數(shù)字圖像處理第02章2硬件基礎(chǔ)知識

數(shù)字圖像處理第02章2硬件基礎(chǔ)知識2.1CCD成像原理CCD簡介CCD=ChargeCoupledDevice,即電荷耦合器件,一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器CCD簡介優(yōu)點(diǎn):體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測量精度高、壽命長等CCD成像原理分解CCD，其結(jié)構(gòu)為三層：類似馬賽克的網(wǎng)格、聚光鏡片以及墊于最底下的電子線路矩陣所組成。CCD成像原理第一層“微型鏡頭”CCD成像原理第二層是“分色濾色片”第三層：感光層圖片示例：三星GX1S奧林巴斯CCD，尼康機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識基本概念分類2.2工業(yè)鏡頭2.2工業(yè)鏡頭內(nèi)容提要機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、鏡頭基本概念(1)成象面工作距離（WD）景深（DOV）視野（FOV）后焦面距離第二節(jié)工業(yè)鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、鏡頭基本概念（2）

第二節(jié)工業(yè)鏡頭視野(FOV)

圖像采集設(shè)備所能夠覆蓋的范圍，它可以是在監(jiān)視器上可以見到的范圍，也可以使設(shè)備所輸出的數(shù)字圖像所能覆蓋的最大范圍。最大/最小工作距離（WorkDistance）

從物鏡到被檢測物體的距離的范圍，小于最小工作距離大于最大工作距離系統(tǒng)均不能正確成像。景深（DepthOfField）

在某個調(diào)焦位置上，景深內(nèi)的物體都可以清晰成像。機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、鏡頭基本概念（3）畸變幾何畸變指的是由于鏡頭方面的原因?qū)е碌膱D像范圍內(nèi)不同位置上的放大率存在的差異。幾何畸變主要包括徑向畸變和切向畸變。如枕形或桶形失真。第二節(jié)工業(yè)鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、鏡頭基本概念（4）鏡頭接口C-MOUNT

鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)接口之一，鏡頭的接口螺紋參數(shù)：公稱直徑：1“

螺距：32牙CS－Mount是C－Mount的一個變種，區(qū)別僅僅在于鏡頭定位面到圖像傳感器光敏面的距離的不同，C－Mount是17。5mm，CS－Mount是12。5mm。C/CS能夠匹配的最大的圖像傳感器的尺寸不超過1“。第二節(jié)工業(yè)鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、鏡頭基本概念（5）成像面可以在鏡頭的像面上清晰成像的物方平面光圈與F值 光圈是一個用來控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達(dá)光圈大小我們是用F值，如f1。4，f2，f2。8etc。焦距 焦距是像方主面到像方焦點(diǎn)的距離。如16mm，25mm第二節(jié)工業(yè)鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、鏡頭基本概念（6）分辨率

測量系統(tǒng)能夠重現(xiàn)的最小的細(xì)節(jié)的尺寸常常用每毫米線對來表示，也就是根據(jù)這個鏡頭能夠分辨一毫米內(nèi)多少對直線。選擇鏡頭的時候必須注意廠商給出的分辨率的定義方式。lp/mm(linepairpermm)

lp/mm是表征分辨率的最簡單的指標(biāo)，但不是最佳指標(biāo)，最佳的指標(biāo)是鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF。第二節(jié)工業(yè)鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、鏡頭基本概念（7）鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF第二節(jié)工業(yè)鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識二、鏡頭的分類（1）按照等效焦距分為廣角鏡頭等效焦距小于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭（等效焦距為50mm）的鏡頭。特點(diǎn)是最小工作距離短，景深大，視角大。常常表現(xiàn)為桶形畸變。中焦距鏡頭焦距介于廣角鏡頭和長焦鏡頭之間的鏡頭。通常情況下畸變校正較好。長焦距鏡頭等效焦距超過200mm的鏡頭。工作距離長，放大比大，畸變常常表現(xiàn)為枕形狀畸變。第二節(jié)工業(yè)鏡頭廣角鏡頭長焦鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識二、鏡頭的分類（2）按照功能分變焦距鏡頭鏡頭的焦距可以調(diào)節(jié)，鏡頭的視角，視野可變定焦距鏡頭鏡頭的焦距不能調(diào)節(jié)，鏡頭視角固定。聚焦位置和光圈可以調(diào)節(jié)定光圈鏡頭光圈不能調(diào)節(jié)，通常情況下聚焦也不能調(diào)節(jié)。第二節(jié)工業(yè)鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識二、鏡頭的分類（3）按照用途分微距鏡頭（或者成為顯微鏡頭）用于拍攝較小的目標(biāo)具有很大的放大比遠(yuǎn)心鏡頭包括物方遠(yuǎn)心鏡頭和像方遠(yuǎn)心鏡頭以及雙邊遠(yuǎn)心鏡頭。第二節(jié)工業(yè)鏡頭微距鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識二、鏡頭的分類（4）關(guān)于遠(yuǎn)心鏡頭遠(yuǎn)心指的是一種光學(xué)的設(shè)計(jì)模式：系統(tǒng)的出瞳和入瞳的位置在無限遠(yuǎn)處。第二節(jié)工業(yè)鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識二、鏡頭的分類（5）遠(yuǎn)心鏡頭特性物方遠(yuǎn)心鏡頭可以消除透視畸變，像方遠(yuǎn)心鏡頭可以獲得更好的像面照度的均勻性。

第二節(jié)工業(yè)鏡頭機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識基本概念基本結(jié)構(gòu)成像原理分類第三節(jié)工業(yè)相機(jī)第三節(jié)工業(yè)相機(jī)內(nèi)容提要機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（1）傳感器的尺寸圖像傳感器感光區(qū)域的面積大小。這個尺寸直接決定了整個系統(tǒng)的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數(shù)模擬相機(jī)的傳感器的長寬比例是4：3(H：V)，數(shù)字相機(jī)的長寬比例則包括多種：1：1，16：9，3：2etc。第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（2）物理放大率傳感器感光面積于視野的比值，整個參數(shù)基本取決于鏡頭系統(tǒng)放大率最后顯示環(huán)節(jié)上目標(biāo)的尺寸于實(shí)際目標(biāo)尺寸的比值。系統(tǒng)放大率取決于物理放大率和顯示系統(tǒng)的闡述。對于自動測量和檢測系統(tǒng)而言，物理放大率具有關(guān)鍵的意義。系統(tǒng)放大率僅僅對于需要人機(jī)交互進(jìn)行檢測的系統(tǒng)有意義像素（Pixel=picture+element）傳感器感光面上最小感光單位。第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（3）分辨率(Resolution)

模擬制式相機(jī)的分辨率取決于傳感器上像素的數(shù)目以及后期處理電路的質(zhì)量，數(shù)字相機(jī)的傳分辨率則直接取決與傳感器上像素的數(shù)目。480768640480760574美制RS–170Norm歐制CCIR-Norm第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（4）像素長寬比指傳感器上像素水平和垂直方向節(jié)距的比值，對于正方形的象素來說，其比值為1：1。此參數(shù)，對于系統(tǒng)的標(biāo)定有直接影響。快門速度（ShutterSpeed）

CCD/CMOS相機(jī)多數(shù)采用電子快門，通過電信號脈沖的寬度來控制傳感器的光積分（曝光）時間。對于一般性能的的相機(jī)快門速度可以達(dá)到1/10000-1/100000秒。幀頻率（FrameRate）相機(jī)每秒中能夠輸出圖像的幀數(shù)，對于模擬制式相機(jī)，這個頻率是固定值，對于數(shù)字相機(jī)，是個可變的值。像素速率（PixelRate）相機(jī)每秒中能夠輸出像素的個數(shù)，僅僅對于數(shù)字相機(jī)有意義。第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（5）卷簾快門（RollingShutter）

多數(shù)CMOS圖像傳感器上使用的快門，其特征是逐行曝光，每一行的曝光時間不一致。全局快門（GlobalShutter）

CCD傳感器和極少數(shù)CMOS傳感器采用的快門，傳感器上所有像素同時刻曝光。第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（6）相機(jī)掃描方式隔行掃描（Interlace

）35246第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（7）相機(jī)掃描方式逐行掃描（Progressivescan）35241第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識二、工業(yè)相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)DigitalImageProcessingModuleLensMountIRFilterImageSensorDriveCircuitTransmittingControllerVideoSignalChanneltocontrolthecamera第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識三、工業(yè)相機(jī)的基本原理1CCD的電荷存儲器：能夠存儲一定量的電子。將電子釋放出來之后所形成的電流，便可以量化地代表感光面上某點(diǎn)的明暗信息。CCD成象的“溢出”（Blooming）問題：當(dāng)CCD象素接收到過多的光子，存儲器中所收集的自由電子就會向周邊的象素“溢出”。致使整個區(qū)域成象變亮。光子CCD象素自由電子溢出第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識三、工業(yè)相機(jī)的基本原理2相機(jī)拍照時間示意圖電子快門時間可由用戶自己設(shè)置。但相機(jī)傳輸速率（Framerate）是相對固定的。因此，傳輸速率是相機(jī)的成像速度的“瓶頸”。例：電子快門速度可達(dá)1/1000秒，但成像卻只能達(dá)到60幀/秒。電子快門時間圖像傳輸時間單幀圖像完整拍照時間第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識按照圖像傳感器區(qū)分CCD相機(jī)：使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機(jī)CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）相機(jī)：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機(jī)按照輸出圖像顏色區(qū)分：單色相機(jī)：輸出圖像為單色圖像的相機(jī)。彩色相機(jī)：輸出圖像為彩色圖像的相機(jī)。四、工業(yè)相機(jī)分類（1）第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識按照傳感器類型區(qū)分面掃描相機(jī)傳感器上像素呈面狀分布的相機(jī)，其所成圖像為二維“面”圖像。

線掃描相機(jī)傳感器上呈線狀（一行或三行）分布的相機(jī)，其所成圖像為一維“線”圖像。四、工業(yè)相機(jī)分類（2）第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識按輸出信號區(qū)分

模擬信號相機(jī)從傳感器中傳出的信號，被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，即普通視頻信號，后再傳到圖像采集卡中。

數(shù)字信號相機(jī)信號自傳感器中的像素輸出后，在相機(jī)內(nèi)部直接數(shù)字化并輸出。四、工業(yè)相機(jī)分類（3）第三節(jié)工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識基本概念基本原理成像原理內(nèi)容提要第四節(jié)板卡硬件第三節(jié)板卡硬件機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、圖像采集卡的基本概念（1）圖像采集卡（FrameGraber）圖像采集卡是圖像采集部分和處理部分的接口。圖像經(jīng)過采樣、量化以后轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像并輸入、存儲到幀存儲器的過程，叫做采集、數(shù)字化。A/D轉(zhuǎn)換視頻量化處理是指將相機(jī)所輸出的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為PC所能識別的數(shù)字信號的過程，即A/D轉(zhuǎn)換。視頻信號的量化處理是圖像采集處理的重要組成部分。

A/D轉(zhuǎn)換過程第四節(jié)板卡硬件機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、圖像采集卡的基本概念（2）傳輸通道數(shù)（Channel）采集卡同時對多個相機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的能力。如：2通道、4通道。分辨率采集卡能支持的最大點(diǎn)陣反映了其分辨率的性能。即，其所能支持的相機(jī)最大分辨率。采樣頻率采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進(jìn)行高速圖像采集時，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。第四節(jié)板卡硬件機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識一、圖像采集卡的基本概念（3）傳輸速率指圖像由采集卡到達(dá)內(nèi)存的速度。主流圖像采集卡與主板間都采用PCI接口，其理論傳輸速度為132MB/S。

圖像格式（像素格式）

黑白圖像：通常情況下，圖像灰度等級可分為256級，即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時，可用10位，12位等來表示。

彩色圖像：彩色圖像可由RGB（YUV）3種色彩組合而成，根據(jù)其亮度級別的不同有8－8－8，10－10－10等格式。第四節(jié)板卡硬件機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)硬件基礎(chǔ)知識圖像采集卡附加功能相機(jī)觸發(fā)功能燈源控制功能基本I/O功能相機(jī)復(fù)位功能一、圖像采集卡的基本概念（5）：第四節(jié)板卡硬件機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)