工業(yè)相機(jī)選型知識

1、1.1.1視覺系統(tǒng)原理描述 機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。2.1.1視覺系統(tǒng)組成部分 視覺系統(tǒng)主要由以下部分組成1.照明光源2.鏡頭3.工業(yè)攝像機(jī)4.圖像采集/處理卡5.圖像處理系統(tǒng)6.其它外部設(shè)備2.1.1.1相機(jī)篇 詳細(xì)介紹： 工業(yè)相機(jī)又俗稱攝像機(jī)，相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)（攝像機(jī)）而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力

2、和高抗干擾能力等，目前市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于CCD（ChargeCoupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機(jī)。CCD是目前機(jī)器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機(jī)由光學(xué)鏡頭、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具

3、有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點。CMOS圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初，90年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI)制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應(yīng)用。、 分類：任何東西分類一定有它自己的分類標(biāo)準(zhǔn)，工業(yè)相機(jī)也不例外，按照芯片類型可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為

4、線陣相機(jī)、面陣相機(jī)；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)；按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)；按照輸出信號方式可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；按照輸出信號速度可以分為普通速度相機(jī)、高速相機(jī)；按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。區(qū)別：1、工業(yè)相機(jī)的性能穩(wěn)定可靠易于安裝，相機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實不易損壞，連續(xù)工作時間長，可在較差的環(huán)境下使用，一般的數(shù)碼相機(jī)是做不到這些的。例如：讓民用數(shù)碼相機(jī)一天工作24小時或連續(xù)工作幾天肯定會受不了的。2、工業(yè)相機(jī)的快門時間非常短，可以抓拍高速運動的物體。例如，把名片貼在電

5、風(fēng)扇扇葉上，以最大速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)置合適的快門時間，用工業(yè)相機(jī)抓拍一張圖像，仍能夠清晰辨別名片上的字體。用普通的相機(jī)來抓拍，是不可能達(dá)到同樣效果的。3、工業(yè)相機(jī)的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通的相機(jī)的圖像傳感器是隔行掃描的，逐行掃描的圖像傳感器生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數(shù)公司能夠提供這類產(chǎn)品，例如Dalsa、Sony，而且價格昂貴。4、工業(yè)相機(jī)的幀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通相機(jī)。工業(yè)相機(jī)每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機(jī)只能拍攝2-3幅圖像，相差較大。5、工業(yè)相機(jī)輸出的是裸數(shù)據(jù)(raw data)，其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法，例如機(jī)器視覺(Machi

6、ne Vision)應(yīng)用。而普通相機(jī)拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經(jīng)過了mjpeg壓縮，圖像質(zhì)量較差，不利于分析處理。6、工業(yè)相機(jī)(Industrial Camera)相對普通相機(jī)(DSC)來說價格較貴。如何選擇：1、根據(jù)應(yīng)用的不同分別選用CCD或CMOS相機(jī)CCD工業(yè)相機(jī)主要應(yīng)用在運動物體的圖像提取，如貼片機(jī)機(jī)器視覺，當(dāng)然隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，許多貼片機(jī)也在選用CMOS工業(yè)相機(jī)。用在視覺自動檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD工業(yè)相機(jī)比較多。CMOS工業(yè)相機(jī)由成本低，功耗低也應(yīng)用越來越廣泛。2、分辨率的選擇首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據(jù)精度選擇分辨率。相機(jī)像素精度=單方向視野

7、范圍大小/相機(jī)單方向分辨率。則相機(jī)單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。相機(jī)傳感器尺寸/鏡頭倍率=單方向視野范圍。若單視野為5mm長，理論精度為0.02mm，則單方向分辨率=5/0.02=250。然而為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，不會只用一個像素單位對應(yīng)一個測量/觀察精度值，一般可以選擇倍數(shù)4或更高。這樣該相機(jī)需求單方向分辨率為1000，選用130萬像素已經(jīng)足夠。其次看工業(yè)相機(jī)的輸出，若是體式觀察或機(jī)器軟件分析識別，分辨率高是有幫助的；若是VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴于顯示器的分辨率，工業(yè)相機(jī)的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；利用存儲卡或拍照功能，工業(yè)相機(jī)的分辨率高

8、也是有幫助的。3、與鏡頭的匹配傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉(zhuǎn)接口）；4、相機(jī)幀數(shù)選擇當(dāng)被測物體有運動要求時，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機(jī)。但一般來說分辨率越高，幀數(shù)越低。2.1.1.2鏡頭篇 鏡頭的基本功能就是實現(xiàn)光束變換（調(diào)制），在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將成像目標(biāo)在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直影響到機(jī)器視覺系統(tǒng)的整體性能，合理地選擇和安裝鏡頭，是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。基礎(chǔ)知識：鏡頭匹配大家如何選擇合適鏡頭，鏡頭選配時需要選擇與攝像機(jī)接口和CCD的尺寸相匹配的鏡頭。鏡頭C和CS的接口方式占主流。小型的安防用的CS接口攝像機(jī)得到普及、FA

9、行業(yè)則大部分是C接口的攝像機(jī)與鏡頭的組合。對應(yīng)的CCD尺寸、市場上一般根據(jù)用途使用2/3寸到1/3寸的產(chǎn)品。CCDCCD尺寸水平：H垂直：V對角：D1型12.89.616.02/3型8.86.611.01/2型6.44.88.01/3型4.83.66.01/4型3.62.74.535mm膠片36.024.043.3互換性C接口鏡頭可以與C接口攝像機(jī)、CS接口攝像機(jī)互用；CS接口鏡頭不可以應(yīng)用在C接口攝像機(jī)，只可以應(yīng)用在CS接口攝像機(jī)。KERARE攝像機(jī)如果使用配備小CCD尺寸的鏡頭，那么周邊沒有攝取到圖像的部分呈現(xiàn)出黑色，我們稱其為KERARE。鏡頭的作用：將折射率不同的各種硝材通過研磨，加工

10、成高精度的曲面、把這些鏡頭進(jìn)行組合，就是設(shè)計鏡頭。從伽利略時代開始使用的普遍技術(shù)是其基本原理。為得到更清晰的圖像，一直在研究開發(fā)試制新的硝材和非球面鏡片。焦距焦距是主點到成像面的距離。這個數(shù)值決定了攝影范圍的不同。數(shù)值小，成像面距離主點近，是短焦距鏡頭。這種情況下的的畫角是廣角、可拍攝廣大的場景。相反的、主點到成像面的距離遠(yuǎn)時、是長焦距鏡頭，畫角變窄（望遠(yuǎn)）。鏡頭通光量鏡頭的明亮度與口徑和焦距的變化有關(guān)。一般用F值表示鏡頭的明亮度，另外鏡頭里有用于調(diào)整亮度的光圈構(gòu)件，可根據(jù)使用條件來調(diào)整通光量。鏡頭計算公式Y(jié)=f*tan y：像的大小f：焦距：半畫角=2tan-1*y/2f例：1/2寸攝像機(jī)配

11、12.5mm鏡頭時畫面橫向的視場面是：=2tan-1*6.4/2*12.5=28.72鏡頭的景深物體和鏡頭之間距離（W.D）雖然變化，介在前后一定范圍內(nèi)所成像仍然感覺清晰，這個距離范圍補(bǔ)稱為景深。相反的，對應(yīng)于確定的物平面，成像面和鏡頭之間的距離不同，但在一定的范圍內(nèi)圖像仍感覺清晰，稱為焦深。計算方式：景深=F*（1/）容許彌散園參數(shù)2/3=0.02、1/2=0.015、1/3=0.01、倍率。工業(yè)鏡頭選擇不同工業(yè)鏡頭的成像質(zhì)量有著有著千差萬別，就算是同一類型的工業(yè)鏡頭也是如此，這主要是由于材質(zhì)、加工精度和鏡片結(jié)構(gòu)的不同等因素造成的，同時也導(dǎo)致不同檔次的工業(yè)鏡頭鏡頭價格從幾百元到幾萬元的巨大差

12、異。比較著名的如四片三組式天塞鏡頭、六片四組式雙高斯鏡頭。對于鏡頭設(shè)計及生產(chǎn)廠家，一般用光學(xué)傳遞函數(shù)OTF (OpticalTransfer Function)來綜合評價鏡頭成像質(zhì)量，光學(xué)系統(tǒng)傳遞的是亮度沿空間分布的信息，光學(xué)系統(tǒng)在傳遞被攝景物信息時，被傳遞之各空間頻率的正弦波信號，其調(diào)制度和位相在成實際像時的變化，均為空間頻率的函數(shù)，此函數(shù)稱為光學(xué)傳遞函數(shù)。OTF一般由調(diào)制傳遞函數(shù)MTF(Modulation Transfer Function)與位相傳遞函數(shù)PTF(Phase Transfer Function )兩部分組成。像差是影響圖像質(zhì)量的重要方面，常見的像差有如下六種：球差：由主軸

13、上某一物點向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，若原光束不同孔徑角的各光線，不能交于主軸上的同一位置，以至在主軸上的理想像平面處，形成一彌散光斑(俗稱模糊圈)，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為球差?；鄄睿河晌挥谥鬏S外的某一軸外物點，向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，若在理想像平面處不能結(jié)成清晰點，而是結(jié)成拖著明亮尾巴的慧星形光斑，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為慧差。像散：由位于主軸外的某一軸外物點，向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出的斜射單色圓錐形光束，經(jīng)該光學(xué)系列折射后，不能結(jié)成一個清晰像點，而只能結(jié)成一彌散光斑，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為像散。場曲：垂直于主軸的平面物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)所結(jié)成的

14、清晰影像，若不在一垂直于主軸的像平面內(nèi)，而在一以主軸為對稱的彎曲表面上，即最佳像面為一曲面，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為場曲。當(dāng)調(diào)焦至畫面中央處的影像清晰時，畫面四周的影像模糊;而當(dāng)調(diào)焦至畫面四周處的影像清晰時，畫面中央處的影像又開始模糊。色差：由白色物體向光學(xué)系統(tǒng)發(fā)出一束白光，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)折射后，各色光不能會聚于一點上，而形成一彩色像斑，稱為色差。色差產(chǎn)生的原因是同一光學(xué)玻璃對不同波長的光線的折射率不同，短波光折射率大，長波光折射率小?；儯罕粩z物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變?；兿癫钪挥绊懹跋竦膸缀涡螤?，而不影響影像的清晰度。這是畸變與球差、慧差

15、、像散、場曲之間的根本區(qū)別。在評價工業(yè)鏡頭質(zhì)量時一般還會從分辨率、明銳度和景深等幾個實用參數(shù)判斷：1.分辨率(Resolution)：又稱鑒別率、解像力，指鏡頭清晰分辨被攝景物纖維細(xì)節(jié)的能力，制約工業(yè)鏡頭分辨率的原因是光的衍射現(xiàn)象，即衍射光斑(愛里斑)。分辨率的單位是“線對/毫米“ (lp/mm)。2.明銳度(Acutance)：也稱對比度，是指圖像中最亮和最暗的部分的對比度。3.景深(DOF)：在景物空間中，位于調(diào)焦物平面前后一定距離內(nèi)的景物，還能夠結(jié)成相對清晰的影像。上述位于調(diào)焦物平面前后的能結(jié)成相對清晰影像的景物間之縱深距離，也就是能在實際像平面上獲得相對清晰影像的景物空間深度范圍，稱為

16、景深。4.最大相對孔徑與光圈系數(shù)：相對孔徑，是指該工業(yè)鏡頭的入射光孔直徑(用D表示)與焦距(用f表示)之比，即：相對孔徑=D/ f。相對孔徑的倒數(shù)稱為光圈系數(shù)(aperture scale)，又稱為f/制光圈系數(shù)或光孔號碼。一般鏡頭的相對孔徑是可以調(diào)節(jié)的，其最大相對孔徑或光圈系數(shù)往往標(biāo)示在工業(yè)鏡頭上，如1:1.2或f/1.2。如果拍攝現(xiàn)場的光線較暗或曝光時間很短，則需要盡量選擇最大相對孔徑較大的工業(yè)鏡頭。工業(yè)鏡頭各參數(shù)間的相互影響關(guān)系一支好的工業(yè)鏡頭，在分辨率、明銳度、景深等方面都有很好的體現(xiàn)，對各種像差的校正也比較好，但同時其價格也會幾倍甚至上百倍的提高。如果我們掌握一些規(guī)律和經(jīng)驗，就可以使

17、用同檔次的工業(yè)鏡頭達(dá)到更好的效果。1.焦距大小的影響情況焦距越小，景深越大;焦距越小，畸變越大;焦距越小，漸暈現(xiàn)象越嚴(yán)重，使像差邊緣的照度降低;2.光圈大小的影響情況光圈越大，圖像亮度越高;光圈越大，景深越小;光圈越大，分辨率越高;3.像場中央與邊緣一般像場中心較邊緣分辨率高一般像場中心較邊緣光場照度高4.光波長度的影響2.1.1.3光源篇機(jī)器視覺系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一個方面就是選擇正確的照明，機(jī)器視覺光源直接影響到圖像的質(zhì)量，進(jìn)而影響到系統(tǒng)的性能。所以我們說光源起到的作用：就是獲得對比鮮明的圖像。為什么要用光源？機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理。所有信息均來源于圖像之中，圖像本身的質(zhì)量對整個視覺

18、系統(tǒng)極為關(guān)鍵。而光源則是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像水平的重要因素，疑問它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果通過適當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計，使圖像中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，同時提高系統(tǒng)的定位、測量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高。反之，如果光源設(shè)計不當(dāng)，會導(dǎo)致在圖像處理算法設(shè)計和成像系統(tǒng)設(shè)計中事倍功半。因此，光源及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的成敗是決定系統(tǒng)成敗的首要因素。在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，光源的作用至少有以下幾種：1.照亮目標(biāo)，提高目標(biāo)亮度；2.形成最有利于圖像處理的成像效果；3.克服環(huán)境光干擾，保證圖像的穩(wěn)定性；4.用作測量的工具或參照；由于沒有通用的機(jī)

19、器視覺照明設(shè)備，所以針對每個特定的應(yīng)用實例，要設(shè)計形影的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。機(jī)器視覺系統(tǒng)的光源的價值也正在于此。圖像的質(zhì)量好壞，也就是看圖像邊緣是否的銳利，具體來說：1、將感興趣部分和其他部分的灰度值差異加大2、盡量消隱不感興趣部分3、提高信噪比，利于圖像處理4、減少因材質(zhì)、照射角度對成像的影響常用的有LED光源、鹵素?zé)簦ü饫w光源）、高頻熒光燈。目前LED光源最常用，主要有如下幾個特點：可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度；可根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時調(diào)節(jié)亮度；通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩(wěn)定；使用壽命長；反應(yīng)快捷，可在10微秒或更短的時間內(nèi)達(dá)到最大亮度；電源帶有外觸發(fā)，可以

20、通過計算機(jī)控制，起動速度快，可以用作頻閃燈；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；可根據(jù)客戶的需要，進(jìn)行特殊設(shè)計。LED光源按形狀通?？煞譃橐韵聨最?1、環(huán)形光源環(huán)形光源提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維信息；高密度LED陣列，高亮度；多種緊湊設(shè)計，節(jié)省安裝空間；解決對角照射陰影問題；可選配漫射板導(dǎo)光，光線均勻擴(kuò)散。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2、背光源用高密度LED陣列面提供高強(qiáng)度背光照明，能突出物體。的外形輪廓特征，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。紅白兩用背光源、紅藍(lán)多用背光源，能調(diào)配

21、出不同顏色，滿足不同被測物多色要求。應(yīng)用領(lǐng)域:機(jī)械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片污點檢測，透明物體劃痕檢測等。3、條形光源條形光源是較大方形結(jié)構(gòu)被測物的首選光源；顏色可根據(jù)需求搭配，自由組合；照射角度與安裝隨意可調(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。4、同軸光源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。應(yīng)用領(lǐng)域:系列光源最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。5、AOI專用光源不同角度的三色光照明，照射凸顯焊錫三維信息；外加漫射板導(dǎo)光，減少反光；不同角度組合；應(yīng)用領(lǐng)域:用于電路板焊錫檢測。6、球積分光源具有積分效果的半球面內(nèi)壁，均勻反射從底部360度發(fā)射出的光線，使整個圖像的照度十分均勻。應(yīng)用領(lǐng)域:合于曲面，表面凹凸，弧形表面檢測，或金屬、玻璃表面反光較強(qiáng)的物體表面檢測。7、線形光源超高亮度，采用柱面透鏡聚光，適用于各種流水線連續(xù)檢測場合。應(yīng)用領(lǐng)域:陣相機(jī)照明專用，AOI專用。8、點光源大功率LED，體積小，發(fā)光強(qiáng)度高；光纖鹵素?zé)舻奶娲?，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等；高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應(yīng)用領(lǐng)域:適合遠(yuǎn)心鏡頭使用