工業(yè)視覺基礎(chǔ)知識課件

1、視覺根底知識V1.0張超視覺根底知識V1.0一、根底學(xué)習(xí)一、根底學(xué)習(xí)第一節(jié)光源第一節(jié)光源光源類型類型特點白熾燈鎢絲，色溫30003400k的連續(xù)光譜。優(yōu)點：相對較亮，可以低壓電工作；缺點：發(fā)熱嚴(yán)重，壽命短，不能用作閃光燈，老化快，亮度隨時間延遲而下降。氙燈氙氣，色溫550012000k白光。優(yōu)點：非常亮，可做成每秒200多次的閃光燈；缺點：供電復(fù)雜且昂貴，幾百萬次閃光后出現(xiàn)老化。熒光燈氣體放電光源，產(chǎn)生30006000k色溫可見光，交流電供電，與供電相同頻率的閃爍。優(yōu)點：價格便宜，照明面積大；缺點：壽命短，老化快，光譜分部不均勻，不能用作閃光燈。發(fā)光二極管（LED）通過電致發(fā)光的半導(dǎo)體，產(chǎn)生類

2、似單色光的非常窄的光譜的光，亮度與電流相關(guān)，顏色取決于材料成分，也可以加上涂層。優(yōu)點：壽命長，可以用作閃光燈，響應(yīng)速度快，幾乎沒有老化現(xiàn)象，亮度容易控制，功耗小，發(fā)熱小。缺點：性能與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度越高性能越差壽命越短。光源類型類型特點白熾燈鎢絲，色溫30003400k的連續(xù)光光與被測物間相互作用光與被測物間相互作用現(xiàn)實中，鏡面反射幾乎不可能像鏡子一樣是理想的相反，鏡面反射在一定角度產(chǎn)生較強的波瓣型反射，如以下圖?，F(xiàn)實中，鏡面反射幾乎不可能像鏡子一樣是理想的相反，鏡面反射在利用照明的光譜彩色物體反射了一局部光譜，其他局部被吸收使用適宜的照明光源使其光譜范圍正好是希望看到波長范圍被物體反射

3、，不希望看到的波長范圍被物體吸收紅色光源變亮變暗利用照明的光譜彩色物體反射了一局部光譜，其他局部被吸收使用適直接暗視場正面照明直接暗視場正面照明第二節(jié)鏡頭第二節(jié)鏡頭成像原理進(jìn)光量小，必須通過非常長的曝光時間才能得到亮度足夠的圖像成像原理進(jìn)光量小，必須通過非常長的曝光時間才能得到亮度足夠的鏡片折射原理折射定律厚鏡片成像一般將鏡頭看作一個厚鏡片鏡片折射原理折射定律厚鏡片成像光闌、入瞳與出瞳D：可變光闌俗稱光圈基于孔徑光闌，定義鏡頭系統(tǒng)中兩個重要的虛擬光闌：入瞳ENP與出瞳EXP。入瞳決定鏡頭入口可以接收光線的面積。入瞳是孔徑光闌被其前面的光學(xué)系統(tǒng)在物方所成的像，通常為虛像。入瞳是物面上所有各點發(fā)出

4、的光束的共同入口，通過入瞳的光線可以進(jìn)入到鏡頭系統(tǒng)中，在鏡頭中傳播并通過鏡頭。同樣，出瞳是孔徑光闌被其后面的光學(xué)系統(tǒng)在像方所成的像，通常也為虛像。只有能通過出瞳的光線才能通過整個光學(xué)系統(tǒng)。光闌、入瞳與出瞳D：可變光闌俗稱光圈景深固定放大率時：光圈縮小增大光圈值，景深增大固定放大率時：光圈增大減小光圈值，景深減小固定光圈值時：焦距越大增大放大率，景深減小固定光圈值時：焦距越小減小放大率，景深增大景深固定放大率時：光圈縮小增大光圈值，景深增大遠(yuǎn)心鏡頭普通鏡頭：越近的物體所成的像越大遠(yuǎn)心鏡頭：成像不產(chǎn)生形變遠(yuǎn)心鏡頭普通鏡頭：越近的物體所成的像越大鏡頭的像差之前都是假設(shè)在高斯光學(xué)中同心光束通過鏡頭后會

5、聚于一點，而實際情況中通常是不會發(fā)生這種情況的，會有像差。引起像差的原因有好幾種，其中最根本的因素就是構(gòu)成相機鏡頭的光學(xué)鏡片是由球面的一局部制造出來的。由于是球面，鏡頭中心和周圍的入射光折射率就會不一樣，也就無法實現(xiàn)理想的成像。球面像差彗形像差像散像差像場彎曲畸變像差色像差常見像差：鏡頭的像差之前都是假設(shè)在高斯光學(xué)中同心光束通過鏡頭后會聚于一球面像差球差球差：焦點沒有全部集中在光線軸上的一點而出現(xiàn)前后偏移的現(xiàn)象以鏡頭是球面構(gòu)成的觀點而言，這是一種無可防止的像差。通過鏡頭中心處的光線和通過邊緣處的光線隨著入射位置的差異，由于光線前后偏移而聚焦成焦點，因此就會將影像拍模糊。從邊緣處所射入的光線會形

6、成光斑，而出現(xiàn)光的擴散。通過縮小光圈的方式可以改善球面像差的問題，但當(dāng)光圈縮得太小時，有時會引起焦點移動。球面像差球差球差：焦點沒有全部集中在光線軸上的一點而出現(xiàn)慧形像差慧差慧差：斜光線沒有集中在像面上的一點從光軸外的傾斜方向所進(jìn)入的入射光，沒有集中在像面的一點而拉出彗星尾巴般的擴散現(xiàn)象。由于在畫面邊緣局部很明顯，會使影像比照度降低。就連受到彗形像差影響的失焦局部也會出現(xiàn)彗星狀的像差，而這也稱為彗形像差?；坌蜗癫罨鄄罨鄄睿盒惫饩€沒有集中在像面上的一點從光軸外的像散像差這是指點沒有以點的形狀來成像的像差。點如果出現(xiàn)在越是靠近畫面邊緣的位置，就會在垂直方向或水平方向拍出偏離成類似線狀的形狀，而偏離

7、方向會分成同心圓 和放射狀。當(dāng)畫面四周如果有很細(xì)的直線和橫線出現(xiàn)時，直線越清楚那么橫線會變得模糊；而橫線越清楚的話那么直線會變成模糊，這就是像散像差。像散像差這是指點沒有以點的形狀來成像的像差。點如果出現(xiàn)在越是像場彎曲這是指當(dāng)對焦時的面以面的形狀被記錄下來的時候，在這個面所引起焦點偏離的像差。由于平面會被拍攝成碗狀，所以，將焦點對準(zhǔn)畫面的中心處時，畫面邊緣局部就會被拍成失焦；而焦點對準(zhǔn)畫面邊緣局部時，中心處就會被拍成失焦。此像差就算縮小光圈也完全不會有任何改善效果。像場彎曲這是指當(dāng)對焦時的面以面的形狀被記錄下來的時候，在這個畸變像差四方形的平面沒有形成四方形，即沒有形成相似形狀的像差。直線會拍

8、成曲線；正方形的被攝體會形成桶狀或者是枕狀的變形。鏡頭組合構(gòu)成上，鏡片對稱的分置光圈兩側(cè)，畸變像差比較少；非對稱構(gòu)成的鏡片，那么經(jīng)常發(fā)生?；兿癫钏姆叫蔚钠矫鏇]有形成四方形，即沒有形成相似形狀的像差色像差色差不同色彩的光線波長也不一樣，通過鏡頭的折射率也會變得不同，導(dǎo)致焦點所集結(jié)的點錯開，這就是色差。當(dāng)出現(xiàn)色差后，成像的性能不但會變差，就連原本不該有的地方都會出現(xiàn)色彩。色像差分為“位置色像差與“倍率色像差兩種。使用長焦鏡頭時可明顯發(fā)現(xiàn)位置色像差；使用廣角鏡頭時可以明顯發(fā)現(xiàn)倍率色像差。改 善色像差的方法之一是要同時使用性質(zhì)折射率等不同的玻璃鏡片；另外一種是利用光線分散率非常少的特殊玻璃片。特殊低

9、色散玻璃ED鏡片以及螢石鏡片 等都是特殊鏡片。隨著工藝的開展，非球面鏡片、納米鍍膜等都使色像差得到了一定的改善，相信未來技術(shù)的開展也會使成像更趨于理想的狀態(tài)。色像差色差不同色彩的光線波長也不一樣，通過鏡頭的折射率也第三節(jié)相機第三節(jié)相機傳感器種類CCDCMOS傳感器種類CCDCMOSCCDCCD的英文全稱是“Charge- coupledDevice，中文全稱是電行耦合元件，通常稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，CCD上植 入的微小光敏物質(zhì)稱作像素(Pixel)，一塊CCO上包含的像素數(shù)越多，其提供的畫面分辨率也就越高。CCD作用就像膠片一樣，但它是把圖

10、像像素轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，CCD上有許多排列整齊的電容，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。經(jīng)由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電行轉(zhuǎn)給它相鄰的電容。CCD圖像傳感器可直接將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為模擬電流信號，電流信號經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)圖像的獲取.存儲、傳輸.處理和重現(xiàn)。CCDCCD的英文全稱是“Charge- coupledDe線陣CCD傳感器光在光電探測器中轉(zhuǎn)換為電荷，轉(zhuǎn)移至串行讀出存放器并通過電荷轉(zhuǎn)換器和放大器讀出。對于線性傳感器光電探測器常為光電二極管。線陣傳感器只能生成高度為1行的圖像。為了得到有效圖像，一般需要被攝或者相機作相對運動。線陣CCD傳感器光在光電探測器中轉(zhuǎn)換為電荷，轉(zhuǎn)移

11、至串行讀出存全幀轉(zhuǎn)移型CCD面陣傳感器光在光電探測器中轉(zhuǎn)化為電荷，電荷按行的順序轉(zhuǎn)移到串行讀出電路存放器，然后轉(zhuǎn)換為視頻信號拖影：在讀出過程中，光電傳感器在曝光，仍有電荷在積累。由于上面的像素要經(jīng)過下面的像素位移出去，因此像素積累的全部場景就會產(chǎn)生拖影現(xiàn)象。為了防止出現(xiàn)拖影，必須加上機械快門或利用閃光燈，這是全幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器的最大缺點。其最大優(yōu)點是填充因子填充因子是像素光敏感區(qū)域與整個靶面之比可達(dá)100%。這個填充因子使得像素的光敏感度最大化并使圖像失真最小化。全幀轉(zhuǎn)移型CCD面陣傳感器光在光電探測器中轉(zhuǎn)化為電荷，電荷按幀轉(zhuǎn)移型CCD面陣傳感器為了解決全幀轉(zhuǎn)移型傳感器的拖影問題，全幀轉(zhuǎn)移型

12、傳感器加上另外的傳感器用于存儲，在這個傳感器上覆蓋有金屬光屏蔽層，構(gòu)成幀轉(zhuǎn)移型面陣傳感器。由于兩個傳感器間轉(zhuǎn)移速度很快，通常小于500um，因此拖影可以大大減少。并不是完全沒有優(yōu)點是填充因子可達(dá)100%并且不需要機械快門或閃光燈。缺點是本錢高幀轉(zhuǎn)移型CCD面陣傳感器為了解決全幀轉(zhuǎn)移型傳感器的拖影問題，隔列轉(zhuǎn)移型CCD傳感器除光電探測器外，這種傳感器還有一個帶有不透明的金屬屏蔽層的垂直轉(zhuǎn)移存放器。圖像曝光后，累積到的電荷通過傳輸門電路轉(zhuǎn)移到垂直傳輸存放器。這一過程通常在小于1us內(nèi)完成。優(yōu)點：圖像沒有拖影，不需要機械快門和閃光燈。缺點：由于其傳輸存放器需要在傳感器上占用控件，所以填充因子可能低至

13、20%，圖像失真會增加。隔列轉(zhuǎn)移型CCD傳感器除光電探測器外，這種傳感器還有一個帶有CCD讀出模式隔行掃描兩次曝光之間有移動就會出現(xiàn)鋸齒逐行掃描CCD讀出模式隔行掃描逐行掃描CMOS傳感器CMOS(CompementaryMetalOxideSemiconductor)指互補金屬氧化物半導(dǎo)體，是電壓控制的一種放大器件，是組成CMOS數(shù)字集成電路的根本單元。在數(shù)字影像領(lǐng)域，CMOS作為一種低本錢的感光元件技術(shù)被開展出來，市面上常見的數(shù)碼產(chǎn)品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端攝像頭產(chǎn)品，而通常高端攝像頭都是CCD感光元件。CMOS制造工藝被應(yīng)用于制作數(shù)碼影像器材的感光元件，是將純粹

14、邏輯運算的功能轉(zhuǎn)變成接收外界光線后轉(zhuǎn)化為電能，再造過芯片上的模一數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將獲得的影像訊號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號輸出。CMOS傳感器CMOS(CompementaryMetalOCMOS傳感器CMOS傳感器的每一行都可以通過行和列選擇電路直接選擇并讀出。CMOS傳感器可以當(dāng)作隨機存取存儲器。CMOS每個像素都有一個自己的獨立放大器。填充因子很低，常使用微鏡來增加填充因子和減少圖像失真。CMOS傳感器CMOS傳感器的每一行都可以通過行和列選擇電路讀出方式：全局曝光與行曝光行曝光全局曝光由于CMOS傳感器每一行都可以獨立讀出，因此最簡單得到一幅圖像的方式就是一行一行曝光并讀出。對于連續(xù)的行，曝光時

15、間和讀出時間可以重疊，這就是行曝光。這種讀出方式會使圖像第一行和最后一行有很大的采集時差。全局曝光傳感器對應(yīng)每個像素都需要一個存儲區(qū)，因此降低了填充因子。讀出方式：全局曝光與行曝光行曝光全局曝光由于CMOS傳感器每傳感器光波感應(yīng)CCD和CMOS傳感器對于近紫外200nm至可見光380780nm直至近紅外1100nm波長范圍都有響應(yīng)。傳感器光波感應(yīng)CCD和CMOS傳感器對于近紫外200nm至可彩色相機由于CCD和CMOS傳感器對于整個可檢光波段全部都有響應(yīng)，所以無法產(chǎn)生彩色圖像。為了產(chǎn)生彩色圖像，需要在傳感器前面加上彩色濾鏡陣列CFA使得一定范圍的光到達(dá)每個光電探測器。由于這種傳感器僅使用一個芯

16、片得到彩色信息，所以稱作單芯片攝像機。右圖：最常見的Bayer濾鏡陣列。由于人眼對于綠色最敏感，所以濾鏡陣列中綠色采樣頻率是其他兩種的兩倍。Bayer彩色濾鏡陣列彩色相機由于CCD和CMOS傳感器對于整個可檢光波段全部都有成像比照黑白相機彩色相機看上去有毛刺使用白色背光拍攝樣品外表后效果：成像比照黑白相機彩色相機使用白色背光拍攝樣品外表后效果：三芯片相機通過鏡頭的光線被分光器或棱鏡分為三束光然后到達(dá)三個傳感器。每個傳感器前有一個不同的濾光片。這種攝像機稱作三芯片攝像機。由于使用三個傳感器，并且三個傳感器需要很仔細(xì)的調(diào)整位置，因此價格比單芯片攝像機貴很多。三芯片攝像機三芯片相機通過鏡頭的光線被分

17、光器或棱鏡分為三束光然后到達(dá)三個傳感器尺寸CCD和CMOS有多種生產(chǎn)尺寸，常以英寸表示。常見的傳感器尺寸見下表。一般選擇鏡頭時，鏡頭的像面尺寸不應(yīng)小于傳感器尺寸。鏡頭像面尺寸小于傳感器尺寸后產(chǎn)生的黑圈傳感器尺寸CCD和CMOS有多種生產(chǎn)尺寸，常以英寸表示。鏡頭相機-計算機接口模擬視頻信號數(shù)字視頻信號Camera LinkIEEE 1394USB 2.0Gigabit Ethernet千兆網(wǎng)26幀MDR連接器，傳輸效率非常高又叫火線，最早是6幀接插件4幀接插件以太網(wǎng)，一般需要額外供電相機-計算機接口模擬視頻信號數(shù)字視頻信號Camera Lin二、實例應(yīng)用二、實例應(yīng)用第一節(jié)測量類工程相機選型方法第

18、一節(jié)測量類工程相機選型方法客戶提出了精度要求，提供了樣本以后，如何選擇工業(yè)相機？客戶提出了精度要求，提供了樣本以后，如何選擇工業(yè)相機？工業(yè)相機選型六大參數(shù)參數(shù)說明影響分辨率相機每次采集圖像的像素點數(shù)（Pixels）圖片清晰度像素深度即每像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，常用的是8Bit測量精度最大幀率/行頻相機采集傳輸圖像的速率，面陣相機一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec），線陣相機為每秒采集的行數(shù)（Hz）固定時間內(nèi)的拍照數(shù)量（1秒鐘最多能拍多少張照片）曝光方式和快門速度線陣相機都是逐行曝光的方式；面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等常見方式?？扉T速度一般可到10us，高速相機可以更快曝光方式：運動中

19、物體用面陣相機的時候一般使用幀曝光，如果使用滾動行曝光會產(chǎn)生形變快門速度：拍一張照片所需時間像元尺寸像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機靶面的大小視場的大小與形狀光譜響應(yīng)特性指像元傳感器對不同光波的敏感特性一般響應(yīng)范圍是350nm1000nm工業(yè)相機選型六大參數(shù)參數(shù)說明影響分辨率相機每次采集圖像的像素其他可能面臨的選擇傳感器類型：面陣、線陣芯片類型：CCD、CMOS色彩類型：黑白、彩色相機與鏡頭口：C口、F口、CS口其他可能面臨的選擇傳感器類型：面陣、線陣相機分辨率選擇案例1假設(shè)樣品外表大小為10mm*10mm，僅檢測該平面，不考慮傾斜因素假設(shè)客戶精度要求為0.01mm相機分辨率選擇案例1

20、假設(shè)樣品外表大小為10mm*10mm相機分辨率選擇案例分析實際視場必須包含整個樣品外表，一般為樣品外表的1.5倍到2倍，因此實際的視場可以為15mm * 15mm到20mm * 20mm之間。這里選20mm * 20mm現(xiàn)在的亞像素精度一般能到達(dá)1/5左右，1/3像素根本能夠保證精度。保守選擇1/3像素，即1個像素大小為0.03mm每條邊的最小像素為20mm除以0.03mm/像素 = 667像素相機的分辨率必須支持667*667以上，比方1024*768666Pixel666Pixel1024Pixel768Pixel相機分辨率選擇案例分析實際視場必須包含整個樣品外表，一般為樣第二節(jié)如何選擇鏡頭第二節(jié)如何選擇鏡頭這么多怎么選？這么多怎么選？鏡頭選擇考慮因素優(yōu)先度考慮因素1波長、變焦與否2特殊要求優(yōu)先考慮3工作距離、焦距4像面大小和像質(zhì)5光圈和接口6成本和技術(shù)成熟度鏡頭選擇考慮因素優(yōu)先度考慮因素1波長、變焦與否2特殊要求優(yōu)先焦距計算公式焦距f = 芯片高度h * 物距D / 物體高度H焦距f = 芯片寬度v * 物距D / 物體寬度V焦距f = 成像放大倍率M * 物距D / 1+M焦距計算公式焦距f = 芯片高度h * 物距D / 物體高度鏡頭選擇案例2要給硬幣檢測成像系統(tǒng)選配工業(yè)相機鏡頭約束條件：相機CCD 2/