的時間內(nèi)達到最大亮度；（6）電源帶有外觸發(fā)，可以通過計算機控制，起動速度快，可以用作頻閃燈；（7）運行成本低、壽命長的LED，會在綜合成本和性能方面體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢；（8）可根據(jù)客戶的需要，進行特殊設(shè)計。由于LED光源有如此多的優(yōu)點，所以它是目前數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中應(yīng)用最多的一種光源。為了更好的了解LED光源以及對后文的理解，下面我們將對LED光源按形狀劃分的類型進行介紹。2.1光源2.1.1光源的類型（1）環(huán)形光源環(huán)形光源的LED燈珠排布成環(huán)形且與光軸有一定的夾角，可提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維信息。應(yīng)用領(lǐng)域：PCB基板檢測，IC元件檢測，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測，集成電路印字檢查等。

2.1光源—光源的類型

按形狀劃分的LED光源（a）環(huán)形光源（2）面光源用高密度LED陣列面提供高強度面光照明。采用面光源垂直照射，能夠在照明范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻的照明光線；采用面光源進行背光照射，能突出物體的外形輪廓特征。應(yīng)用領(lǐng)域：機械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片污點檢測，顯微鏡的載物臺，透明物體劃痕檢測等。

（b）面光源

（3）條形光源條形光源是較大長方形結(jié)構(gòu)被測物的首選光源。光源顏色可根據(jù)需求搭配，自由組合；照射角度與安裝位置隨意可調(diào)。應(yīng)用領(lǐng)域：金屬表面檢查，圖像掃描，表面裂縫檢測，LCD面板檢測等。（c）條形光源（4）同軸光源光源通過漫射板發(fā)散打到半透半反射分光片上，該分光片將光反射到物體上，再由物體反射到鏡頭中。由于物體反射后的光與相機處于同一個軸線上，因此，這種方式的光源被稱之為同軸光。同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾；部分采用分光鏡設(shè)計，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。期中，同軸平行光通過特殊聚光透鏡配光，實現(xiàn)光束平行的效果，能清晰的檢測反光表面的劃痕、缺口等缺陷，比普通同軸光平行性更高。應(yīng)用領(lǐng)域：適宜用于反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，芯片和硅晶片的破損檢測，Mark點定位，包裝條碼識別。（d）同軸光源按形狀劃分的LED光源2.1光源—光源的類型（5）AOI專用光源AOI專用光源，采用RGB三色高亮度LED陣列而成，以不同角度及不同顏色照射物體，以突顯出物體的三維信息。通常，外加漫射板導(dǎo)光，減少反光。應(yīng)用領(lǐng)域：用于電路板焊錫檢測。（e）AOI專用光源

（6）球積分光源球積分光源從外觀上看是一個空腔球體，內(nèi)壁上涂有白色漫反射材料，半球面內(nèi)壁具有積分效果，均勻反射從底部360度發(fā)射出的光線。由于多次反射光產(chǎn)生的光照不斷疊加，使整個圖像的照度十分均勻。球積分光源對于表面起伏大和反光性強的物體有較好的適用性。應(yīng)用領(lǐng)域：適用于曲面，表面凹凸，弧形表面檢測，或金屬、玻璃表面反光較強的物體表面檢測。（f）球積分光源

按形狀劃分的LED光源2.1光源—光源的類型（7）點光源點光源采用大功率LED，具有體積小，發(fā)光強度高等特點，是光纖鹵素?zé)舻奶娲?，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等。增加高效散熱裝置，可以大大提高光源的使用壽命。應(yīng)用領(lǐng)域：適合遠心鏡頭使用，用于芯片檢測，Mark點定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

（g）點光源按形狀劃分的LED光源2.1光源—光源的類型（1）光源的顏色類型不同顏色的光的波長不同，波長越長，穿透能力越強；波長越短，擴散能力越強。不同顏色的光源的照明屬性不同，常用光源顏色有白色、藍色、紅色、綠色、紅外和紫外。2.1光源2.1.2光源的顏色白色光源：通常用色溫來界定,色溫高的顏色偏藍色(冷色，色溫>5000K)，色溫低的顏色偏紅(暖色，色溫<3300K)，界于3300與5000K之間稱之為中間色，白色光源適用性廣，亮度高，特別是拍攝彩色圖像時使用更多。藍色光源：波光為430nm-480nm之間，適用產(chǎn)品：銀色背景產(chǎn)品（如鈑金，車加工件等）、薄膜上金屬印刷品。紅色光源：波長通常在600nm-720nm之間，其波長比較長，可以透過一些比較暗的物體，例如底材黑色的透明軟板孔位定位、透光膜厚度檢測等，采用紅色光源更能提高對比度。綠色光源：波長510nm-530nm，界于紅色與藍色之間，主要針紅色背景產(chǎn)品，銀色背景產(chǎn)品（如鈑金，車加工件等）。紅外光：波長一般為780nm-1400nm，公司大多采用940波長的紅外光，紅外光屬于不可見光，其透過力強。一般LCD屏檢測、視頻監(jiān)控行業(yè)應(yīng)用比較普遍。紫外光：波長一般為190nm-400nm，公司主要采用385波長的紫外光，其波長短，穿透力強，對表面的細微特征敏感，適合檢測對比不夠明顯的地方，可應(yīng)用于證件檢測、觸摸屏ITO檢測、布料表面破損、點膠溢膠檢測等方面，金屬表面劃痕檢測等。2.1光源—光源的顏色（1）光源的顏色類型（2）互補色與近鄰色---色光混合規(guī)律光的三原色是紅、綠、藍，三原色中任意一色都不能由另外兩種原色混合產(chǎn)生，而其他色光可有這三色光按照一定的比例混合出來。色光混合遵循以下定律：1）色光連續(xù)變化規(guī)律：由兩種色光組成的混合色中，如果一種色光連續(xù)變化，混合色也連續(xù)變化。2）補色律：三原色光等量混合，可以得到白光。如果先將紅光與綠光混合得到黃光，黃光再與藍光混合，也可以得到白光。兩個以適當(dāng)比例相混合產(chǎn)生白色的顏色光是互補色。最基本的互補色有三對：紅-青，綠-品紅，藍-黃。補色有一個重要性質(zhì)，即一種色光照射到其補色的物體上，則被吸收?；谶@一定律可知，使用與被測物同色系的光會使圖像變亮(如：紅光使紅色物體更亮)；使用與被測物相反色系的光會使圖像變暗(如：紅光使藍色物體更暗)；使用補色光會使物體呈黑色（藍光照射黃色物體，則呈現(xiàn)黑色）。2.1.2光源的顏色2.1光源—光源的顏色（2）互補色與近鄰色---色光混合規(guī)律

中間色律：任何兩種非補色光混合，便產(chǎn)生中間色。其顏色取決于兩種色光的相對能量，其鮮艷程度取決于二者在色相順序上的遠近。

代替律：顏色外貌相同的光，不管它們的光譜成分是否一樣，在色光混合中都具有相同的效果。凡是在視覺上相同的顏色都是等效的，即相似色混合后仍相似。色光混合的代替規(guī)律表明，只要在感覺上顏色是相似的便可以相互代替，所得的視覺效果是同樣的。以上四個規(guī)律是色光混合的基本規(guī)律。這些規(guī)律可以指導(dǎo)照明光源系統(tǒng)設(shè)計。例如可以根據(jù)目標的顏色不同來選擇不同光譜的光源照射，利用補色律和亮度相加律得到突出目標亮度，削弱背景的目的，以達到最終突出目標的效果。2.1.2光源的顏色2.1光源—光源的顏色恰當(dāng)?shù)恼彰鞣绞娇梢詼蚀_捕捉物體特征，提高物體與背景的對比度。常見的照明方式有前景光照射，背光照射，同軸光照射。（1）前景光照明光源位于被測物體的前方，利于表現(xiàn)物體的表面細節(jié)特征，可用于各種表面檢測。一般情況下可分為垂直照射、高角度照射、低角度照射和多角度照射，如右圖所示。2.1光源—照明方式2.1.3照明方式圖2-3垂直照射圖2-4高角度照射圖2-5低角度照射圖2-6多角度照射1）對比度2）魯棒性3）亮度4）均勻性5）可維護性6）壽命及發(fā)熱量2.1光源2.1.4光源的選擇（1）如何評價一個光源的好壞？（2）選光源的一些技巧1）需要前景與背景更大的對比度，可以考慮用黑白相機與彩色光源。2）環(huán)境光的問題，嘗試用單色光源，配一個濾鏡。3）閃光曲面，考慮用散射圓頂光。4）閃光粗糙的平面，嘗試用同軸散射光。5）檢測塑料的時候，嘗試用紫外或紅外光。6）需要通過反射的表面看特征，嘗試用角度線光源。7）單個光源不能有效解決問題時考慮用組合光源。8）頻閃能夠產(chǎn)生比常亮照明20倍強的光。2.1光源2.1.4光源的選擇（3）幾種光源的照明方式要領(lǐng)1）條形光源及其組合光源選型要領(lǐng)①條形光源照射寬度大于檢測的距離，否則可能會因照射距離遠而造成亮度差，或者是因距離近而幅射面積不夠。②條形光源的長度能夠照明所需打亮的位置即可，太長會造成安裝不便，同時也增加成本。一般情況下，光源的安裝高度會影響到所選用條形光源的長度，高度越高，光源長度要求越長，否則圖像兩側(cè)亮度會比中間暗。③如果照明目標是高反光物體，最好加上漫射板；如果是黑色等暗色不反光產(chǎn)品，則可以拆掉漫射板以提高亮度。④條形組合光在選擇時，不一定要按照資料上的型號來選型，因為被測的目標形狀、大小各不相同，所以可以按照目標尺寸來選擇不同的條形光源進行組合。⑤條形組合光在選擇時，一定要考慮光源的安裝高度，再根據(jù)四邊被測特征點的長度和寬度選擇相對應(yīng)的條形光進行組合。2.1光源2.1.4光源的選擇2）環(huán)形光選型要領(lǐng)①了解光源安裝距離，過濾掉某些角度光源。例如，要求光源安裝高度高，就可以過濾掉高角度光源，選擇用低角度光源，而且安裝高度越高，要求光源的直徑越大。②目標面積小，且主要特性在表面中間，可選擇小尺寸0角度或低角度光源。③目標需要表現(xiàn)的特征如果在邊緣，可選擇90度角（垂直照射）環(huán)形光，或大尺寸高角度環(huán)形光。④檢測表面劃傷，可選擇90度角（垂直照射）環(huán)形光，且盡量選擇波長短的光源。2.1光源—光源的選擇3）面光源選型要領(lǐng)①選擇面光源時，根據(jù)物體的大小選擇合適大小的面光源，以免增加成本造成浪費。②面光源四周由于外殼遮擋，因此其亮度會低于中間部位，因此，選擇面光源時，盡量不要使目標正好位于面光源邊緣。③面光源一般在檢測輪廓時，可以盡量使用波長短的光源，波長短的光源其衍射性弱，圖像邊緣不容易產(chǎn)生重影，對比度更高。④面光源與目標之間的距離可以通過調(diào)整來達到最佳的效果，并非離得越近效果越好，也非越遠越好。⑤檢測液位可以將面光源側(cè)立使用。⑥圓軸類的產(chǎn)品和螺旋狀的產(chǎn)品盡量使用平行面光源。4）同軸光選型要領(lǐng)①選擇同軸光時，主要看其發(fā)光面積，根據(jù)目標的大小來選擇合適發(fā)光面積的同軸光。②同軸光的發(fā)光面積最好比目標尺寸大1.5~2倍左右，因為同軸光的光路設(shè)計是讓光路通過一片45度半反半透鏡改變，光源靠近燈板的地方會比遠離燈板的亮度高，因此應(yīng)盡量選擇大一點的發(fā)光面，以避免光線左右不均勻。③同軸光在安裝時盡量不要離目標太高；越高，要求選用的同軸光越大，才能保證勻性。同軸平行光選型要領(lǐng)①同軸平行光光路設(shè)計獨特，主要適用于檢測各種劃痕。②平行同軸光與同軸光表現(xiàn)的特點不一樣，不能替代同軸光使用。③平行同軸光檢測劃傷之類的產(chǎn)品，盡量不要選擇波長過長的光源。5）其他光源選型要領(lǐng)①了解特征點面積大小，選擇合適尺寸的光源。②了解產(chǎn)品特性，選擇不同類型的光源。③了解產(chǎn)品的材質(zhì)，選擇不同顏色的光源。④了解安裝空間及其他可能會產(chǎn)生障礙的情況，選擇合適的光源。2.1光源—光源的選擇（4）常見的輔助光學(xué)器件2.1.4光源的選擇（1）反射鏡：可以簡單方便的改變優(yōu)化光源的光路和角度，從而為光源的安裝提供了更大的選擇空間。（2）分光鏡：通過特殊的鍍膜技術(shù)，不同的鍍膜參數(shù)可以實現(xiàn)反射光和折射光比例的任意調(diào)節(jié)。光源中的同軸光就是分光鏡的具體應(yīng)用。（3）棱鏡：不同頻率的光在介質(zhì)中的折射率是不同的，根據(jù)光學(xué)的這一基本原理可以把不同顏色的復(fù)合光分開，從而得到頻率較為單一的光源。（4）偏振片：光線在非金屬表面的反射是偏振光，借助于偏振片可以有效的消除物體的表面反光。同時，偏振片在透明或半透明物體的檢測上也有很好的應(yīng)用。（5）漫射片：漫射片是光源中比較常見的一種光學(xué)器件，它可以使光照變得更均勻，減少不需要的反光。（6）光纖：光纖可以將光束聚集于光纖管中，使之像水流一樣便于光線的傳輸，為光源的安裝提供了很大的靈活性。2.1光源—光源的選擇《智能圖像處理與分析識別》

圖像采集系統(tǒng)2.1光源2.2鏡頭2.3

相機鏡頭的基本功能就是實現(xiàn)光束變換（調(diào)制）。在數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將目標成像在圖像傳感器的光敏面上，使成像單元能獲得清晰影像。鏡頭的質(zhì)量直接影響到整個系統(tǒng)的整體性能，合理地選擇和安裝鏡頭，是數(shù)字圖像處理系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。2.2鏡頭接口A最大CCD尺寸B焦距C分辨率D光圈E（1）鏡頭的基本構(gòu)成常見的以成像為目的的鏡頭，由透鏡和光闌兩部分組成。透鏡單個透鏡是進行光束變換的基本單元。常見的有凸透鏡和凹透鏡兩種，鏡頭設(shè)計中，常常將這兩類鏡頭結(jié)合使用，校正各種像差和失真，以達到滿意的成像效果。光闌光闌的作用就是約束進入鏡頭的光束部分。使有益的光束進入鏡頭成像，而有害的光束不能進入鏡頭。根據(jù)光闌設(shè)置的目的不同，光闌又進一步細分為：孔徑光闌、視場光闌、消雜光光闌。2.2鏡頭2.2.1鏡頭的成像原理透鏡（2）鏡頭的成像原理假設(shè)發(fā)光體位于無限遠處（無窮遠處物體所發(fā)光被認為是平行光），將工業(yè)鏡頭（透鏡）與這些平行光垂直，則這些光線將聚集在一點，這一點就是焦點。換句話說，焦點是無限遠處光源的映射。工業(yè)鏡頭與焦點之間的距離稱為焦距f。因此，如果想要在圖像傳感器（焦平面）上獲取一個無限的遠物體的像，工業(yè)鏡頭與圖像傳感器的距離就正好是鏡頭的焦距。如果將發(fā)光體移近工業(yè)鏡頭，如圖(b)所示，工業(yè)鏡頭就將光線聚焦在焦點前面，因此如果要獲取尖銳的圖像，就必須增加鏡頭與傳感器的距離。2.2鏡頭—成像原理圖2-8鏡頭成像的基本性質(zhì)理想薄透鏡成像原理如圖2-9所示。當(dāng)鏡頭應(yīng)用于不同檢測場合時，利用理想薄透鏡公式與實際透鏡組計算公式，來計算出所需的焦距。2.2鏡頭圖2-9理想薄透鏡成像其中，V和U分別是工業(yè)鏡頭光心到圖像傳感器的距離和工業(yè)鏡頭光心到物體的距離；y‘和y分別是圖像的大小和物體的大小；V與U之比就是放大因子m（或稱放大倍率）。（1）焦距（FocalLength）焦距是從鏡頭的中心點到焦平面上所形成的清晰影像之間的距離，焦距的大小決定著視角的大小。焦距數(shù)值小，視角大，所觀察的范圍也大；焦距數(shù)值大，視角小，觀察范圍小。根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。在已知相機CCD尺寸、工作距離和視野的情況下，可以計算出所需鏡頭的焦距f。2.2鏡頭2.2.2鏡頭的主要參數(shù)（2）視場角（FieldofView）如圖2-10所示，視場（FieldofView，簡稱FOV）就是整個系統(tǒng)能夠觀察的物體的尺寸范圍，進一步可以分為水平視場和垂直視場，也就是芯片上能夠成像對應(yīng)的實際物體大小，定義為FOV=L/m，其中，L是芯片的高或者寬，m是放大率，定義為m=v/u，v是相距，u是物距，F(xiàn)OV即是相應(yīng)方向的物體大小。當(dāng)然，F(xiàn)OV也可以表示成鏡頭對視野的高度和寬度的張角，即視場角α，定義為：α=2β=2arctan(L/(2v))2.2鏡頭圖2-10視場角示意圖2.2.2鏡頭的主要參數(shù)（3）光圈（Aperture）光圈(Aperture)是機械裝置，是一個用來控制光線透過鏡頭，進入機身內(nèi)感光面的光量的裝置，它通常在鏡頭內(nèi)，通過控制鏡頭光孔的大小來達到這一作用。當(dāng)外界光線較弱時，就將光圈開大；反之，就將光圈關(guān)小。光圈大小用鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來衡量，用F值表示。完整的光圈值由小到大依次為：F1，F(xiàn)1.4，F(xiàn)2.8，F(xiàn)4，F(xiàn)5.6，F(xiàn)8，F(xiàn)11，F(xiàn)16，F(xiàn)22，F(xiàn)32，F(xiàn)44和F64。2.2鏡頭圖2-11光圈示意圖2.2.2鏡頭的主要參數(shù)

光圈F值愈小，光圈開得愈大，在同一單位時間內(nèi)的進光量便愈多，而且上一級的進光量剛好是下一級的一倍，例如光圈從F8調(diào)整到F5.6，進光量便多一倍，也可以說光圈開大了一級。

（4）景深（Depthoffield）景深（Depthoffield，簡稱DOF）是指在攝影機鏡頭前沿能夠取得清晰圖像的成像所測定的被攝物體前后距離范圍。在聚焦完成后，在焦點前后的范圍內(nèi)都能形成清晰的像，這一前一后的距離范圍，便叫做景深。景深隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化。2.2鏡頭圖2-12景深示意圖2.2.2鏡頭的主要參數(shù)光圈越大，景深越??；光圈越小，景深越大。焦距越長，景深越??；焦距越短，景深越大。距離拍攝體越近時，景深越?。痪嚯x拍攝體越遠時，景深越大。（5）分辨率（Resolution）分辨率描述的是圖像采集系統(tǒng)能夠分辨的最小物體的距離。通常用黑白相間的線來標定鏡頭的分辨率，即像面處鏡頭在單位毫米內(nèi)能夠分辨的黑白相間的條紋對數(shù)，即每毫米多少線對，大小為1/2d，單位是“線對/毫米”（lp/mm）。分辨率越高的鏡頭成像越清晰。鏡頭的分辨率要與相機的分辨率匹配，大于或等于相機的分辨率。2.2鏡頭圖2-13分辨率示意圖2.2.2鏡頭的主要參數(shù)（6）畸變（distortion）一條直線經(jīng)過鏡頭拍攝后，變成彎曲的現(xiàn)象，稱為畸變像差。理想成像中，物像應(yīng)該是完全相似的，也就是成像沒有帶來局部變形，如圖2-14（a）所示。但是實際成像中，往往有所變形，如圖2-14（b）和圖2-14（c），向內(nèi)彎的是桶狀變形（Barrel），向?qū)蔷€往外彎的是枕狀變形（Pincushion）?；兊漠a(chǎn)生源于鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)、成像特性使然。畸變可以看作是像面上不同局部的放大率不一致引起的，是一種放大率像差。2.2鏡頭

（a）理想成像；

（b）桶狀變形；

（c）枕狀變形圖2-14圖像畸變類型2.2.2鏡頭的主要參數(shù)（7）對應(yīng)最大CCD尺寸(CorrespondingmaximumCCDsize)CCD尺寸說的是相機CCD靶面的大小。鏡頭可支持的最大CCD尺寸應(yīng)大于或等于選配相機CCD芯片尺寸，才能使CCD發(fā)揮最大的效用。即相機的CCD靶面大小為1/2英寸時，鏡頭應(yīng)選1/2英寸；相機的CCD靶面大小為1/3英寸時，鏡頭應(yīng)選1/3英寸；相機的CCD靶面大小為1/4英寸時，鏡頭應(yīng)選1/4英寸。如果鏡頭尺寸與攝像機CCD靶面尺寸不一致時，觀察角度將不符合設(shè)計要求，或者發(fā)生畫面在焦點以外等問題。2.2鏡頭2.2.2鏡頭的主要參數(shù)對鏡頭的劃分可以從不同的角度來進行，例如可根據(jù)相機接口類型劃分、根據(jù)變焦與否劃分、根據(jù)鏡頭光圈劃分、根據(jù)特殊用途劃分等。（1）根據(jù)鏡頭接口類型分類鏡頭和相機之間的接口有許多不同的類型，工業(yè)相機常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、M42接口、M50接口等。C接口和CS接口是工業(yè)相機最常見的國際標準接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區(qū)別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標準，所以又稱尼康口，也是工業(yè)攝像機中常用的類型，一般攝像機靶面大于1英寸時需用F口的鏡頭。

V接口鏡頭是著名的專業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標準，一般也用于攝像機靶面較大或特殊用途的鏡頭。接口類型的不同和鏡頭性能及質(zhì)量并無直接關(guān)系，只是接口方式的不同。鏡頭接口需要與相機接口匹配，或可通過外加轉(zhuǎn)換口與相機接口匹配安裝。2.2鏡頭2.2.3鏡頭的類型（2）根據(jù)變焦與否分類按照變焦與否可將鏡頭分為定焦鏡頭和變焦鏡頭。定焦鏡頭，特指只有一個固定焦距的鏡頭，只有一個焦段，或者說只有一個視野。定焦鏡頭按照等效焦距（實際焦距×43mm/鏡頭成像圓的直徑）又可以劃分為：魚眼鏡頭（6-16mm）、超廣角鏡頭（17-21mm）、廣角鏡頭（24-35mm）、標準鏡頭（45-75mm）、長焦鏡頭（150-300mm）、超長焦鏡頭（300mm以上）。定焦鏡頭的設(shè)計相對變焦鏡頭而言要簡單得多，但一般變焦鏡頭在變焦過程中對成像會有所影響，而定焦鏡頭相對于變焦機器的最大好處就是對焦速度快，成像質(zhì)量穩(wěn)定。不少擁有定焦鏡頭的相機所拍攝的運動物體圖像清晰而穩(wěn)定，對焦非常準確，畫面細膩，顆粒感非常輕微，測光也比較準確。變焦鏡頭，是在一定范圍內(nèi)可以變換焦距、從而得到不同寬窄的視場角，不同大小的影象和不同景物范圍的相機鏡頭。變焦鏡頭有可分為手動變焦和電動變焦兩大類。變焦鏡頭在不改變拍攝距離的情況下，可以通過變動焦距來改變拍攝范圍，因此非常有利于畫面構(gòu)圖。2.2鏡頭—鏡頭的類型（3）根據(jù)鏡頭光圈分類鏡頭有手動光圈和自動光圈之分。手動光圈鏡頭適合于亮度不變的應(yīng)用場合；自動光圈鏡頭因亮度變更時其光圈亦作自動調(diào)整，故適用亮度變化的場合。自動光圈鏡頭又分兩類：一類是將一個視頻信號及電源從相機輸送到透鏡來控制鏡頭上的光圈，稱為視頻輸入型；另一類則利用相機上的直流電壓來直接控制光圈，稱為DC輸入型。自動光圈鏡頭上的ALC（自動鏡頭控制）調(diào)整用于設(shè)定測光系統(tǒng)，可以調(diào)整畫面的平均亮度，也可以根據(jù)畫面中最亮部分（峰值）來設(shè)定基準信號強度，供給自動光圈調(diào)整使用。一般而言，ALC已在出廠時經(jīng)過設(shè)定，可不作調(diào)整，但是對于拍攝景物中包含有一個亮度極高的目標時，明亮目標物的影像可能會造成“白電平削波”現(xiàn)象，而使得全部屏幕變成白色，此時可以調(diào)節(jié)ALC來變換畫面。2.2鏡頭—鏡頭的類型（4）特殊用途的鏡頭微距鏡頭：按德國的工業(yè)標準，成像比例大于1:1的稱為微距攝影范疇。這里所說的比率指像的大小與實物之間的比例關(guān)系，也就是鏡頭的放大率。事實上放大率在1:1-1：4左右的都屬微距鏡頭。顯微鏡頭：一般是指成像比例大于1:10的拍攝系統(tǒng)所用，為了看清目標的細節(jié)特征，顯微鏡頭一般使用在高分辨率的場合。它們基本的特點是工作距離短，放大倍率高，視場小。紫外鏡頭和紅外鏡頭：一般鏡頭是針對可見光范圍內(nèi)的使用設(shè)計的，由于同一光學(xué)系統(tǒng)對不同波長的光線折射率的不同，導(dǎo)致同一點發(fā)出的不同波長的光成像時不能會聚成一點，產(chǎn)生色差。常用鏡頭的消色差設(shè)計也是針對可見光范圍的，紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專門針對紫外線和紅外線進行設(shè)計的鏡頭。遠心鏡頭：可以在一定的物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不會變化。遠心鏡頭的主要特點是：具有高影像分辨率、近乎零失真度、無透視誤差、遠心設(shè)計與超寬景深。2.2鏡頭—鏡頭的類型鏡頭的基本光學(xué)性能由焦距、相對孔徑（光圈系數(shù)）和視場角（視野）這三個參數(shù)表征。因此，在選擇鏡頭時，首先需要確定這三個參數(shù)，最主要是確定焦距，然后再考慮分辨率、景深、畸變、接口等其他因素。選擇鏡頭的基本步驟可以參考以下幾條：（1）根據(jù)目標尺寸和測量精度，可以確定傳感器尺寸和像素尺寸、放大倍率等。（2）根據(jù)系統(tǒng)整體尺寸和工作距離，結(jié)合放大倍率，可以大概估算出鏡頭的焦距。焦距、傳感器尺寸確定以后，視場角也可以確定下來。（3）根據(jù)現(xiàn)場的照明條件確定光圈大小和工作波長。在拍攝高速運動物體、曝光時間很短的應(yīng)用中，應(yīng)該選用大光圈鏡頭，以提高圖像亮度。（4）鏡頭的分辨率要與相機的分辨率匹配，大于或等于相機的分辨率。（5）鏡頭可支持的最大CCD尺寸應(yīng)大于或等于選配相機CCD芯片尺寸。（6）最后考慮鏡頭畸變、景深、接口等其他要求。2.2鏡頭2.2.4鏡頭的選擇《智能圖像處理與分析識別》

圖像采集系統(tǒng)2.1光源2.2鏡頭2.3

相機相機是獲取圖像的前端采集設(shè)備，它主要以CCD或CMOS圖像傳感器為核心部件，外加同步信號產(chǎn)生電路、視頻信號處理電路及電源等組合而成。它的作用是利用通過鏡頭聚焦于像平面的光線生成圖像，而其采集圖像質(zhì)量的好壞直接影響后期圖像處理的速度和效果，所以選取一個各項指標符合要求的相機至關(guān)重要。下面針對工業(yè)相機的各方面知識做簡要講解，希望讀者能夠好好體會。2.3相機在圖像處理系統(tǒng)中主要采用的兩類光電傳感芯片分別為：CCD芯片（ChargeCoupledDevice，電荷耦合器件）CMOS芯片（ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）無論是CCD還是CMOS，他們的作用都是通過光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓/電流），以獲得圖像。相機芯片的主要參數(shù)有像元尺寸、靈敏度、壞點數(shù)和光譜響應(yīng)等。2.3相機2.3.1相機芯片的主要參數(shù)相機芯片的主要參數(shù)有像元尺寸、靈敏度、壞點數(shù)和光譜響應(yīng)等。像元尺寸：像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，通常的尺寸包括14um，10um，9um，7um，6.45um，3.75um等。像元尺寸從某種程度上反映了芯片的對光的響應(yīng)能力，像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多。對于弱光成像而言，像元尺寸是芯片靈敏度的一種表征。靈敏度：芯片的重要參數(shù)之一，它具有兩種物理意義：一種指光器件的光電轉(zhuǎn)換能力，另一種是指器件所能傳感的對地輻射功率（或照度）。壞點數(shù)：壞點數(shù)是指芯片中壞點（不能有效成像的像元或相應(yīng)不一致性大于參數(shù)允許范圍的像元）的數(shù)量，壞點數(shù)是衡量芯片質(zhì)量的重要參數(shù)。光譜響應(yīng)：光譜響應(yīng)是指芯片對于不同光波長光線的響應(yīng)能力，通常用光譜響應(yīng)曲線給出。2.3相機2.3.1相機芯片的主要參數(shù)（1）分辨率分辨率是相機最基本的參數(shù)，由相機所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量。通常面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數(shù)字表示，如：1920×1080pixels。分辨率越高，對細節(jié)的展示越明顯。（2）速度（幀頻/行頻）表示相機采集圖像的頻率，通常面陣相機用幀頻表示，單位fps（FramePersecond），如30fps，表示相機在1秒鐘內(nèi)最多能采集30幀圖像。（3）靶面尺寸圖像傳感器的尺寸是影響成像表現(xiàn)力的硬指標之一。圖像傳感器成像靶面的幾種典型尺寸如下所示：1英寸——靶面尺寸為寬12.7mm*高9.6mm，對角線16mm。2/3英寸——靶面尺寸為寬8.8mm*高6.6mm，對角線11mm。1/2英寸——靶面尺寸為寬6.4mm*高4.8mm，對角線8mm。2.3相機2.3.2相機的主要參數(shù)（4）噪聲指成像過程中不希望被采集到的，實際成像目標外的信號。根據(jù)歐洲相機測試標準EMVA1288中，定義相機中的噪聲可分為兩類：一類是由有效信號帶來的符合泊松分布的統(tǒng)計漲落噪聲，也叫散粒噪聲（shotnoise），這種噪聲對任何相機都是相同的，不可避免；另一類是相機自身固有的與信號無關(guān)的噪聲，它是由圖像傳感器讀出電路、相機信號處理與放大電路等帶來的噪聲，每臺相機的固有噪聲都不一樣。另外，對于數(shù)字相機來說，對視頻信號進行模擬轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生量化噪聲，量化位數(shù)越高，噪聲越低。（5）信噪比相機的信噪比定義為圖像中信號與噪聲的比值（有效信號平均灰度值與噪聲均方根的比值），代表了圖像的質(zhì)量，圖像信噪比越高，圖像質(zhì)量越好。（6）動態(tài)范圍相機的動態(tài)范圍表明相機探測光信號的范圍。在線性響應(yīng)曲線中，相機的動態(tài)范圍定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值，動態(tài)范圍可用倍數(shù)、dB或Bit等方式來表示。動態(tài)范圍大，則相機對不同的光照強度有更強的適應(yīng)能力。2.3相機—相機的主要參數(shù)（7）像元深度數(shù)字相機輸出的數(shù)字信號，即像元灰度值，具有特殊的比特位數(shù)，稱為像元深度。對于黑白相機，這個值的方位通常是8~16bit。像元深度定義了灰度由暗到亮的灰階數(shù)。例如，對于8bit的相機，0代表全暗，而255代表全亮。介于0和255之間的數(shù)字代表一定的亮度指標。從8bit上升到10bit或者12bit的確可以增強測量的精度，但是也同時降低了系統(tǒng)的速度，并且提高了系統(tǒng)集成的難度（線纜增加，尺寸變大），因此也要慎重選擇。（8）光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)是指相機對于不同波長光線的響應(yīng)能力，通常指其所采用芯片的光譜響應(yīng)。通常用光譜曲線表示，橫軸表示不同波長，縱軸表示量子效率。按照響應(yīng)光譜不同，也把相機分為可見光相機（400nm-1000nm，峰值在500nm-600nm之間），紅外相機（響應(yīng)波長在700nm以上），紫外相機（可以響應(yīng)到200nm-400nm的短波），我們需要根據(jù)接收被測物發(fā)光波長的不同來選擇不同的光譜響應(yīng)的相機。2.3相機—相機的主要參數(shù)（9）相機接口相機將采集到的圖像信息通過相機接口傳送到計算機中，從而才有了后續(xù)的圖像處理。數(shù)字接口技術(shù)是目前相機接口的主流技術(shù)，目前最常用的幾種數(shù)字相機接口有CameraLink接口、USB接口、GigE接口等。2.3.2相機的主要參數(shù)圖2-15CameraLink接口相機

2.3相機—相機的主要參數(shù)圖2-16USB3.0接口相機

圖2-17GigE接口相機CCD相機V.SCMOS相機面陣相機V.S線陣相機彩色相機V.S黑白相機模擬相機V.S數(shù)字相機2.3相機2.3.3相機的類型（1）CCD相機V.SCMOS相機按照芯片的結(jié)構(gòu)不同，可分為CCD相機和CMOS相機。CCD相機與CMOS相機主要差異在于將光轉(zhuǎn)換為電信號的方式。對于CCD傳感器，光照射到像元上，像元產(chǎn)生電荷，電荷通過少量的輸出電極傳輸并轉(zhuǎn)化為電流、緩沖、信號輸出。對于CMOS傳感器，每個像元自己完成電荷到電壓的轉(zhuǎn)換，同時產(chǎn)生數(shù)字信號。（2）面陣相機V.S線陣相機根據(jù)相機傳感器的兩種主要架構(gòu)：面掃描和線掃描，相應(yīng)的相機分為面陣相機和線陣相機。面陣相機通常用在一幅圖像采集期間相機與被成像目標之間沒有相對運動的場合，如監(jiān)控顯示、直接對目標成像等，圖像采集用一個事件觸發(fā)（或條件的組合）。線陣相機用于在一幅圖像采集期間相機與被成像目標之