機(jī)器視覺(jué)第二章課件

第二章機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成一般機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)：

相機(jī)、鏡頭、光源、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)第二章機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成一般機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)：

相

2.1（工業(yè)）相機(jī)

相機(jī)的作用是使匯聚在像平面的光線生成圖像。

相機(jī)中最為重要的部件是數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器有CCD傳感器和CMOS傳感器。這兩種傳感器的不同點(diǎn)是由于其自身的結(jié)構(gòu)不同而使得其對(duì)數(shù)據(jù)的讀出方式不同。

CCD傳感器相機(jī)適合高速動(dòng)態(tài)；

CMOS傳感器相機(jī)適合低速動(dòng)態(tài)或靜止。

2.1（工業(yè)）相機(jī)

相機(jī)的作用是使匯聚在像平

2.1.1CCD傳感器

Charge-coupled

Device，中文全稱(chēng)：電荷耦合元件。

線陣CCD傳感器

面陣CCD傳感器

全幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD傳感器

隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD傳感器

2.1.1CCD傳感器

Charge-c線陣CCD傳感器只能生成高度為1行的圖像，因此常通過(guò)多行組成二位圖像。為了得到有效圖像，線陣CCD必須相對(duì)于被測(cè)物做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一種方法是將傳感器安裝在運(yùn)動(dòng)的被測(cè)物體上方。第二種是被測(cè)物體不動(dòng)而傳感器運(yùn)動(dòng)如平板掃描儀。線陣CCD傳感器只能生成高度為1行的圖像，因此全幀型面陣CCD傳感器的原理是光在光電探測(cè)器中轉(zhuǎn)化為電荷，電荷按行轉(zhuǎn)移到串行讀出寄存器，之后轉(zhuǎn)移到電荷轉(zhuǎn)化單元轉(zhuǎn)化為電壓并放大。全幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD傳感器優(yōu)點(diǎn)是填充因子達(dá)到100%。這個(gè)填充因子使得像素的光靈敏度最大，圖像失真最小；缺點(diǎn)是成本高。全幀型面陣CCD傳感器的原理是光在光電探測(cè)器中轉(zhuǎn)化為隔列轉(zhuǎn)移型傳感器由漏極、光電探測(cè)器、屏蔽垂直轉(zhuǎn)移寄存器、串行讀出寄存器和電荷轉(zhuǎn)化單元組成。圖像曝光后，累積的電荷通過(guò)門(mén)電路轉(zhuǎn)移到屏蔽垂直轉(zhuǎn)移寄存器。電荷再通過(guò)屏蔽垂直轉(zhuǎn)移寄存器轉(zhuǎn)移到串行讀出寄存器。隔列轉(zhuǎn)移型傳感器由漏極、光電探測(cè)器、屏蔽垂直轉(zhuǎn)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD傳感器的優(yōu)點(diǎn)是圖像沒(méi)有拖影；缺點(diǎn)是填充因子低。為了提高填充因子，常在傳感器上加微鏡頭使光聚集到光電探測(cè)器上。隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD傳感器的優(yōu)點(diǎn)是圖像沒(méi)有拖影2.1.2

CMOS傳感器

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。

CMOS傳感器中光電探測(cè)器通常為光電二極管。與CCD傳感器不同的是，CMOS傳感器中的每個(gè)光電探測(cè)器不是按順序讀出的，而是通過(guò)行和列選擇開(kāi)關(guān)直接選擇并讀出。CMOS傳感器里的每個(gè)像素都有獨(dú)立的放大器，這種傳感器也稱(chēng)為主動(dòng)傳感器（APS）。由于CMOS傳感器常用于數(shù)字視頻輸出，所以每個(gè)像素通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換并行地轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。2.1.2CMOS傳感器

CMOS（Com機(jī)器視覺(jué)第二章課件相對(duì)于CCD傳感器，CMOS傳感器的隨機(jī)讀取特性使其容易實(shí)現(xiàn)圖像的矩形感興趣區(qū)域（AOI）讀出方式。這一特性使得CMOS能針對(duì)較小的AOI時(shí)可以獲得更高的幀率。

CMOS傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)就是，讀出速度快。

CMOS傳感器的缺點(diǎn)是填充因子很低，通常使用微鏡來(lái)提高其填充因子。。相對(duì)于CCD傳感器，CMOS傳感器的隨機(jī)讀取特性2.1.3傳感器的尺寸

CCD傳感器和CMOS傳感器以英寸為單位。2.1.3傳感器的尺寸

CCD傳感器和CMOS傳像素像素（Pixel）是由Picture（圖像）和Element（元素）這兩個(gè)單詞的字母所組成的，是用來(lái)表示數(shù)字圖像的一種基本單位。放大數(shù)字圖像后，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)字圖像是由一些些小方點(diǎn)構(gòu)成。這些小方點(diǎn)就是構(gòu)成數(shù)字圖像的最小單位像素。

像素 常用分辨率（常用√）

10萬(wàn)（CIF）352×28830萬(wàn)（VGA）640×480(√)35萬(wàn)（VGA）648×488

50萬(wàn)（SVGA）800×600

80萬(wàn)（XGA）1024×768

(√)

130萬(wàn)（SXGA）1280×960(√)

200萬(wàn)1600×1200

(√)

310萬(wàn)2048×1536

430萬(wàn)2400×1800

500萬(wàn)2560×1920(√)

600萬(wàn)3000×2000

800萬(wàn)3264×24881100萬(wàn)4080×27201400萬(wàn)4536×3024常用分辨率（常用√）

800萬(wàn)3264×248811CCD傳感器和CMOS傳感器的英寸尺寸是晶元尺寸。CCD傳感器和CMOS傳感器的英寸尺寸是晶元尺寸。2/3英寸CCD傳感器8.8mm640像素6.6mm

480像素每像素的尺寸：8.8/640或6.6/480=0.01375mm2/3英寸CCD傳感器8.8mm6.6mm480像素每像素機(jī)器視覺(jué)第二章課件機(jī)器視覺(jué)第二章課件2.1.4相機(jī)的性能

對(duì)于工業(yè)相機(jī)來(lái)講，相機(jī)的性能參數(shù)與噪聲有很大關(guān)系，所以可以用信噪比SNR來(lái)衡量相機(jī)的性能（信噪比高的相機(jī)性能較好）。2.1.4相機(jī)的性能

對(duì)于工業(yè)相機(jī)來(lái)講，相機(jī)的

2.1.5相機(jī)-計(jì)算機(jī)接口

相機(jī)獲得圖像之后轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)。

對(duì)于模擬信號(hào)在相機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的傳遞需要在計(jì)算機(jī)中安裝一塊通常稱(chēng)為圖像采集卡的專(zhuān)用接口卡。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)的傳遞，也需要圖像采集卡如IEEE1394卡、USB卡和千兆網(wǎng)卡。

2.1.5相機(jī)-計(jì)算機(jī)接口

相機(jī)獲得圖像之后(1)模擬視頻信號(hào)

模擬視頻標(biāo)準(zhǔn)制定于20實(shí)際40年代，且制作模擬相機(jī)的器件比較便宜。因此許多相機(jī)還是采用模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳輸。EIA-170和CCIR是黑白的視屏標(biāo)準(zhǔn)，而PAL和NTSC是彩色視屏標(biāo)準(zhǔn)。(1)模擬視頻信號(hào)

模擬視頻標(biāo)準(zhǔn)制定于20實(shí)際（2）數(shù)字視頻信號(hào)：CameraLink

CameraLink是機(jī)器視覺(jué)工業(yè)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

CameraLink規(guī)范的基本技術(shù)是低電壓差分信號(hào)技術(shù)LVDS。LVDS傳輸兩個(gè)不同的電壓，在接收端

進(jìn)行比較。不同

的差值對(duì)應(yīng)于不

同的編碼。

LVDS的優(yōu)點(diǎn)是

傳輸?shù)乃俣确浅?/p>

快。（2）數(shù)字視頻信號(hào)：CameraLink

CCameraLink是由驅(qū)動(dòng)器和接收器對(duì)組成。驅(qū)動(dòng)器是相機(jī)上的一個(gè)芯片，可以接受28個(gè)單向的數(shù)據(jù)信號(hào)和一個(gè)單向的時(shí)鐘信號(hào)，將數(shù)據(jù)按7:1串行傳輸。也就是將28個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)用4對(duì)信號(hào)線按LVDS傳輸。時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)第五對(duì)信號(hào)線傳輸。接收器是在圖像采集卡上的類(lèi)似芯片，接受4組信號(hào)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)數(shù)據(jù)，還原成28個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)。CameraLink規(guī)定了28個(gè)數(shù)據(jù)中有4個(gè)有效信號(hào)（幀有效、行有效、數(shù)據(jù)有效機(jī)一個(gè)備用信號(hào)）。因此，還有24位數(shù)據(jù)可以使用同一片芯片傳輸，芯片的傳輸速度85MHz，因此數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)255MB/s。CameraLink是由驅(qū)動(dòng)器和接收器對(duì)組成

CameraLink規(guī)范成為包含線陣相機(jī)、高速或高分辨率面陣相機(jī)在內(nèi)的高速數(shù)字圖像采集的標(biāo)準(zhǔn)。

由于這一標(biāo)準(zhǔn)

太過(guò)強(qiáng)大而使得計(jì)

算機(jī)端需要額外的

圖像采集卡來(lái)完成

圖像的重構(gòu)。因此

成本增加。CameraLink規(guī)范成為包含線陣相機(jī)、高

（3）數(shù)字視頻信號(hào)IEEE1394

IEEE1394又稱(chēng)作火線，是高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)。最初的標(biāo)準(zhǔn)IEEE1394頌布于1995年，規(guī)定數(shù)據(jù)量為93.304Mb/s、196.608Mb/s和393.216Mb/s，也就是12.288MB/s、24.576MB/s和49.152MB/s。

（3）數(shù)字視頻信號(hào)IEEE1394

IEE

IEEE1394傳輸時(shí)使用2對(duì)雙絞線傳輸信號(hào)、一根電纜用于電源、一根用于地線如圖2.7所示[3]。因此，對(duì)于低功耗的電器可以直接使用電纜提供的電源而不需要額外提供電源。IEEE1394傳輸時(shí)使用2對(duì)雙絞線傳輸信號(hào)

1394a增加了其他分類(lèi)，包括不含電源的4針連接方式。最新版本的IEEE1394b定義了800Mb/s和1600Mb/s數(shù)率以及3200Mb/s結(jié)構(gòu)（。同時(shí)也對(duì)9針接插件和光纜接口以及電纜做了規(guī)定。

IDCC是貿(mào)易學(xué)會(huì)儀器和工業(yè)控制小組數(shù)字相機(jī)分組對(duì)IEEE1394針對(duì)工業(yè)相機(jī)修訂而成的。IIDC定義了多種視頻輸出格式，包括分辨率、幀率以及傳輸?shù)南袼氐臄?shù)據(jù)格式。另外，IIDC還規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)控制相機(jī)的設(shè)置，比如曝光時(shí)間（IIDC中稱(chēng)為快門(mén)）、光圈、增益、外觸發(fā)、外觸發(fā)延時(shí)及相機(jī)的上、下、左、右旋轉(zhuǎn)等等。1394a增加了其他分類(lèi)，包括不含電源的4針連（4）數(shù)字視頻信號(hào)：USB2.0

USB2.0支持的傳輸速度最大為60M/s，可以應(yīng)用范圍內(nèi)很好地地滿足機(jī)器視覺(jué)的需求。USB使用4針插件，一對(duì)電纜用于信號(hào)的傳輸，另外兩根電纜中一根用于電源另一根用于接地。

USB使用4針接插件，一對(duì)電纜用于信號(hào)傳輸，另外兩個(gè)電纜分別用于電源和地線。因此，對(duì)于低功耗的電器可以使用電纜提

供的電源而無(wú)需額外接電源。

USB規(guī)范不包括機(jī)器視覺(jué)的要

求。因此，機(jī)器視覺(jué)的USB廠商通

常使用自己的傳輸協(xié)議和設(shè)備驅(qū)動(dòng)

來(lái)傳輸圖像。（4）數(shù)字視頻信號(hào)：USB2.0

USB2.（5）數(shù)字視頻信號(hào)：GigabitEthernet千兆網(wǎng)

千兆以太網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于高速率（1Gb/s）機(jī)器視覺(jué)。2006年機(jī)器視覺(jué)相機(jī)應(yīng)用層協(xié)議得以標(biāo)準(zhǔn)化，并稱(chēng)為GigEVision。此標(biāo)準(zhǔn)明確指出該標(biāo)準(zhǔn)可以用于更低或更高的以太網(wǎng)速度。

GigEVision標(biāo)準(zhǔn)定義了相機(jī)最多可以有4個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。如果與其所接的計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)也有4個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，數(shù)率可以相應(yīng)地增加4倍。另外一個(gè)吸引人的地方就是由于被廣泛使用，所以其電纜、接插件有便宜又容易獲得。

缺點(diǎn)是電纜上沒(méi)有電源，因此相機(jī)需要額外的電源。另一個(gè)缺點(diǎn)是以太網(wǎng)不可以像IEEE1394和USB那樣設(shè)備可以在總線上宣布存在。（5）數(shù)字視頻信號(hào)：GigabitEthernet千兆網(wǎng)2.2鏡頭

攝影光學(xué)系統(tǒng)是將空間物體成像于感光膠片或圖像傳感器的光學(xué)系統(tǒng)，也稱(chēng)為鏡頭。

2.2鏡頭

攝影光學(xué)系統(tǒng)是將空間物體成像于感光2.2.1針孔攝相機(jī)

如果忽略光的波粒二象性，我們可以用下圖來(lái)表示針孔相機(jī)的成像模型。

其中h為物體的高度，c為像平面到投影中心的距離稱(chēng)為相機(jī)常數(shù)或主距，s為物體到投影中心的距離。物體像平面投影中心2.2.1針孔攝相機(jī)

如果忽略光的波粒二象性，傳感器尺寸傳感器相機(jī)景深工作距離視野或視場(chǎng)分辨率傳感器尺寸傳感器相機(jī)景深工作距離視野或視場(chǎng)分辨率2.2.2鏡頭－鏡頭的理想模型薄透鏡模型，薄透鏡是指透鏡沒(méi)有厚度，當(dāng)然這種透鏡是不存在的，而且我們一般用的鏡頭都是多組鏡片組合在一起的。我們通常使用中會(huì)忽略厚度對(duì)透鏡的影響，在去除透鏡參數(shù)中的厚度后，可簡(jiǎn)化許多光學(xué)計(jì)算公式。2.2.2鏡頭－鏡頭的理想模型薄透鏡模型，薄透鏡是指透鏡沒(méi)(1)鏡頭的性能參數(shù)

鏡頭的基本光學(xué)性能由焦距、相對(duì)孔徑（入瞳直徑與焦距之比）和視場(chǎng)角三個(gè)特征參數(shù)決定。

焦距

決定了像的大小。

當(dāng)物體在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，

接受面的對(duì)角線

的一半。(1)鏡頭的性能參數(shù)

鏡頭的基本光學(xué)性能由焦距焦距，是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指平行光入射時(shí)從透鏡光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離。焦距，是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指平行光入射相對(duì)孔徑

相對(duì)孔徑是鏡頭的重要參數(shù)，用鏡頭的有效孔徑d和焦距f之比表示。相對(duì)孔徑是個(gè)比值。相對(duì)孔徑的大小表示鏡頭納光的多少，反應(yīng)了光照度的大小。

相對(duì)孔徑的倒數(shù)稱(chēng)光孔號(hào)碼或光圈系數(shù)。最大的相對(duì)孔徑刻在鏡頭上。如1：2.8或1：4等。

根據(jù)相對(duì)孔徑的大小可以把鏡頭分為弱光、普通、強(qiáng)光鏡頭。相對(duì)孔徑

相對(duì)孔徑是鏡頭的重要參數(shù)，用鏡頭的有

在鏡頭中設(shè)有專(zhuān)門(mén)的孔徑光闌，它的作用是限制進(jìn)入物鏡的光通量，決定像的照度?？讖焦怅@可以連續(xù)調(diào)節(jié)，從而獲得多種相對(duì)孔徑。在物鏡的外殼上標(biāo)出各檔光圈數(shù)F。在鏡頭中設(shè)有專(zhuān)門(mén)的孔徑光闌，它的作用是限制進(jìn)入物視場(chǎng)角

視場(chǎng)角決定了其可以拍攝到的范圍大小。視場(chǎng)角視場(chǎng)角

視場(chǎng)角決定了其可以拍攝到的范圍大小。視視場(chǎng)的大小可以通過(guò)視場(chǎng)光闌（接受面的大?。┖顽R頭的焦距求出。視場(chǎng)的大小可以通過(guò)視場(chǎng)光闌（接受面的大?。┖顽R圖像的照度是由鏡頭的F數(shù)和曝光時(shí)間所決定的。

根據(jù)景物條件，有時(shí)需首先確定F數(shù)（光圈優(yōu)先），有時(shí)需優(yōu)先確定曝光時(shí)間（快門(mén)優(yōu)先），但都要使F數(shù)和曝光時(shí)間相匹配。圖像的照度是由鏡頭的F數(shù)和曝光時(shí)間所決定的。

(3)鏡頭的景深和幾何焦深

1景深

景深指當(dāng)調(diào)焦于某一對(duì)象時(shí)，前后能成清晰像的空間深度。(3)鏡頭的景深和幾何焦深

1景深

景深指當(dāng)調(diào)焦(3)焦深（焦點(diǎn)深度）

在保持圖像清晰的前提下，焦點(diǎn)（焦平面）沿著鏡頭光軸所允許移動(dòng)的距離。(3)焦深（焦點(diǎn)深度）

在保持圖像清晰的前提(4)分辨率

鏡頭的分辨率是以焦面上每毫米能分辨開(kāi)的黑白相間的條紋來(lái)表征。根據(jù)對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)兩點(diǎn)可被理想系統(tǒng)分辨開(kāi)的最小分辨角公式，在鏡頭焦平面上能分辨開(kāi)的兩條紋之間的相應(yīng)間距。其倒數(shù)即為物鏡的分辨率。

鏡頭的分辨率與相對(duì)孔徑成正比。

分辨率是衡量鏡頭的像質(zhì)指標(biāo)之一。

對(duì)于裝配好的鏡頭可用鑒別率板來(lái)檢驗(yàn)。(4)分辨率

鏡頭的分辨率是以焦面上每毫米能鑒別率板鑒別率板畸變通過(guò)標(biāo)定來(lái)校正?；儼垂鈱W(xué)放大倍率及焦距劃分常規(guī)鏡頭：魚(yú)眼鏡頭：6-16mm超廣角：17-21mm廣角：24-35mm標(biāo)頭：45-75mm長(zhǎng)焦：150-300mm超長(zhǎng)焦：300mm以上特殊鏡頭：微距鏡頭、遠(yuǎn)距鏡頭、遠(yuǎn)心鏡頭、紅外鏡頭、紫外鏡頭按光學(xué)放大倍率及焦距劃分按其它性能劃分固定焦距鏡頭變焦鏡頭自動(dòng)變焦手動(dòng)變焦不同接口方式的鏡頭C接口（后截距17.526mm）CS接口（后截距12.5mm）F接口（尼康口）M42其它：哈蘇、徠卡、AK按其它性能劃分CS接口和C接口所有的鏡頭均是螺紋口的，有兩種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即C接口（安裝座）和CS接口。兩者螺紋部分相同，但兩者從鏡頭到感光表面的距離不同。C接口從鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點(diǎn)的距離是17.526mm。CS接是12.5mm。CS接口和C接口CS接口安裝C接口，應(yīng)將相機(jī)前部安裝座的墊圈取下再安裝鏡頭。將一個(gè)C安裝座鏡頭安裝到一個(gè)CS安裝座上時(shí)，則需要使用鏡頭轉(zhuǎn)換器CS接口安裝C接口，應(yīng)將相機(jī)前部安裝座的墊圈取下再安裝鏡頭。例子，要給硬幣檢測(cè)成像系統(tǒng)選配鏡頭，硬幣大小25mm，工作距離大于50mm，系統(tǒng)分辨率0.05mm。例子，要給硬幣檢測(cè)成像系統(tǒng)選配鏡頭，硬幣大小25mm，工作距h=6.6mmL=50mmH=25mm焦距F=L/H*h=13.2mm，選擇的鏡頭要求焦距應(yīng)該大于14mm。選擇配

2/3英寸CCD傳感器相機(jī)h=6.6mmL=50mmH=25mm焦距F=L/H*h=h=6.6mmL=50mmH=25mm分辨率0.05mm像素?cái)?shù)=H/0.05=50050萬(wàn)（SVGA）800×600

80萬(wàn)（XGA）1024×768

h=6.6mmL=50mmH=25mm分辨率0.05mm像素常用分辨率（常用√）

10萬(wàn)（CIF）352×28830萬(wàn)（VGA）640×480(√)35萬(wàn)（VGA）648×488

50萬(wàn)（SVGA）800×600

80萬(wàn)（XGA）1024×768

(√)

130萬(wàn)（SXGA）1280×960(√)

200萬(wàn)1600×1200

(√)

310萬(wàn)2048×1536

430萬(wàn)2400×1800

500萬(wàn)2560×1920(√)

600萬(wàn)3000×2000

800萬(wàn)3264×24881100萬(wàn)4080×27201400萬(wàn)4536×3024常用分辨率（常用√）

800萬(wàn)3264×2488112.2.3濾光鏡

濾光鏡就是拍攝時(shí)放在鏡頭前面的一塊玻璃片或者塑料片。2.2.3濾光鏡

濾光鏡就是拍攝時(shí)放在鏡頭前面的濾光鏡的作用是按照規(guī)定的需要改變?nèi)肷涔獾墓庾V強(qiáng)度分布或者使其偏振狀態(tài)發(fā)生變化。

濾光鏡的原理就光學(xué)行為而言，主要是透射、反射、偏振、密度衰減和散射等。

濾光鏡的種類(lèi)繁多，在機(jī)器視覺(jué)中常用的有：

?用于提高圖像對(duì)比度的對(duì)比濾光鏡；

?用于吸收紫外線的紫外線濾光鏡（UV）；

?用于減少鏡頭進(jìn)光量的中色濾光鏡（ND）；

?用于紅外攝影的紅外濾光鏡。濾光鏡的作用是按照規(guī)定的需要改變?nèi)肷涔獾墓庾V強(qiáng)度2.3光源

在機(jī)器視覺(jué)中，光源的質(zhì)量會(huì)影響圖像的質(zhì)量進(jìn)而影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的質(zhì)量。

在機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中一般使用透射光和反射光。

透射光是指光線透過(guò)被測(cè)量的物體被相機(jī)接收的光線。反射光是指光線在被測(cè)物體上發(fā)生漫反射被相機(jī)接收的光線。葉綠素的丙酮提取液在呈紅色綠色2.3光源

在機(jī)器視覺(jué)中，光源的質(zhì)量會(huì)影響圖像的2.3.1對(duì)光源的要求

光源照明系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單地照亮物體，而是要符合以下要求：

1、要盡可能地凸顯出物體的特征量。如檢測(cè)劃痕，就要突出劃痕的特征。這與光源和照明方式都有關(guān)系。

2、突出感興趣的區(qū)域，增強(qiáng)感興趣區(qū)域與非感興趣區(qū)域的對(duì)比度。只有對(duì)比度好，圖像的質(zhì)量才會(huì)好，才能有效地分割目標(biāo)。

3、應(yīng)保證足夠的整體亮度。

4、物體位置的變化不影響成像的質(zhì)量。檢測(cè)的物體往往是運(yùn)動(dòng)的，或者測(cè)物的定位不是十分準(zhǔn)確，這就要求物體的位置變換不會(huì)影響照明效果。2.3.1對(duì)光源的要求

光源照明系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單地如檢測(cè)劃痕，就要突出劃痕的特征。這與光源和照明方式都有關(guān)系。如檢測(cè)劃痕，就要突出劃痕的特征。這與光源和照明方式2.3.2常用光源類(lèi)型

常見(jiàn)可見(jiàn)光光源分為普通光源和新型光源。

普通光源包括熱輻射光源和氣體放電光源，如白熾燈、汞燈、鈉光燈等。

普通光源的優(yōu)點(diǎn)：能夠滿足檢測(cè)的需要、容易獲取且性?xún)r(jià)比高。

普通光源的缺點(diǎn)：光源不穩(wěn)定，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，光量會(huì)下降，受環(huán)境光的影響較大，有時(shí)需要加防護(hù)屏。2.3.2常用光源類(lèi)型

常見(jiàn)可見(jiàn)光光源分為普通光1、 普通光源

（1）鎢絲白熾燈

鎢燈絲是白熾燈的重要部件。鎢燈絲即鎢電阻，在電壓一定的情況下，鎢電阻決定了通過(guò)白熾燈的電流，從而決定了白熾燈的電功率。而電功率越大,白熾燈的發(fā)光效率越大、光通量越大從而使得發(fā)光強(qiáng)度越大。

而鎢電阻的大小是有其長(zhǎng)度、

半徑和溫度決定的。所以，

鎢絲白熾燈作為機(jī)器視覺(jué)

光源不穩(wěn)定。1、 普通光源

（1）鎢絲白熾燈

鎢燈絲是白熾燈（2）鹵鎢燈

鹵鎢燈是一種加入鹵族元素的白熾燈。由于白熾燈的鎢燈絲在高溫時(shí)會(huì)蒸發(fā)而粘在燈泡內(nèi)表面使燈泡變黑從而使得白熾燈的溫度不能太高，發(fā)光效率降低。在燈泡中加入鹵族元素之后，它們可以使粘在燈

泡內(nèi)表面的鎢形成化合物。

當(dāng)這些化合物回到燈絲附

近時(shí)遇到高溫分解而使得

鎢回到燈絲上，燈泡不發(fā)

黑。所以，鹵鎢燈可以在

比較高的溫度下發(fā)光。（2）鹵鎢燈

鹵鎢燈是一種加入鹵族元素的白熾燈。（3）氣體放電燈

氣體放電燈分為兩種，一種充入的是稀有氣體，另一種充入的是金屬蒸汽。其原理是當(dāng)加在氣體中的電壓較小時(shí)，只有少量的氣體被電離形成暗電流而當(dāng)電壓不斷增大（超過(guò)氣體電流達(dá)到飽和時(shí)所需的電壓），粒子碰撞的次數(shù)急劇增加使得正

離子高速撞擊陰極

產(chǎn)生二次電子、電

流急劇增大、產(chǎn)生

輝光發(fā)光現(xiàn)象。（3）氣體放電燈

氣體放電燈分為兩種，一種充入的氣體放電燈的特點(diǎn)：

1發(fā)光效率高。

2壽命長(zhǎng)。

3能維持穩(wěn)定的發(fā)光強(qiáng)度。

4由于氣體放電燈所發(fā)出的光是受激的原子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的過(guò)程中輻射出來(lái)的，所以其光譜不連續(xù)而且可以通過(guò)選擇輻射原子的種類(lèi)來(lái)獲取不同頻率的光。氣體放電燈的特點(diǎn)：

1發(fā)光效率高。

2、新型光源

新型光源包括場(chǎng)致發(fā)光光源（半導(dǎo)體光源）、物理光源，如LED、激光光源等。

常見(jiàn)的激光光源和LED光源。

（1）激光光源

激光光源的特點(diǎn)是單色性好、方向性強(qiáng)、相干性好、發(fā)光強(qiáng)度

極高?？稍诮Y(jié)構(gòu)光測(cè)

量中作為光源使用。2、新型光源

新型光源包括場(chǎng)致發(fā)光光源（半導(dǎo)體光（2）LED光源

LED光源最常用。主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1效率高，可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換率，使用壽命長(zhǎng)，LED的理論壽命為10萬(wàn)小時(shí)以上。

2體積小，重量輕；另外，由于LED光源是采用多顆LED排列而成，可以設(shè)計(jì)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的光源照射角度。

3有多種顏色可選，包括紅、綠、藍(lán)、白，還有紅外、紫外。針對(duì)不同檢測(cè)物體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色，也就是不同波長(zhǎng)的光源，達(dá)到理想效果。

4光源單色性好。（2）LED光源

LED光源最常用。主要有如下幾2.3.3光源類(lèi)型

（1）均勻背景光源

（2）穹形光源

（3）環(huán)形光源

（4）同軸光源2.3.3光源類(lèi)型

（1）均勻背景光源

（2）穹形光源

（3（1）均勻背景光源

用鈉光燈或LED制成的發(fā)光均勻面光源。在視覺(jué)測(cè)量應(yīng)用中從背面照射，用來(lái)形成不透明體的陰影或觀察物體內(nèi)部。

（1）均勻背景光源

用鈉光燈或LED制成的發(fā)光均機(jī)器視覺(jué)第二章課件（2）穹形光源

穹形光源通過(guò)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視覺(jué)效果，其均勻性和穩(wěn)定性非常突出。

（2）穹形光源

穹形光源通過(guò)把LED的發(fā)光集中到穹形光源適用于透明物體內(nèi)部或立體物體的表面檢測(cè)，如玻璃瓶、滾珠、小工件表面。還適用于工作距離大于20mm的物體的照明應(yīng)用，如印制字符檢測(cè)，PCB元器件、塑料或鋁制容器、標(biāo)簽等。穹形光源適用于透明物體內(nèi)部或立體物體的表面檢測(cè)，（3）環(huán)形光源

環(huán)形光源采用LED組裝而成的，如圖2.19所示。光源的尺寸和光線角度等的選擇直接依賴(lài)與被測(cè)工件的光學(xué)性質(zhì)。環(huán)形光源有兩種照明方式：一種是光線與光軸近視平行如圖2.20所示。另一種照明方式是光線的方向與相機(jī)觀察的方向垂直或接近垂直，從而實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度，如暗場(chǎng)照明。

環(huán)形光源多用于金屬

工件刻印字符、光滑表面

劃痕、瓶口尺寸或裂痕、

平面工件表面質(zhì)量檢測(cè)。（3）環(huán)形光源

環(huán)形光源采用LED組裝而成的，如環(huán)形光源照明方式（光線與光軸近視平行）環(huán)形照明方式（光線方向與相機(jī)觀察方向垂直或接近垂直）環(huán)形光源照明方式（光線與光軸近視平行）環(huán)形照明方式（光線方向（4）同軸光源

同軸光源就是光線的方向與相機(jī)的觀察發(fā)現(xiàn)平行的光源。從圖可以看出，LED的光線高度均勻的通過(guò)半透射半反射鏡后，光線方向與相機(jī)的觀察方向平行。這樣的光路簡(jiǎn)單，可以避免由于光源的放置所帶來(lái)的不必要麻煩。

同軸光源

多用于均勻

照射具有反

射性的工作

界面。（4）同軸光源

同軸光源就是光線的方向與相機(jī)的觀2.3.4照明的方式

光源的照明方式是指采用各種不同類(lèi)型的光源，對(duì)被測(cè)物進(jìn)行照明的光源布置類(lèi)型和過(guò)程。

1、直接照明和間接照明

2、前向照明和背向照明

3、明場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明

4、同軸照明、平行照明和散射照明2.3.4照明的方式

光源的照明方式是指采用各種1、 直接照明和間接照明

機(jī)器視覺(jué)照明系統(tǒng)中的照明方式可分為直接照明和間接照明。

（1）直接照明

直接照明是指光線從光源直接射向被測(cè)物并從被測(cè)物反射到鏡頭的照明方式，例如采用LED的沐光方式。

（2）間接照明

間接照明與直接照明相反，光線沒(méi)有從光源直接射向被測(cè)物并從被測(cè)物反射到鏡頭的照明方式，例如暗場(chǎng)照明、散射照明。1、 直接照明和間接照明

機(jī)器視覺(jué)照明系統(tǒng)中的2、前向照明和背向照明前向照明：光源和相機(jī)位于被測(cè)零件的同一側(cè)，安裝方便。低角度照明（<25o）高角度照明（>75o）2、前向照明和背向照明前向照明中，光源與被測(cè)物之間可以有一定的夾角。主要用于檢測(cè)物體表面的重要細(xì)節(jié)特征、缺陷和劃痕。通過(guò)調(diào)整照明角度可以凸現(xiàn)不同的特征和細(xì)節(jié)。前向照明中，光源與被測(cè)物之間可以有一定的夾角。3、明場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明

（1）明場(chǎng)照明

（2）暗場(chǎng)照明

3、明場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明

（1）明場(chǎng)照明

（2）暗場(chǎng)照明

3、明場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明

（1）明場(chǎng)照明

明場(chǎng)照明又稱(chēng)明視場(chǎng)照明，是指用直射光觀察整體，攝像頭收集到的光是物體的反射光。明場(chǎng)照明由于能夠清楚地顯現(xiàn)表面特征，因此可以用于檢測(cè)表面光滑的物體。

（2）暗場(chǎng)照明

暗場(chǎng)照明又稱(chēng)暗視場(chǎng)照明，是指用散射光來(lái)觀察物體的整體，散射光呈黑色。相機(jī)收集到的光是物體的散射光。

3、明場(chǎng)照明和暗場(chǎng)照明

（1）明場(chǎng)照明

明場(chǎng)照明

4、同軸照明、平行照明和散射照明

（1）同軸照明

常見(jiàn)同軸光源直接照射到分光鏡上，分光鏡把光線反射到被測(cè)物體上，從物體反射回來(lái)的光線與攝像頭同軸。

同軸照明對(duì)于觀察非常平整或拋光的表面非常理想，能夠加強(qiáng)有差異角度的表面特征，增強(qiáng)表面紋理，減少陰影。同軸照明主要用于金屬玻璃等光潔表面的劃痕和瑕疵檢測(cè)，芯片和硅片的破損檢測(cè)。

4、同軸照明、平行照明和散射照明

（1）同軸照明

（2）平行照明與散光照明

1平行光照明

沿軸向使用平行光照明，適當(dāng)控制光線的入射角，使反射不能直接進(jìn)入鏡頭，而是被柱面反射到其他方向。一般情況下入射角不能小于45度。大多數(shù)應(yīng)用中，需要兩個(gè)光源，右邊的光源照明左半部分，左邊的光源照明有半部分。，中間一定有重疊的。對(duì)于較小的目標(biāo)，只用一個(gè)光源就能滿足要求，只是照明的均勻程度不如兩個(gè)光源的效果好。近視平行光沿軸方向以一定角度入射，使反射光不能進(jìn)入鏡頭，只有缺陷或被測(cè)特征引起的散射光進(jìn)入鏡頭成像。（2）平行照明與散光照明

1平行光照明

沿軸2散射光照明

使用散射照明，也叫漫散光照明。其基本原理是如果能夠使各個(gè)方向進(jìn)入鏡頭的反射光均勻，那么發(fā)射光引起的反射斑就被消除了。

2散射光照明

使用散射照明，也叫漫散光照明。作業(yè)1下載并安裝VisualStudio2010，/軟件/編程開(kāi)發(fā)/VisualStudio/，[VisualStudio2010x86簡(jiǎn)體中文旗艦MSDN版]cn_visual_studio_2010_ultimate_x86_dvd_532347.iso，2.5G；2學(xué)習(xí)寫(xiě)一個(gè)對(duì)話框程序。作業(yè)1下載并安裝VisualStudio2010，ft第二章機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成一般機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)：

相機(jī)、鏡頭、光源、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)第二章機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成一般機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)：

相

2.1（工業(yè)）相機(jī)

相機(jī)的作用是使匯聚在像平面的光線生成圖像。

相機(jī)中最為重要的部件是數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器有CCD傳感器和CMOS傳感器。這兩種傳感器的不同點(diǎn)是由于其自身的結(jié)構(gòu)不同而使得其對(duì)數(shù)據(jù)的讀出方式不同。

CCD傳感器相機(jī)適合高速動(dòng)態(tài)；

CMOS傳感器相機(jī)適合低速動(dòng)態(tài)或靜止。

2.1（工業(yè)）相機(jī)

相機(jī)的作用是使匯聚在像平

2.1.1CCD傳感器

Charge-coupled

Device，中文全稱(chēng)：電荷耦合元件。

線陣CCD傳感器

面陣CCD傳感器

全幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD傳感器

隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD傳感器

2.1.1CCD傳感器

Charge-c線陣CCD傳感器只能生成高度為1行的圖像，因此常通過(guò)多行組成二位圖像。為了得到有效圖像，線陣CCD必須相對(duì)于被測(cè)物做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一種方法是將傳感器安裝在運(yùn)動(dòng)的被測(cè)物體上方。第二種是被測(cè)物體不動(dòng)而傳感器運(yùn)動(dòng)如平板掃描儀。線陣CCD傳感器只能生成高度為1行的圖像，因此全幀型面陣CCD傳感器的原理是光在光電探測(cè)器中轉(zhuǎn)化為電荷，電荷按行轉(zhuǎn)移到串行讀出寄存器，之后轉(zhuǎn)移到電荷轉(zhuǎn)化單元轉(zhuǎn)化為電壓并放大。全幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD傳感器優(yōu)點(diǎn)是填充因子達(dá)到100%。這個(gè)填充因子使得像素的光靈敏度最大，圖像失真最小；缺點(diǎn)是成本高。全幀型面陣CCD傳感器的原理是光在光電探測(cè)器中轉(zhuǎn)化為隔列轉(zhuǎn)移型傳感器由漏極、光電探測(cè)器、屏蔽垂直轉(zhuǎn)移寄存器、串行讀出寄存器和電荷轉(zhuǎn)化單元組成。圖像曝光后，累積的電荷通過(guò)門(mén)電路轉(zhuǎn)移到屏蔽垂直轉(zhuǎn)移寄存器。電荷再通過(guò)屏蔽垂直轉(zhuǎn)移寄存器轉(zhuǎn)移到串行讀出寄存器。隔列轉(zhuǎn)移型傳感器由漏極、光電探測(cè)器、屏蔽垂直轉(zhuǎn)隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD傳感器的優(yōu)點(diǎn)是圖像沒(méi)有拖影；缺點(diǎn)是填充因子低。為了提高填充因子，常在傳感器上加微鏡頭使光聚集到光電探測(cè)器上。隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD傳感器的優(yōu)點(diǎn)是圖像沒(méi)有拖影2.1.2

CMOS傳感器

CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor），互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。

CMOS傳感器中光電探測(cè)器通常為光電二極管。與CCD傳感器不同的是，CMOS傳感器中的每個(gè)光電探測(cè)器不是按順序讀出的，而是通過(guò)行和列選擇開(kāi)關(guān)直接選擇并讀出。CMOS傳感器里的每個(gè)像素都有獨(dú)立的放大器，這種傳感器也稱(chēng)為主動(dòng)傳感器（APS）。由于CMOS傳感器常用于數(shù)字視頻輸出，所以每個(gè)像素通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換并行地轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。2.1.2CMOS傳感器

CMOS（Com機(jī)器視覺(jué)第二章課件相對(duì)于CCD傳感器，CMOS傳感器的隨機(jī)讀取特性使其容易實(shí)現(xiàn)圖像的矩形感興趣區(qū)域（AOI）讀出方式。這一特性使得CMOS能針對(duì)較小的AOI時(shí)可以獲得更高的幀率。

CMOS傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)就是，讀出速度快。

CMOS傳感器的缺點(diǎn)是填充因子很低，通常使用微鏡來(lái)提高其填充因子。。相對(duì)于CCD傳感器，CMOS傳感器的隨機(jī)讀取特性2.1.3傳感器的尺寸

CCD傳感器和CMOS傳感器以英寸為單位。2.1.3傳感器的尺寸

CCD傳感器和CMOS傳像素像素（Pixel）是由Picture（圖像）和Element（元素）這兩個(gè)單詞的字母所組成的，是用來(lái)表示數(shù)字圖像的一種基本單位。放大數(shù)字圖像后，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)字圖像是由一些些小方點(diǎn)構(gòu)成。這些小方點(diǎn)就是構(gòu)成數(shù)字圖像的最小單位像素。

像素 常用分辨率（常用√）

10萬(wàn)（CIF）352×28830萬(wàn)（VGA）640×480(√)35萬(wàn)（VGA）648×488

50萬(wàn)（SVGA）800×600

80萬(wàn)（XGA）1024×768

(√)

130萬(wàn)（SXGA）1280×960(√)

200萬(wàn)1600×1200

(√)

310萬(wàn)2048×1536

430萬(wàn)2400×1800

500萬(wàn)2560×1920(√)

600萬(wàn)3000×2000

800萬(wàn)3264×24881100萬(wàn)4080×27201400萬(wàn)4536×3024常用分辨率（常用√）

800萬(wàn)3264×248811CCD傳感器和CMOS傳感器的英寸尺寸是晶元尺寸。CCD傳感器和CMOS傳感器的英寸尺寸是晶元尺寸。2/3英寸CCD傳感器8.8mm640像素6.6mm

480像素每像素的尺寸：8.8/640或6.6/480=0.01375mm2/3英寸CCD傳感器8.8mm6.6mm480像素每像素機(jī)器視覺(jué)第二章課件機(jī)器視覺(jué)第二章課件2.1.4相機(jī)的性能

對(duì)于工業(yè)相機(jī)來(lái)講，相機(jī)的性能參數(shù)與噪聲有很大關(guān)系，所以可以用信噪比SNR來(lái)衡量相機(jī)的性能（信噪比高的相機(jī)性能較好）。2.1.4相機(jī)的性能

對(duì)于工業(yè)相機(jī)來(lái)講，相機(jī)的

2.1.5相機(jī)-計(jì)算機(jī)接口

相機(jī)獲得圖像之后轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)或者數(shù)字信號(hào)。

對(duì)于模擬信號(hào)在相機(jī)和計(jì)算機(jī)之間的傳遞需要在計(jì)算機(jī)中安裝一塊通常稱(chēng)為圖像采集卡的專(zhuān)用接口卡。

對(duì)于數(shù)字信號(hào)的傳遞，也需要圖像采集卡如IEEE1394卡、USB卡和千兆網(wǎng)卡。

2.1.5相機(jī)-計(jì)算機(jī)接口

相機(jī)獲得圖像之后(1)模擬視頻信號(hào)

模擬視頻標(biāo)準(zhǔn)制定于20實(shí)際40年代，且制作模擬相機(jī)的器件比較便宜。因此許多相機(jī)還是采用模擬信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳輸。EIA-170和CCIR是黑白的視屏標(biāo)準(zhǔn)，而PAL和NTSC是彩色視屏標(biāo)準(zhǔn)。(1)模擬視頻信號(hào)

模擬視頻標(biāo)準(zhǔn)制定于20實(shí)際（2）數(shù)字視頻信號(hào)：CameraLink

CameraLink是機(jī)器視覺(jué)工業(yè)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

CameraLink規(guī)范的基本技術(shù)是低電壓差分信號(hào)技術(shù)LVDS。LVDS傳輸兩個(gè)不同的電壓，在接收端

進(jìn)行比較。不同

的差值對(duì)應(yīng)于不

同的編碼。

LVDS的優(yōu)點(diǎn)是

傳輸?shù)乃俣确浅?/p>

快。（2）數(shù)字視頻信號(hào)：CameraLink

CCameraLink是由驅(qū)動(dòng)器和接收器對(duì)組成。驅(qū)動(dòng)器是相機(jī)上的一個(gè)芯片，可以接受28個(gè)單向的數(shù)據(jù)信號(hào)和一個(gè)單向的時(shí)鐘信號(hào)，將數(shù)據(jù)按7:1串行傳輸。也就是將28個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)用4對(duì)信號(hào)線按LVDS傳輸。時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)第五對(duì)信號(hào)線傳輸。接收器是在圖像采集卡上的類(lèi)似芯片，接受4組信號(hào)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)數(shù)據(jù)，還原成28個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)。CameraLink規(guī)定了28個(gè)數(shù)據(jù)中有4個(gè)有效信號(hào)（幀有效、行有效、數(shù)據(jù)有效機(jī)一個(gè)備用信號(hào)）。因此，還有24位數(shù)據(jù)可以使用同一片芯片傳輸，芯片的傳輸速度85MHz，因此數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)255MB/s。CameraLink是由驅(qū)動(dòng)器和接收器對(duì)組成

CameraLink規(guī)范成為包含線陣相機(jī)、高速或高分辨率面陣相機(jī)在內(nèi)的高速數(shù)字圖像采集的標(biāo)準(zhǔn)。

由于這一標(biāo)準(zhǔn)

太過(guò)強(qiáng)大而使得計(jì)

算機(jī)端需要額外的

圖像采集卡來(lái)完成

圖像的重構(gòu)。因此

成本增加。CameraLink規(guī)范成為包含線陣相機(jī)、高

（3）數(shù)字視頻信號(hào)IEEE1394

IEEE1394又稱(chēng)作火線，是高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)。最初的標(biāo)準(zhǔn)IEEE1394頌布于1995年，規(guī)定數(shù)據(jù)量為93.304Mb/s、196.608Mb/s和393.216Mb/s，也就是12.288MB/s、24.576MB/s和49.152MB/s。

（3）數(shù)字視頻信號(hào)IEEE1394

IEE

IEEE1394傳輸時(shí)使用2對(duì)雙絞線傳輸信號(hào)、一根電纜用于電源、一根用于地線如圖2.7所示[3]。因此，對(duì)于低功耗的電器可以直接使用電纜提供的電源而不需要額外提供電源。IEEE1394傳輸時(shí)使用2對(duì)雙絞線傳輸信號(hào)

1394a增加了其他分類(lèi)，包括不含電源的4針連接方式。最新版本的IEEE1394b定義了800Mb/s和1600Mb/s數(shù)率以及3200Mb/s結(jié)構(gòu)（。同時(shí)也對(duì)9針接插件和光纜接口以及電纜做了規(guī)定。

IDCC是貿(mào)易學(xué)會(huì)儀器和工業(yè)控制小組數(shù)字相機(jī)分組對(duì)IEEE1394針對(duì)工業(yè)相機(jī)修訂而成的。IIDC定義了多種視頻輸出格式，包括分辨率、幀率以及傳輸?shù)南袼氐臄?shù)據(jù)格式。另外，IIDC還規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的方法來(lái)控制相機(jī)的設(shè)置，比如曝光時(shí)間（IIDC中稱(chēng)為快門(mén)）、光圈、增益、外觸發(fā)、外觸發(fā)延時(shí)及相機(jī)的上、下、左、右旋轉(zhuǎn)等等。1394a增加了其他分類(lèi)，包括不含電源的4針連（4）數(shù)字視頻信號(hào)：USB2.0

USB2.0支持的傳輸速度最大為60M/s，可以應(yīng)用范圍內(nèi)很好地地滿足機(jī)器視覺(jué)的需求。USB使用4針插件，一對(duì)電纜用于信號(hào)的傳輸，另外兩根電纜中一根用于電源另一根用于接地。

USB使用4針接插件，一對(duì)電纜用于信號(hào)傳輸，另外兩個(gè)電纜分別用于電源和地線。因此，對(duì)于低功耗的電器可以使用電纜提

供的電源而無(wú)需額外接電源。

USB規(guī)范不包括機(jī)器視覺(jué)的要

求。因此，機(jī)器視覺(jué)的USB廠商通

常使用自己的傳輸協(xié)議和設(shè)備驅(qū)動(dòng)

來(lái)傳輸圖像。（4）數(shù)字視頻信號(hào)：USB2.0

USB2.（5）數(shù)字視頻信號(hào)：GigabitEthernet千兆網(wǎng)

千兆以太網(wǎng)被廣泛應(yīng)用于高速率（1Gb/s）機(jī)器視覺(jué)。2006年機(jī)器視覺(jué)相機(jī)應(yīng)用層協(xié)議得以標(biāo)準(zhǔn)化，并稱(chēng)為GigEVision。此標(biāo)準(zhǔn)明確指出該標(biāo)準(zhǔn)可以用于更低或更高的以太網(wǎng)速度。

GigEVision標(biāo)準(zhǔn)定義了相機(jī)最多可以有4個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口。如果與其所接的計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)也有4個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口，數(shù)率可以相應(yīng)地增加4倍。另外一個(gè)吸引人的地方就是由于被廣泛使用，所以其電纜、接插件有便宜又容易獲得。

缺點(diǎn)是電纜上沒(méi)有電源，因此相機(jī)需要額外的電源。另一個(gè)缺點(diǎn)是以太網(wǎng)不可以像IEEE1394和USB那樣設(shè)備可以在總線上宣布存在。（5）數(shù)字視頻信號(hào)：GigabitEthernet千兆網(wǎng)2.2鏡頭

攝影光學(xué)系統(tǒng)是將空間物體成像于感光膠片或圖像傳感器的光學(xué)系統(tǒng)，也稱(chēng)為鏡頭。

2.2鏡頭

攝影光學(xué)系統(tǒng)是將空間物體成像于感光2.2.1針孔攝相機(jī)

如果忽略光的波粒二象性，我們可以用下圖來(lái)表示針孔相機(jī)的成像模型。

其中h為物體的高度，c為像平面到投影中心的距離稱(chēng)為相機(jī)常數(shù)或主距，s為物體到投影中心的距離。物體像平面投影中心2.2.1針孔攝相機(jī)

如果忽略光的波粒二象性，傳感器尺寸傳感器相機(jī)景深工作距離視野或視場(chǎng)分辨率傳感器尺寸傳感器相機(jī)景深工作距離視野或視場(chǎng)分辨率2.2.2鏡頭－鏡頭的理想模型薄透鏡模型，薄透鏡是指透鏡沒(méi)有厚度，當(dāng)然這種透鏡是不存在的，而且我們一般用的鏡頭都是多組鏡片組合在一起的。我們通常使用中會(huì)忽略厚度對(duì)透鏡的影響，在去除透鏡參數(shù)中的厚度后，可簡(jiǎn)化許多光學(xué)計(jì)算公式。2.2.2鏡頭－鏡頭的理想模型薄透鏡模型，薄透鏡是指透鏡沒(méi)(1)鏡頭的性能參數(shù)

鏡頭的基本光學(xué)性能由焦距、相對(duì)孔徑（入瞳直徑與焦距之比）和視場(chǎng)角三個(gè)特征參數(shù)決定。

焦距

決定了像的大小。

當(dāng)物體在無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)，

接受面的對(duì)角線

的一半。(1)鏡頭的性能參數(shù)

鏡頭的基本光學(xué)性能由焦距焦距，是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指平行光入射時(shí)從透鏡光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離。焦距，是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指平行光入射相對(duì)孔徑

相對(duì)孔徑是鏡頭的重要參數(shù)，用鏡頭的有效孔徑d和焦距f之比表示。相對(duì)孔徑是個(gè)比值。相對(duì)孔徑的大小表示鏡頭納光的多少，反應(yīng)了光照度的大小。

相對(duì)孔徑的倒數(shù)稱(chēng)光孔號(hào)碼或光圈系數(shù)。最大的相對(duì)孔徑刻在鏡頭上。如1：2.8或1：4等。

根據(jù)相對(duì)孔徑的大小可以把鏡頭分為弱光、普通、強(qiáng)光鏡頭。相對(duì)孔徑

相對(duì)孔徑是鏡頭的重要參數(shù)，用鏡頭的有

在鏡頭中設(shè)有專(zhuān)門(mén)的孔徑光闌，它的作用是限制進(jìn)入物鏡的光通量，決定像的照度?？讖焦怅@可以連續(xù)調(diào)節(jié)，從而獲得多種相對(duì)孔徑。在物鏡的外殼上標(biāo)出各檔光圈數(shù)F。在鏡頭中設(shè)有專(zhuān)門(mén)的孔徑光闌，它的作用是限制進(jìn)入物視場(chǎng)角

視場(chǎng)角決定了其可以拍攝到的范圍大小。視場(chǎng)角視場(chǎng)角

視場(chǎng)角決定了其可以拍攝到的范圍大小。視視場(chǎng)的大小可以通過(guò)視場(chǎng)光闌（接受面的大小）和鏡頭的焦距求出。視場(chǎng)的大小可以通過(guò)視場(chǎng)光闌（接受面的大小）和鏡圖像的照度是由鏡頭的F數(shù)和曝光時(shí)間所決定的。

根據(jù)景物條件，有時(shí)需首先確定F數(shù)（光圈優(yōu)先），有時(shí)需優(yōu)先確定曝光時(shí)間（快門(mén)優(yōu)先），但都要使F數(shù)和曝光時(shí)間相匹配。圖像的照度是由鏡頭的F數(shù)和曝光時(shí)間所決定的。

(3)鏡頭的景深和幾何焦深

1景深

景深指當(dāng)調(diào)焦于某一對(duì)象時(shí)，前后能成清晰像的空間深度。(3)鏡頭的景深和幾何焦深

1景深

景深指當(dāng)調(diào)焦(3)焦深（焦點(diǎn)深度）

在保持圖像清晰的前提下，焦點(diǎn)（焦平面）沿著鏡頭光軸所允許移動(dòng)的距離。(3)焦深（焦點(diǎn)深度）

在保持圖像清晰的前提(4)分辨率

鏡頭的分辨率是以焦面上每毫米能分辨開(kāi)的黑白相間的條紋來(lái)表征。根據(jù)對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)兩點(diǎn)可被理想系統(tǒng)分辨開(kāi)的最小分辨角公式，在鏡頭焦平面上能分辨開(kāi)的兩條紋之間的相應(yīng)間距。其倒數(shù)即為物鏡的分辨率。

鏡頭的分辨率與相對(duì)孔徑成正比。

分辨率是衡量鏡頭的像質(zhì)指標(biāo)之一。

對(duì)于裝配好的鏡頭可用鑒別率板來(lái)檢驗(yàn)。(4)分辨率

鏡頭的分辨率是以焦面上每毫米能鑒別率板鑒別率板畸變通過(guò)標(biāo)定來(lái)校正。畸變按光學(xué)放大倍率及焦距劃分常規(guī)鏡頭：魚(yú)眼鏡頭：6-16mm超廣角：17-21mm廣角：24-35mm標(biāo)頭：45-75mm長(zhǎng)焦：150-300mm超長(zhǎng)焦：300mm以上特殊鏡頭：微距鏡頭、遠(yuǎn)距鏡頭、遠(yuǎn)心鏡頭、紅外鏡頭、紫外鏡頭按光學(xué)放大倍率及焦距劃分按其它性能劃分固定焦距鏡頭變焦鏡頭自動(dòng)變焦手動(dòng)變焦不同接口方式的鏡頭C接口（后截距17.526mm）CS接口（后截距12.5mm）F接口（尼康口）M42其它：哈蘇、徠卡、AK按其它性能劃分CS接口和C接口所有的鏡頭均是螺紋口的，有兩種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，即C接口（安裝座）和CS接口。兩者螺紋部分相同，但兩者從鏡頭到感光表面的距離不同。C接口從鏡頭安裝基準(zhǔn)面到焦點(diǎn)的距離是17.526mm。CS接是12.5mm。CS接口和C接口CS接口安裝C接口，應(yīng)將相機(jī)前部安裝座的墊圈取下再安裝鏡頭。將一個(gè)C安裝座鏡頭安裝到一個(gè)CS安裝座上時(shí)，則需要使用鏡頭轉(zhuǎn)換器CS接口安裝C接口，應(yīng)將相機(jī)前部安裝座的墊圈取下再安裝鏡頭。例子，要給硬幣檢測(cè)成像系統(tǒng)選配鏡頭，硬幣大小25mm，工作距離大于50mm，系統(tǒng)分辨率0.05mm。例子，要給硬幣檢測(cè)成像系統(tǒng)選配鏡頭，硬幣大小25mm，工作距h=6.6mmL=50mmH=25mm焦距F=L/H*h=13.2mm，選擇的鏡頭要求焦距應(yīng)該大于14mm。選擇配

2/3英寸CCD傳感器相機(jī)h=6.6mmL=50mmH=25mm焦距F=L/H*h=h=6.6mmL=50mmH=25mm分辨率0.05mm像素?cái)?shù)=H/0.05=50050萬(wàn)（SVGA）800×600

80萬(wàn)（XGA）1024×768

h=6.6mmL=50mmH=25mm分辨率0.05mm像素常用分辨率（常用√）

10萬(wàn)（CIF）352×28830萬(wàn)（VGA）640×480(√)35萬(wàn)（VGA）648×488

50萬(wàn)（SVGA）800×600

80萬(wàn)（XGA）1024×768

(√)

130萬(wàn)（SXGA）1280×960(√)

200萬(wàn)1600×1200

(√)

310萬(wàn)2048×1536

430萬(wàn)2400×1800

500萬(wàn)2560×1920(√)

600萬(wàn)3000×2000

800萬(wàn)3264×24881100萬(wàn)4080×27201400萬(wàn)4536×3024常用分辨率（常用√）

800萬(wàn)3264×2488112.2.3濾光鏡

濾光鏡就是拍攝時(shí)放在鏡頭前面的一塊玻璃片或者塑料片。2.2.3濾光鏡

濾光鏡就是拍攝時(shí)放在鏡頭前面的濾光鏡的作用是按照規(guī)定的需要改變?nèi)肷涔獾墓庾V強(qiáng)度分布或者使其偏振狀態(tài)發(fā)生變化。

濾光鏡的原理就光學(xué)行為而言，主要是透射、反射、偏振、密度衰減和散射等。

濾光鏡的種類(lèi)繁多，在機(jī)器視覺(jué)中常用的有：

?用于提高圖像對(duì)比度的對(duì)比濾光鏡；

?用于吸收紫外線的紫外線濾光鏡（UV）；

?用于減少鏡頭進(jìn)光量的中色濾光鏡（ND）；

?用于紅外攝影的紅外濾光鏡。濾光鏡的作用是按照規(guī)定的需要改變?nèi)肷涔獾墓庾V強(qiáng)度2.3光源

在機(jī)器視覺(jué)中，光源的質(zhì)量會(huì)影響圖像的質(zhì)量進(jìn)而影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的質(zhì)量。

在機(jī)器視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)中一般使用透射光和反射光。

透射光是指光線透過(guò)被測(cè)量的物體被相機(jī)接收的光線。反射光是指光線在被測(cè)物體上發(fā)生漫反射被相機(jī)接收的光線。葉綠素的丙酮提取液在呈紅色綠色2.3光源

在機(jī)器視覺(jué)中，光源的質(zhì)量會(huì)影響圖像的2.3.1對(duì)光源的要求

光源照明系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單地照亮物體，而是要符合以下要求：

1、要盡可能地凸顯出物體的特征量。如檢測(cè)劃痕，就要突出劃痕的特征。這與光源和照明方式都有關(guān)系。

2、突出感興趣的區(qū)域，增強(qiáng)感興趣區(qū)域與非感興趣區(qū)域的對(duì)比度。只有對(duì)比度好，圖像的質(zhì)量才會(huì)好，才能有效地分割目標(biāo)。

3、應(yīng)保證足夠的整體亮度。

4、物體位置的變化不影響成像的質(zhì)量。檢測(cè)的物體往往是運(yùn)動(dòng)的，或者測(cè)物的定位不是十分準(zhǔn)確，這就要求物體的位置變換不會(huì)影響照明效果。2.3.1對(duì)光源的要求

光源照明系統(tǒng)并不是簡(jiǎn)單地如檢測(cè)劃痕，就要突出劃痕的特征。這與光源和照明方式都有關(guān)系。如檢測(cè)劃痕，就要突出劃痕的特征。這與光源和照明方式2.3.2常用光源類(lèi)型

常見(jiàn)可見(jiàn)光光源分為普通光源和新型光源。

普通光源包括熱輻射光源和氣體放電光源，如白熾燈、汞燈、鈉光燈等。

普通光源的優(yōu)點(diǎn)：能夠滿足檢測(cè)的需要、容易獲取且性?xún)r(jià)比高。

普通光源的缺點(diǎn)：光源不穩(wěn)定，隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，光量會(huì)下降，受環(huán)境光的影響較大，有時(shí)需要加防護(hù)屏。2.3.2常用光源類(lèi)型

常見(jiàn)可見(jiàn)光光源分為普通光1、 普通光源

（1）鎢絲白熾燈

鎢燈絲是白熾燈的重要部件。鎢燈絲即鎢電阻，在電壓一定的情況下，鎢電阻決定了通過(guò)白熾燈的電流，從而決定了白熾燈的電功率。而電功率越大,白熾燈的發(fā)光效率越大、光通量越大從而使得發(fā)光強(qiáng)度越大。

而鎢電阻的大小是有其長(zhǎng)度、

半徑和溫度決定的。所以，

鎢絲白熾燈作為機(jī)器視覺(jué)

光源不穩(wěn)定。1、 普通光源

（1）鎢絲白熾燈

鎢燈絲是白熾燈（2）鹵鎢燈

鹵鎢燈是一種加入鹵族元素的白熾燈。由于白熾燈的鎢燈絲在高溫時(shí)會(huì)蒸發(fā)而粘在燈泡內(nèi)表面使燈泡變黑從而使得白熾燈的溫度不能太高，發(fā)光效率降低。在燈泡中加入鹵族元素之后，它們可以使粘在燈

泡內(nèi)表面的鎢形成化合物。

當(dāng)這些化合物回到燈絲附

近時(shí)遇到高溫分解而使得

鎢回到燈絲上，燈泡不發(fā)

黑。所以，鹵鎢燈可以在

比較高的溫度下發(fā)光。（2）鹵鎢燈

鹵鎢燈是一種加入鹵族元素的白熾燈。（3）氣體放電燈

氣體放電燈分為兩種，一種充入的是稀有氣體，另一種充入的是金屬蒸汽。其原理是當(dāng)加在氣體中的電壓較小時(shí)，只有少量的氣體被電離形成暗電流而當(dāng)電壓不斷增大（超過(guò)氣體電流達(dá)到飽和時(shí)所需的電壓），粒子碰撞的次數(shù)急劇增加使得正

離子高速撞擊陰極

產(chǎn)生二次電子、電

流急劇增大、產(chǎn)生

輝光發(fā)光現(xiàn)象。（3）氣體放電燈

氣體放電燈分為兩種，一種充入的氣體放電燈的特點(diǎn)：

1發(fā)光效率高。

2壽命長(zhǎng)。

3能維持穩(wěn)定的發(fā)光強(qiáng)度。

4由于氣體放電燈所發(fā)出的光是受激的原子從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的過(guò)程中輻射出來(lái)的，所以其光譜不連續(xù)而且可以通過(guò)選擇輻射原子的種類(lèi)來(lái)獲取不同頻率的光。氣體放電燈的特點(diǎn)：

1發(fā)光效率高。

2、新型光源

新型光源包括場(chǎng)致發(fā)光光源（半導(dǎo)體光源）、物理光源，如LED、激光光源等。

常見(jiàn)的激光光源和LED光源。

（1）激光光源

激光光源的特點(diǎn)是單色性好、方向性強(qiáng)、相干性好、發(fā)光強(qiáng)度

極高?？稍诮Y(jié)構(gòu)光測(cè)

量中作為光源使用。2、新型光源

新型光源包括場(chǎng)致發(fā)光光源（半導(dǎo)體光（2）LED光源

LED光源最常用。主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1效率高，可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換率，使用壽命長(zhǎng)，LED的理論壽命為10萬(wàn)小時(shí)以上。

2體積小，重量輕；另外，由于LED光源是采用多顆LED排列而成，可以設(shè)計(jì)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的光源照射角度。

3有多種顏色可選，包括紅、綠、藍(lán)、白，還有紅外、紫外。針對(duì)不同檢測(cè)物體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色，也就是不同波長(zhǎng)的光源，達(dá)到理想效果。

4光源單色性好。（2）LED光源

LED光源最常用。主要有如下幾2.3.3光源類(lèi)型

（1）均勻背景光源

（2）穹形光源

（3）環(huán)形光源

（4）同軸光源