視覺配件選型

1、光源光源是機器視覺系統(tǒng)的重要組成部分，是機器視覺系統(tǒng)設(shè)計中必須重點注意的工作，在一定程度上，光源的設(shè)計與選擇往往決定機器視覺系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。機器視覺中光源的選擇判斷機器視覺的照明的好壞，首先必須了解什么是光源需要做到的！顯然光源不僅僅應(yīng)該只是使檢測部件能夠被攝像頭“看見”。有時候，一個完整的機器視覺系統(tǒng)無法支持工作，但是僅僅優(yōu)化一下光源就可以使系統(tǒng)正常工作。 機器視覺光源的選擇標準對比度：對比度對機器視覺來說非常重要。機器視覺應(yīng)用的照明的最重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對比度，從而易于特征的區(qū)分。對比度定義為在特征與其周圍的區(qū)域之間有足夠的灰度量區(qū)別。好的

2、照明應(yīng)該能夠保證需要檢測的特征突出于其他背景。亮度：當選擇兩種光源的時候，最佳的選擇是選擇更亮的那個。當光源不夠亮時，可能有三種不好的情況會出現(xiàn)。第一，相機的信噪比不夠；由于光源的亮度不夠，圖像的對比度必然不夠，在圖像上出現(xiàn)噪聲的可能性也隨即增大。其次，光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深。另外，當光源的亮度不夠的時候，自然光等隨機光對系統(tǒng)的影響會最大。魯棒性：（魯棒性是控制系統(tǒng)在其特性或參數(shù)發(fā)生攝動時仍可使品質(zhì)指標保持不變的性能）另一個測試好光源的方法是看光源是否對部件的位置敏感度最小。當光源放置在攝像頭視野的不同區(qū)域或不同角度時，結(jié)果圖像應(yīng)該不會隨之變化。方向性很強的光源，增大了

3、對高亮區(qū)域的鏡面反射發(fā)生的可能性，這不利于后面的特征提取。在很多情況下，好的光源需要在實際工作中與其在實驗室中的有相同的效果。好的光源需要能夠使你需要尋找的特征非常明顯，除了是攝像頭能夠拍攝到部件外，好的光源應(yīng)該能夠產(chǎn)生最大的對比度、亮度足夠且對部件的位置變化不敏感。光源選擇好了，剩下來的工作就容易多了！機器視覺應(yīng)用關(guān)心的是反射光（除非使用背光）。物體表面的幾何形狀、光澤及顏色決定了光在物體表面如何反射。機器視覺應(yīng)用的光源控制的訣竅歸結(jié)到一點就是如何控制光源反射。如何能夠控制好光源的反射，那么獲得的圖像就可以控制了。因此，在機器視覺應(yīng)用中，當光源入射到給定物體表面的時候，明白光源最重要的方面就

4、是要控制好光源及其反映。光源可預(yù)測：當光源入射到物體表面的時候，光源的反映是可以預(yù)測的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收（黑金屬材料，表面難以照亮）或者被部分吸收（造成了顏色的變化及亮度的不同）。不被吸收的光就會被反射，入射光的角度等于反射光的角度，這個科學的定律大大簡化了機器視覺光源，因為理想的想定的效果可以通過控制光源而實現(xiàn)。物體表面：如果光源按照可預(yù)測的方式傳播，那么又是什么原因使機器視覺的光源設(shè)計如此的棘手呢？使機器視覺照明復雜化的是物體表面的變化造成的。如果所有物體表面是相同的，在解決實際應(yīng)用的時候就沒有必要采用不同的光源技術(shù)了。但由于物體表面的不同，因此需要觀察視野中的物體

5、表面，并分析光源入射的反映。控制反射:如果反射光可以控制，圖像就可以控制了。因此在涉及機器視覺應(yīng)用的光源設(shè)計時，最重要的原則就是控制好哪里的光源反射到透鏡及反射的程度。機器視覺的光源設(shè)計就是對反射的研究。在視覺應(yīng)用中，當觀測一個物體以決定需要什么樣的光源的時候，首先需要問自己這樣的問題：“我如何才能讓物體顯現(xiàn)？”“我如何才能應(yīng)用光源使必須的光反射到鏡頭中以獲得物體外表？”影響反射效果的因素有：光源的位置，物體表面的紋理，物體表面的幾何形狀及光源的均勻性光源的位置：既然光源按照入射角反射，因此光源的位置對獲取高對比度的圖像很重要。光源的目標是要達到使感興趣的特征與其周圍的背景對光源的反射不同。預(yù)

6、測光源如何在物體表面反射就可以決定出光源的位置。機器視覺系統(tǒng)照明設(shè)計的幾項原則 1 、選擇主動照明方式：在機器視覺系統(tǒng)中，為了得到穩(wěn)定、一致的圖像，消除環(huán)境的影響，常常采用主動照明方式，也就是說，在機器視覺系統(tǒng)中一般要采用人工光源來照明被檢測的對象。 2 、優(yōu)先選擇 LED 光源：在光源的選擇上，盡量選擇 LED 光源作為機器視覺系統(tǒng)的照明光源，因為， LED 光源具有輸出光強穩(wěn)定、壽命長、響應(yīng)時間短、形狀多樣、功耗低、造價低等突出的優(yōu)點。 選擇正確的照明方式：根據(jù)所需檢測目標的特性，選擇合適的照明方式。 照明方式適用情況透射式照明檢測目標的外輪廓 目標在透明的材質(zhì)上發(fā)射式照明 檢測

7、目標的外輪廓 檢測目標內(nèi)部某個部分 亮視場照明 機器視覺中最常用照明方式暗視場照明表面污物檢測 表面劃痕檢測 小突起的目標檢測 表面劃痕檢測顏色照明區(qū)分目標色彩有差異圓形光源 照明效果類似于同軸光源，是最常用的照明方式，適用于工作距離大于 30 毫米的近似平面物體的照明應(yīng)用印刷字符檢測、 PCB 元件、塑料或鋁制容器、標簽、工件測量等。 穹形光源 通過把LED的發(fā)光集中到球心上，在球心位置附近形成明亮的立體照明效果，適用于透明物體內(nèi)部或立體物體的表面檢測：玻璃瓶、滾珠、小工件表面等。 光源的分類 光源分為自然光源和人工光源。自然光源主要是指太陽光以及利用

8、太陽光變化的光源。人工光源是人為將各種能源（主要是電能）轉(zhuǎn)換得到的光源。 人工光源按照發(fā)光器件本身的發(fā)光機理可以分為以下幾類： 熱輻射光源 白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射氣體放電光源汞燈 熒光燈 鈉燈 金屬鹵化物燈 空心陰極燈 惰性氣體燈固體發(fā)光光源場致發(fā)光二極管 發(fā)光二極管（ LED ）激光光源氣體激光 固體激光 染料激光 半導體激光（ LED ）在機器視覺系統(tǒng)中常用的光源是： LED 光源、光纖光源、熒光燈、白熾燈、鹵素燈鏡頭 鏡頭的作用鏡頭在機器視覺系統(tǒng)中扮演著重要的角色，如果光照情況良好的話，成像質(zhì)量在很

9、大程度上與鏡頭的好壞有關(guān)。鏡頭的作用實際上就是將目標物的空間位置信息成像于CCD 的光敏面上。這里一個是要求成像比較清晰，再一個就是要求圖像的畸變很小，從信號傳遞的角度來考慮的話，鏡頭在視覺系統(tǒng)中相當一個低通濾波器圖中所涉及到的參數(shù)：成像面 成像面是入射光通過鏡頭后所成像的平面；(CCD芯片或底片)來感光；焦距 是鏡頭到成像面的距離視角就是視線的角度；工作距離 指的是鏡頭的最下端到景物之間的距離；視野所指的是鏡頭所能“看”到的最大范圍，也就是鏡頭所能夠覆蓋的有效工作區(qū)域。景深與視野相似，不同的只是景深指的縱深的范圍。而視野是橫向的范圍四大參數(shù)視野簡單而言，視野應(yīng)該是你需要檢查的物體的尺寸。分辨

10、率只有規(guī)定視野而不是規(guī)定放大倍數(shù)，才能確保系統(tǒng)將具有合適的分辨率。工作距離有時，各種機械限制支配光學限制。工作距離是從鏡頭前部到受檢驗物體的距離。需要的工作距離越長，保持小視野的難度和成本就越高。景深假如成像的物體是三維的，那么你還必須考慮景深。鏡頭的景深是物體離最佳焦點較近或較遠時，鏡頭保持所需分辨率的能力。鏡頭的選取我們在評價鏡頭質(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節(jié)的能力，制約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”（lx/mm）。（2）

11、. 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，稱為景深。 （4）. 最大相對孔徑與光圈系數(shù)：相對孔徑，是指該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)往往標示在

12、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鏡頭。鏡頭各參數(shù)間的相互影響（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?。?#183; 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）. 光波長度的影響在相同的攝像機及鏡頭參數(shù)條件下，照明光源的光波波長

13、越短，得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測量的視覺系統(tǒng)中，盡量采用短波長的單色光作為照明光源，對提高系統(tǒng)精度有很大的作用。選取鏡頭參考因素（1）.視野（FOV）的大小，也就是你需要看多大的面積，通常市場的大小比需要檢測的物品大（普通場合是檢測物品占整個視場的1/22/3）；（2）.工作距離（WD），這個一般也是用戶提供的，因為要考慮到自動取放和安裝空間，所以這也是必須考慮的一個重要因數(shù)；（3）.使用用途，主要就是看用來做什么用途，是測量、定位、判斷有無還是只是監(jiān)控，不同的用途選用鏡頭也是不一樣的，測量和定位最好使用畸變比較小的鏡頭，而判斷有無和監(jiān)控的要求則顯得就比較小。 CCD相

14、機關(guān)于CCDCCD電荷耦合式 攝相頭和與之相配合使用的鏡頭被稱為"機器視覺系統(tǒng)的眼睛".CCD元件是攝相頭的核心部位,被攝相物體反射的光線經(jīng)鏡頭聚焦到CCD芯片上, CCD根據(jù)光線的強弱聚集相應(yīng)的電荷,經(jīng)過周期性放電,即可產(chǎn)生表示一幅畫面的電信號,該電信號經(jīng)過濾波放大處理最終被組合成標準的復合視屏信號輸出CCD 是目前機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

15、號。典型的 CCD 相機由光學鏡頭、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的類型面陣CCD：  允許拍攝者在任何快門速度下一次曝光拍攝移動物體。線陣CCD：   用一排像素掃描過圖片，做三次曝光分別對應(yīng)于紅、綠、藍三色濾鏡，正如名稱所表示的，線性傳感器是捕捉一維圖像。初期應(yīng)用于廣告界拍攝靜態(tài)圖像，線性陣列，處理高分辨率的圖像時，受局限于非移動的連續(xù)光照的物體。三線傳感器CCD：   在三線傳感器中，三排并行的像素分別覆蓋 RGB濾鏡，當捕捉彩色圖片時，完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用于高端數(shù)碼相機，以產(chǎn)生

16、高的分辨率和光譜色階。交織傳輸CCD：   這種傳感器利用單獨的陣列攝取圖像和電量轉(zhuǎn)化，允許在拍攝下一圖像時在讀取當前圖像。交織傳輸CCD通常用于低端數(shù)碼相機、攝像機和拍攝動畫的廣播拍攝機。全幅面CCD： 此種CCD 具有更多電量處理能力，更好動態(tài)范圍，低噪音和傳輸光學分辨率，全幅面CCD 允許即時拍攝全彩圖片。全幅面 CCD由并行浮點寄存器、串行浮點寄存器和信號輸出放大器組成。全幅面CCD 曝光是由機械快門或閘門控制去保存圖像，并行寄存器用于測光和讀取測光值。圖像投攝到作投影幕的并行陣列上。此元件接收圖像信息并把它分成離散的由數(shù)目決定量化的元素。這些信息流就會由并行寄存器流向串行寄

17、存器。此過程反復執(zhí)行，直到所有的信息傳輸完畢。接著，系統(tǒng)進行精確的圖像重組。CCD 相機的功能被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個像素積累的電 荷在視頻時序的控制下，逐點外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號輸出。視頻信號連接到監(jiān)視器或電視 機的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖CCD相機的選擇1）矩陣大小或空間分辨率(Array size) 水平向或垂直縱向的感測像素。(例如，768×494或1024×1024等)。通常，有效像素愈多，代表空間分辨率愈好，或者可取得較大的視野范圍(F.O.V.) 像素大小(Pixel

18、 size) 指個別感測像素的實際大小尺寸，毋論是長或?qū)挘家詍(micron)為計量單位。像素愈大，則所需曝光成像時間較短，但卻會犧牲些許空間分辨率。反之，像素愈小，則需較久的曝光成像時間，成像之后的影像分辨率，則較好。 最低照度或靈敏度(Sensitivity) 能讓CCD內(nèi)部感測組件偵測到并產(chǎn)生訊號的外在光源強度大小，一般用lx(照度)或photons lcm2/sec為計量單位。 暗電流(Dark noise) 在某特定工作溫度的條件下，遮蔽CCD的傳感器，使其避免任何光源的照射或感光，而經(jīng)由感測組件本身產(chǎn)生的電荷數(shù)。噪聲值大小，以特定溫度，每秒產(chǎn)生的電荷數(shù)(electrons)為主要單位。 2）輸出噪聲(Readout noise) CCD正常工作時，除真正有效的輸出訊號之外，因其它因素造成而隨之輸出的電荷數(shù)，皆稱之輸出噪聲。 輸出速度(Readout speed) 個別CCD攝影機送/輸出像素的速度，大多以像素(pixels)/每秒表示之。 量子效益(Quantum efficiency) 直接進入或投射在感測組件上的光子總數(shù)(photons)，與被傳感器換成電荷數(shù)的比率(fraction)，通常用百分比(%)來代表。 電位井容量(Fa