圖像與機(jī)器視覺產(chǎn)品手冊(cè)(共11頁(yè))

1、2.1 為什么要使用(shyng)光源機(jī)器(j q)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(duì)整個(gè)視覺系統(tǒng)極為關(guān)鍵。而光源則是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)圖像質(zhì)量的重要因素，照明對(duì)輸入數(shù)據(jù)的影響至少占到30。通過適當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計(jì)，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(shí)別的難度，同時(shí)提高系統(tǒng)的定位、測(cè)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(jì)不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致在圖像處理算法設(shè)計(jì)和成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中事倍功半。因此，光源及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zuyng)至少有以下幾種： 照亮目標(biāo)，

2、提高目標(biāo)亮度；形成最有利于圖像處理的成像效果；克服環(huán)境光干擾，保證圖像的穩(wěn)定性；用作測(cè)量的工具或參照。由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，所以針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要設(shè)計(jì)相應(yīng)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(jià)值也正在于此。3.1 鏡頭基本構(gòu)成常見的以成像為目的的鏡頭，可以分為透鏡組和光闌兩部分。 透鏡單個(gè)透鏡是進(jìn)行光束變換的基本單元。常見的有凸透鏡和凹透鏡兩種，凸透鏡對(duì)光線(gungxin)具有會(huì)聚作用，也稱為會(huì)聚透鏡或正透鏡；凹透鏡對(duì)光線具有發(fā)散作用，也稱為發(fā)散透鏡或負(fù)透鏡。鏡頭設(shè)計(jì)中常常將這兩類透鏡結(jié)合使用，校正各種像差和失真，以達(dá)到滿意的成像效果。 光闌光闌的作用就是約束(

3、yush)進(jìn)入鏡頭的光束成分。使有益的光束進(jìn)入鏡頭成像，而有害的光束不能進(jìn)入鏡頭。根據(jù)光闌設(shè)置的目的不同，光闌又可以進(jìn)一步細(xì)分為以下幾種：孔徑光闌：它決定了進(jìn)入(jnr)鏡頭的成像光束的多寡（口徑）。從而決定了鏡頭成像面的亮度，是鏡頭的關(guān)鍵部件之一。通常講的“調(diào)節(jié)光圈”，就是調(diào)節(jié)孔徑光闌的口徑，從而改變成像面的亮度。視場(chǎng)光闌：它限制、約束著鏡頭的成像范圍。鏡頭的成像范圍可能受一系列物理的邊框、邊界約束，因此實(shí)際鏡頭大多存在多個(gè)視場(chǎng)光闌。例如，每個(gè)單透鏡的邊框都能限制斜入射的光束，因此它們都可以算作視場(chǎng)光闌；CCD、CMOS或者其它感光器件的物理邊界也限制了有效成像的范圍，因此這些邊界也是視場(chǎng)光

4、闌。消雜光光闌：為限制雜散光到達(dá)像面而設(shè)置的光闌。鏡頭成像的過程中，除了正常的成像光束能到達(dá)像面外，仍有一部分非成像光束也到達(dá)像面，它們被統(tǒng)稱為雜散光。雜散光對(duì)成像來說是非常有害的，相對(duì)于成像光束它們就是干擾、噪聲，它們的存在降低了成像面的對(duì)比度，降低了系統(tǒng)的傳函。為了減少雜散光的影響，可以在設(shè)計(jì)過程中設(shè)置光闌來吸收阻擋雜散光到達(dá)像面，為此目的而引入的光闌都稱為消雜光光闌。一般地可以這樣理解，透鏡和光闌都是鏡頭的重要光學(xué)功能單元，透鏡側(cè)重于光束的變換（例如實(shí)現(xiàn)一定的組合焦距、減少像差等），光闌側(cè)重于光束的取舍約束。3.2鏡頭主要參數(shù)焦距焦距（f）：概念上講，無限遠(yuǎn)目標(biāo)的軸上共軛點(diǎn)是鏡頭的（像方

5、）焦點(diǎn)，而此焦點(diǎn)到(像方)主面的距離稱為焦距。焦距描述了鏡頭的基本成像規(guī)律：在不同物距上,目標(biāo)的成像位置和成像大小由焦距決定。 光圈(gungqun)/相對(duì)孔徑光圈和相對(duì)孔徑是兩個(gè)(lin )相關(guān)概念，相對(duì)孔徑（通常用D/f表示）是鏡頭入瞳直徑與焦距(jioj)的比值；而光圈（通常用F表示）是相對(duì)孔徑的倒數(shù)。 視場(chǎng)/視場(chǎng)角視場(chǎng)和視場(chǎng)角是相似概念，它們都是用來衡量鏡頭成像范圍的。在遠(yuǎn)距離成像中，例如望遠(yuǎn)鏡、航拍鏡頭等場(chǎng)合，鏡頭的成像范圍常用視場(chǎng)角來衡量，用成像最大范圍構(gòu)成的張角表示（2）。在近距離成像中，常用實(shí)際物面的幅面表示（Vdx H）成像范圍，也稱為鏡頭的視場(chǎng)。這兩個(gè)概念的使用沒有絕對(duì)的界

6、限，視使用方便而定。 工作距離(Work distance)鏡頭與目標(biāo)之間的距離稱作鏡頭的工作距離。需要注意的是，一個(gè)實(shí)際鏡頭并不是對(duì)任何物距下的目標(biāo)都能做到清晰成像（即使調(diào)焦也做不到(b do)），所以它允許的工作距離是一個(gè)有限范圍。 像面尺寸(ch cun)一個(gè)鏡頭能清晰成像的范圍是有限的，像面尺寸指它能支持的最大清晰成像范圍（通常用其直徑表示）。超過這個(gè)(zh ge)范圍成像模糊，對(duì)比度降低。所以在給鏡頭選配CCD時(shí)，可以遵循“大的兼容小的”原則進(jìn)行。就是鏡頭的像面尺寸大于（或等于）CCD尺寸。 像質(zhì)（MTF、畸變）像質(zhì)就是指鏡頭的成像質(zhì)量，用于評(píng)價(jià)一個(gè)鏡頭的成像優(yōu)劣。傳函（調(diào)制傳遞函數(shù)

7、的簡(jiǎn)稱，用MTF表示）和畸變就是用于評(píng)價(jià)像質(zhì)的兩個(gè)重要參數(shù)。MTF：在成像過程中的對(duì)比度衰減因子。實(shí)際鏡頭成像，得到的像與實(shí)物相比，成像出現(xiàn)“模糊化”，對(duì)比度下降，通常用MTF來衡量成像優(yōu)劣。如下圖所示，為某個(gè)鏡頭中心視場(chǎng)的MTF曲線。圖中橫坐標(biāo)是空間頻率，縱坐標(biāo)就是(jish)MTF值。由于實(shí)際成像中總有像差存在(cnzi)，成像的對(duì)比度總是下降的，作為對(duì)比度衰減因子的MTF也總是(zn sh)小于1的。像面上任何位置的MTF值都是空間頻率的函數(shù)。一般地，空間頻率越高，MTF值越低，意味著高頻信息對(duì)比度衰減更快。例如圖中80Lp/mm的空間頻率對(duì)應(yīng)的MTF=0.52，意即對(duì)于中心視場(chǎng)來說，空

8、間頻率為80 Lp/mm的信號(hào)成像對(duì)比度要下降大約一半(相對(duì)于實(shí)際目標(biāo)來說)。 畸變：理想成像中，物像應(yīng)該是完全相似的，就是成像沒有帶來局部變形，如下圖1。但是實(shí)際成像中，往往有所變形，如圖2、圖3?；兊漠a(chǎn)生源于鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)、成像特性使然?；兛梢钥醋魇窍衩嫔喜煌植康姆糯舐什灰恢乱鸬?，是一種放大率像差。（a）原圖無畸變 （b）桶形畸變 （c）枕形畸變 工作波長(zhǎng)與透過率鏡頭是成像器件，它的工作對(duì)象就是電磁波。一個(gè)實(shí)際的鏡頭在設(shè)計(jì)制造出來以后，都只能對(duì)一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)的電磁波進(jìn)行成像工作，這個(gè)波長(zhǎng)范圍通常稱為鏡頭的工作波長(zhǎng)。例如常見鏡頭工作在可見光波段（360nm780nm），除此之外還有紫

9、外或紅外鏡頭等。鏡頭的透過率是與工作波長(zhǎng)相關(guān)的一項(xiàng)指標(biāo)，用于衡量鏡頭對(duì)光線的透過能力(nngl)。為了使更多了光線到達(dá)像面，鏡頭中使用的透鏡一般都是鍍膜的，因此鍍膜工藝、材料(cilio)總的厚度和材料對(duì)光的吸收特性共同決定了鏡頭總的透過率。如下圖所示為某鏡頭的透過率曲線，不同波長(zhǎng)光線的透過率是不一樣的。 景深(jngshn)在不做任何調(diào)節(jié)的情況下，在物方空間內(nèi)，可接受的能清晰成像的空間范圍。超出景深范圍的目標(biāo)，成像模糊，已不能接受。 接口鏡頭需要與相機(jī)進(jìn)行配合使用，它們兩者之間的連接方式通常稱為接口。為提高各生產(chǎn)廠家鏡頭之間的通用性和規(guī)范性，業(yè)內(nèi)形成了數(shù)種常用的固定接口，例如C口、CS口、F

10、口等。3.3 相關(guān)(xinggun)技術(shù) 調(diào)焦(dio jio)對(duì)于鏡頭來講，不同物距上的目標(biāo)成像的像距是不同的。對(duì)于需要觀察的目標(biāo)，它的成像面不一定與相機(jī)感光面重合，為了得到(d do)清晰像，就需要調(diào)整成像面的位置使之與感光面重合，這個(gè)過程就是調(diào)焦。常見的調(diào)焦方式有兩種：整組移動(dòng)這種調(diào)焦方式，就是調(diào)節(jié)過程中整個(gè)鏡頭一起前后移動(dòng)，帶動(dòng)像面隨之移動(dòng)，在像面與相機(jī)感光面重合時(shí)，成像最清晰。這種整體調(diào)焦方式，不改變鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)，鏡頭焦距沒有變化。單組移動(dòng)還有一種調(diào)焦方式，就是調(diào)節(jié)鏡頭中的某一組透鏡，使它相對(duì)于其他透鏡前后移動(dòng)，也能帶動(dòng)像面平移，最終使像面與感光面重合，達(dá)到成像清晰。這種調(diào)焦方式，

11、改變了鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)，鏡頭焦距有所變化（一般不大）。例如，前面的透鏡組對(duì)無窮遠(yuǎn)的目標(biāo)成像在Image面上（也是CCD感光面位置），后工作距離L，現(xiàn)在要對(duì)近處目標(biāo)成像，像面位置在Image，為了成像清晰需要調(diào)焦。一種辦法就是整個(gè)透鏡組一起相對(duì)CCD往前移動(dòng)，使后工作距離擴(kuò)大到L，CCD感光面與像面重合，成像清晰。這種辦法就是整組移動(dòng)式調(diào)焦。如下圖所示。還有一種(y zhn)調(diào)焦辦法：只移動(dòng)透鏡組中的某一（或幾個(gè)一起）單透鏡，也能達(dá)到調(diào)焦的目的，如下圖所示。將第四透鏡從位置A向前移動(dòng)到A，對(duì)近距離的目標(biāo)來說，成像面也回到與CCD重合的位置(wi zhi)，使成像清晰。這種調(diào)焦方式就稱為單組移動(dòng)式調(diào)

12、焦。 變焦（Zoom）所謂變焦，指的是鏡頭本身可以通過調(diào)節(jié)，使焦距有較大的變化范圍（通常用焦距變化的倍數(shù)(bish)來衡量，例如4倍變焦指最大焦距是最小焦距的4倍）。這種鏡頭使用中，可以通過變焦，改變成像放大倍率（在“大場(chǎng)景”和“局部特寫”之間隨意轉(zhuǎn)換），適應(yīng)性強(qiáng)，使用范圍很廣。變焦的實(shí)現(xiàn)方式：變焦過程中，通過光學(xué)系統(tǒng)中的兩組（或更多）透鏡相對(duì)移動(dòng)，改變整個(gè)系統(tǒng)（鏡頭）的組合焦距，且同時(shí)保證像面位置不動(dòng)，使圖像放大倍率改變而且成像始終清晰。它與單組移動(dòng)式調(diào)焦是不同的，單組移動(dòng)式調(diào)焦意在改變成像面的位置（雖然也會(huì)引起鏡頭(jngtu)焦距的微小改變）；而變焦意在改變鏡頭的焦距（一般都是數(shù)倍的改變

13、），它要求穩(wěn)定像面不動(dòng)。 自動(dòng)(zdng)光圈調(diào)節(jié)鏡頭的光圈，實(shí)質(zhì)上是改變(gibin)了孔徑光闌的孔徑大小，從而改變了進(jìn)光量，達(dá)到成像面亮度調(diào)節(jié)的目的。這個(gè)過程，可以手動(dòng)完成，也可以通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)來完成，后一種實(shí)現(xiàn)方式就是自動(dòng)光圈調(diào)節(jié)。 遠(yuǎn)心（焦闌）鏡頭遠(yuǎn)心光路，一般地，可以分為物方遠(yuǎn)心光路和像方遠(yuǎn)心光路兩種?？讖焦怅@位于鏡頭像方焦面上（“焦闌”因此得名），入瞳位于物方無限遠(yuǎn)處，這樣的光路稱為物方遠(yuǎn)心光路。這種光路的特點(diǎn)：物方入射主光線（紅色表示）與光軸平行?？讖焦怅@位于物方焦面上，出瞳位于像方無限遠(yuǎn)處，這樣的光路稱為像方遠(yuǎn)心光路。這種光路的特點(diǎn)：像方出射主光線（紅色表示）與光軸平行。這兩種光

14、路本質(zhì)上是相通的，是同一種光路（焦闌）的正向和反向應(yīng)用。它們較多的出現(xiàn)在測(cè)量?jī)x器中，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用會(huì)表現(xiàn)出各自的特點(diǎn)，需要加以注意。物方遠(yuǎn)心光路的成像特點(diǎn)：像的大小對(duì)物距不敏感，但是對(duì)像距很敏感；而像方遠(yuǎn)心光路的成像特點(diǎn)是，像的大小對(duì)物距很敏感，但是對(duì)像距不敏感。采用這兩種遠(yuǎn)心光路設(shè)計(jì)制作的鏡頭，分別稱作物方或者像方遠(yuǎn)心鏡頭。3.4 鏡頭的分類鏡頭種類繁多，已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)龐大的體系，以適應(yīng)各種( zhn)場(chǎng)合條件下的應(yīng)用。對(duì)鏡頭的劃分也可以從不同的角度來進(jìn)行： 按工作(gngzu)波長(zhǎng)分：X-ray、紫外、可見光、近紅外、紅外 變焦與否：定焦、變焦 工作(gngzu)距離：望遠(yuǎn)物鏡（物距很大）

15、、普通攝影鏡頭（物距適中）、顯微鏡頭（物距很?。┢渌悇e：線陣鏡頭：配合線陣相機(jī)使用的鏡頭。采用掃描式的工作方式，需要鏡頭與目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，每次曝光成像一條線，多次曝光組成一幅圖像。線陣掃描成像的特點(diǎn)：CCD線陣方向的圖像分辨率固定，而在目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向上，空間采樣頻率與運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度有關(guān)。從成像的角度講，線陣鏡頭和其它類型的鏡頭并沒有本質(zhì)的差異。只是對(duì)鏡頭的使用方式不同而已。 顯微鏡頭：為了看清目標(biāo)的細(xì)節(jié)特征，顯微鏡頭一般使用在高分辨率的場(chǎng)合。它們基本的特點(diǎn)是工作距離短，放大倍率高，視場(chǎng)小。4.1 芯片的分類4.1.1 CCD和CMOS芯片 在機(jī)器視覺中主要采用的兩類光電傳感芯片分別為CCD芯片

16、和CMOS芯片，CCD是Charge Coupled Device（電荷耦合器件）的縮寫，CMOS是Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的縮寫。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(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓/電流），進(jìn)行存儲(chǔ)以獲得圖像。CCD芯片出現(xiàn)于1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith首次提出了CCD的概念，隨后建立了以一維勢(shì)阱模型為基礎(chǔ)的非穩(wěn)態(tài)CCD的基本理論。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，CCD技術(shù)以圖像質(zhì)量的優(yōu)勢(shì)成為成像器件中的主導(dǎo)技術(shù)。CMOS技術(shù)出現(xiàn)于1

17、969年，比CCD還早一年，但由于存在成像質(zhì)量差、像敏單元(dnyun)尺寸小、填充因子(有效像敏單元面積與總像元面積之比)較低(10%-20%)、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，只能用于圖像質(zhì)量要求低的場(chǎng)合。直到1989年，出現(xiàn)了“主動(dòng)(zhdng)像敏單元”(有源)結(jié)構(gòu)。它不僅有光敏元件和像敏單元尋址開關(guān)(kigun)，而且還有信號(hào)放大和處理等電路，提高了光電靈敏度，減小了噪聲，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，使CMOS圖像傳感器的一些性能參數(shù)與CCD圖像傳感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和價(jià)格等方面要優(yōu)于CCD圖像傳感器，所以得到越來越廣泛應(yīng)用。 CCD和CMOS盡管在技術(shù)上有很大的差別，但基本成像過程都同樣按以下步驟：光電轉(zhuǎn)換（將入射光信號(hào)