機(jī)器視覺原理與應(yīng)用 課件 4 機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)

第4章機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)4.1工業(yè)相機(jī)4.2鏡頭 4.2.1鏡頭結(jié)構(gòu) 4.2.2現(xiàn)場(chǎng) 4.2.3光學(xué)倍率和數(shù)值孔徑 4.2.4景深 4.2.5曝光量和光圈數(shù) 4.2.6分辨率 4.2.7鏡頭選擇4.3光源 4.3.1光源的基本性能參數(shù) 4.3.2常見可用光源4.4圖像采集卡4.5數(shù)據(jù)通信接口

第4章機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)包含工業(yè)相機(jī)、光源照明系統(tǒng)與圖像處理軟件、圖像采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信接口。除具備上述硬件系統(tǒng)后，工業(yè)相機(jī)成像后，需要進(jìn)行攝像機(jī)標(biāo)定，包括坐標(biāo)系間的變換關(guān)系，工業(yè)相機(jī)成像模型。一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭（定焦鏡頭、變倍鏡頭、遠(yuǎn)心鏡頭、顯微鏡頭）、相機(jī)（包括CCD相機(jī)和COMS相機(jī)）、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。第4章機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng)工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)定焦鏡頭

光源鏡頭圖像處理單元相機(jī)圖像處理軟件監(jiān)視器通訊/輸入輸出單元變倍鏡頭

遠(yuǎn)心鏡頭

顯微鏡頭

CCD相機(jī)

COMS相機(jī)

4.1

工業(yè)相機(jī)工業(yè)相機(jī)是視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能直接影響到識(shí)別精度和定位抓取的精度。選用工業(yè)相機(jī)要考慮到工件托盤的特征、工件的輪廓特征以及光線等條件。工業(yè)相機(jī)又稱工業(yè)攝像頭、工業(yè)攝像頭、工業(yè)照相機(jī)等。根據(jù)所使用的的芯片類型分為工業(yè)CCD相機(jī)和工業(yè)CMOS相機(jī)；根據(jù)信號(hào)種類分為工業(yè)模擬相機(jī)和工業(yè)數(shù)字相機(jī)；其中數(shù)字相機(jī)又分為：GigE千兆網(wǎng)、USB2.0、USB3.0、CameraLink、1394A和1394B等多種接口。4.1

工業(yè)相機(jī)CCD相機(jī)

COMS相機(jī)

根據(jù)使用的芯片不同：根據(jù)信號(hào)種類：工業(yè)數(shù)字相機(jī)

工業(yè)模擬相機(jī)

GigE千兆網(wǎng)USB2.0 USB3.0 CameraLink

1934A

1934B

4.2

鏡頭鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，如果沒有晶狀體，人眼看不到任何物體；如果沒有鏡頭，攝像機(jī)所輸出的圖像就是白茫茫的一片，沒有清晰的圖像輸出。當(dāng)人眼的睫狀體無法按需要調(diào)整晶狀體凸度時(shí)，將出現(xiàn)人們常說的近視（或遠(yuǎn)視）眼，眼前的景物就變得模糊不清；攝像機(jī)與鏡頭的配合也有類似現(xiàn)象，當(dāng)圖像變得不清楚時(shí)，可以調(diào)整攝像機(jī)的像方焦點(diǎn)，改變攝像機(jī)芯片與鏡頭基準(zhǔn)面的距離（相當(dāng)于調(diào)整人眼晶狀體的凸度），可以將模糊的圖像變得清晰。由此我們知道，光學(xué)鏡頭的主要作用是將景物的光學(xué)圖像聚焦在圖像傳感器的光敏陣列上。視覺系統(tǒng)處理的所有圖像信息均通過鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響視覺系統(tǒng)的整體性能4.2

鏡頭分類依據(jù)類型說明工作波長紫外鏡頭同一光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同波長的光其折射率不同，這導(dǎo)致同一點(diǎn)發(fā)出的不同波長的光成像時(shí)不能會(huì)聚成一點(diǎn)，從而產(chǎn)生色差。常用鏡頭的消色差設(shè)計(jì)只針對(duì)可見光范圍，而應(yīng)用于其他波段的鏡頭則需要進(jìn)行專門的消色差設(shè)計(jì)可見光鏡頭近紅外鏡頭紅外鏡頭變焦與否定焦鏡頭（按焦距長短分）魚眼鏡頭焦距長短劃分不是以焦距的絕對(duì)值為首要標(biāo)準(zhǔn)，而是以像角的大小為主要區(qū)分依據(jù)，所以當(dāng)靶面的大小不等時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距大小也不同短焦鏡頭標(biāo)準(zhǔn)鏡頭長焦鏡頭變焦鏡頭手動(dòng)變焦變焦鏡頭最長和最短焦距值之比稱為變焦倍率電動(dòng)變焦4.2

鏡頭視場(chǎng)大小廣角鏡頭視角90°以上，觀察范圍較大，短焦距提供寬角度視場(chǎng)，魚眼鏡頭是一種焦距約6~16mm的短焦距超廣角攝影鏡頭標(biāo)準(zhǔn)鏡頭視角50°左右，使用范圍較廣長焦（遠(yuǎn)攝）鏡頭視角20°以內(nèi)，焦距幾十或上百毫米，長焦距提供高倍放大變焦鏡頭鏡頭焦距連續(xù)可變，焦距可以從廣角變到長焦工作距離望遠(yuǎn)鏡頭物距很大普通攝影鏡頭物距適中顯微鏡頭物距很小分類依據(jù)類型說明4.2

鏡頭接口類型C型鏡頭基準(zhǔn)面至焦平面距離為17.526mm，C型鏡頭與CS型攝像機(jī)配合使用需在二者之間增加一個(gè)5mm的C/CS轉(zhuǎn)接環(huán)CS型鏡頭基準(zhǔn)面至焦平面距離為12.5mmF型F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標(biāo)準(zhǔn)，又稱尼康口，是通用型接口，一般適用于焦距大于25mm的鏡頭、以及靶面大于1英寸的攝像機(jī)V型V接口鏡頭是施耐德鏡頭主要使用的標(biāo)準(zhǔn)，一般也用于攝像機(jī)靶面較大或特殊用途的鏡頭特殊用途鏡頭顯微鏡頭一般用于光學(xué)倍率大于10：1的系統(tǒng)，但由于目前CCD像元尺寸已經(jīng)做到3μm以內(nèi)，所以光學(xué)倍率大于2：1時(shí)也會(huì)選用顯微鏡頭微距鏡頭一般是指光學(xué)倍率為2：1~1：4范圍內(nèi)特殊設(shè)計(jì)的鏡頭。當(dāng)圖像質(zhì)量要求不高時(shí)，一般可采用在鏡頭和攝像機(jī)之間增加近攝接圈的方式或在鏡頭前增加近拍鏡的方式達(dá)到放大成像的效果遠(yuǎn)心鏡頭主要為糾正傳統(tǒng)鏡頭視差而特殊設(shè)計(jì)的鏡頭，可以在一定的物距范圍內(nèi)，使得拍攝到的圖像其放大倍率不隨物距的變化而變化分類依據(jù)類型說明4.2

鏡頭按照有效像場(chǎng)的大小進(jìn)行分類

鏡頭類型有效像場(chǎng)尺寸（1英寸=25.4mm）電視攝像鏡頭1/4英寸攝像鏡頭3.2mm×2.4mm（對(duì)角線4mm）1/3英寸攝像鏡頭4.8mm×3.6mm（對(duì)角線6mm）1/2英寸攝像鏡頭6.4mm×4.8mm（對(duì)角線8mm）2/3英寸指像鏡頭8.8mm×6.6mm（對(duì)角線11mm）1英寸攝像鏡頭12.8mm×9.6mm（對(duì)角線16mm）電影攝影鏡頭35mm電影攝影鏡頭21.95mm×16mm（對(duì)角線27.16mm）16mm電影攝影鏡頭10.05mm×7.42mm（對(duì)角線12.49mm）照相鏡頭135型攝影鏡頭36mm×24mm127型攝影鏡頭40mm×40mm120型攝影健頭80mm×60mm中型攝影鏡頭82mm×56mm大型攝影鏡頭240mm×180mm4.2

鏡頭由于系統(tǒng)中所用攝像機(jī)的靶面尺寸有各種型號(hào)，所以在選擇鏡頭時(shí)須注意鏡頭的有效像場(chǎng)應(yīng)該大于或等于攝像機(jī)的靶面尺寸，否則成像的邊角部分會(huì)模糊甚至沒有影像。下面介紹鏡頭的結(jié)構(gòu)、相關(guān)參數(shù)及鏡頭選擇方法，以便在實(shí)際應(yīng)用中獲取最優(yōu)的系統(tǒng)性能。4.2.1

鏡頭結(jié)構(gòu)鏡頭由多個(gè)透鏡、可變（亮度）光圈和對(duì)焦環(huán)組成，有些鏡頭有固定調(diào)節(jié)系統(tǒng)。使用時(shí)通過觀察顯示圖像的明亮程度及清晰度來調(diào)整可變光圈和焦點(diǎn)4.2.2

視場(chǎng)視場(chǎng)（FOV）是指系統(tǒng)能夠觀察到的物體的物理尺寸范圍，也就是CCD芯片上所成圖像最大時(shí)對(duì)應(yīng)的物體的大小。它與工作距離dw，焦距f、CCD芯片尺寸sc有關(guān)。在不使用近攝環(huán)的情況下，四個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系可用以下比例表達(dá)式表示

光學(xué)成像示意圖4.2.3

光學(xué)倍率和數(shù)值孔徑光學(xué)倍率是指成像大小與物體尺寸的比值，可以表示為

式中： NA——物方數(shù)值孔徑 NA'——像方數(shù)值孔徑物方孔徑角和折射率分別為u和n，像方孔徑角和折射率分別為u'和n’，則物方和像方的數(shù)值孔徑分別表示為

數(shù)值孔徑示意圖

4.2.4

景深拍攝有限距離的景物時(shí)，可在像面上成清晰圖像的物距范圍叫做景深按理想光學(xué)系統(tǒng)的特性及透鏡公式計(jì)算: (4-5)對(duì)于從透鏡中心至圖像平面的距離，只有一個(gè)距離等于z的空間平面與之共軛，該平面稱為對(duì)準(zhǔn)平面。嚴(yán)格來講，除對(duì)準(zhǔn)平面上的點(diǎn)能成點(diǎn)像外，其他空間點(diǎn)在圖像平面上只能為一個(gè)彌散斑。當(dāng)彌散斑小于一定限度時(shí)，仍可認(rèn)為是一個(gè)點(diǎn)，這是由成像裝置的空間分辨率所決定的，于是小于成像裝置分辨率的一定量的離焦可以忽略。

4.2.4

景深

4.2.4

景深物點(diǎn)處于離焦位置時(shí)，成像在圖像平面上的是一個(gè)圓形的彌散斑。如果圓斑的直徑小于成像裝置的分辨率，離焦量可以忽略。假設(shè)圓斑直徑為b’，入射光瞳直徑為D，焦距為f，透鏡中心距圖像平面的長度為。如果圖像平面向透鏡方向移動(dòng)到一個(gè)新的距離，那么模糊程度為： (4-6)根據(jù)相似三角形，b’/2與之比等于d/2與之比。由式（4-5）能分別解出對(duì)應(yīng)于z和z1情況下的

和

，并且將這些表達(dá)式代入式（4-6）得到與物距相關(guān)的模糊量： (4-7)

4.2.4

景深假設(shè)b等于可以接受的彌散圓的最大直徑，由式（4-7）計(jì)算出能成清晰像的最近平面（即近景平面）的距離： (4-8)為了計(jì)算遠(yuǎn)景平面的距離，讓 (4-9)式中，是對(duì)應(yīng)于最大模糊量情況下的圖像平面遠(yuǎn)離透鏡方向移動(dòng)到一個(gè)新的距離。同理可以得到： (4-10)進(jìn)一步求解式（4-10）得到遠(yuǎn)景平面距離

4.2.4

景深上面的公式給出了這條與近景平面位置與焦距f、入射光瞳直徑D、最大可接受的像糊量b’、對(duì)準(zhǔn)平面位置z之間的關(guān)系。

，稱為超焦距（hyperfocaldistance），此時(shí)，遠(yuǎn)景平面位置和景深為無窮遠(yuǎn)。遠(yuǎn)景與近景平面位置之差表示為景深：由上式可知，景深與孔徑光闌（光圈），焦距，鏡頭與物體間距離有直接的關(guān)系。焦距越短，景深越大；鏡頭離物體的距離越遠(yuǎn)，景深越大；光圈越小，景深越大。光圈增大，通光量增加，景深減小，于是在光圈與景深之間需要有一個(gè)折中或平衡。而小光圈和良好的光線使聚焦更簡(jiǎn)單。

4.2.5

曝光量和光圈數(shù)攝像機(jī)收集到的光景，即曝光量（exposure），依賴于到達(dá)像面上的光強(qiáng)（圖像輻照度，imageirradiance）與曝光持續(xù)時(shí)間（快門速度，shutterspeed）的乘積 功率乘以時(shí)間所得結(jié)果為能量，當(dāng)圖像輻照度的單位為W/m2時(shí)，曝光量的單位為J/m2。光圈數(shù)，或稱F數(shù)（F-number，f#），它與焦距f，入射光瞳直徑D之間的關(guān)系為指定物鏡以F數(shù)為單位，因?yàn)閷?duì)于相同F(xiàn)數(shù)的不同物鏡來說，圖像強(qiáng)度（恒定快門速度下的曝光量）是一樣的。換句話說，F(xiàn)數(shù)表征單位入射光瞳直徑下不同焦距透鏡的接受光強(qiáng)的能力。

4.2.5

曝光量和光圈數(shù)F數(shù)是以

為公比的等比級(jí)數(shù)，因?yàn)閮杀度胪娣e（aperturearea）等于入瞳直徑增加

倍，F(xiàn)數(shù)的常用值為1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等。每一擋F數(shù)的變化改變1.4倍入瞳直徑，提高2倍到達(dá)像面的光強(qiáng)。最小F數(shù)是衡量鏡頭質(zhì)量好壞的重要參數(shù)之一。例如，電影攝影機(jī)用的鏡頭，最小F數(shù)可達(dá)0.85。F數(shù)越小，表示它能在光線較暗的情況曝光或用較短的時(shí)間曝光，可以進(jìn)行高速攝影。攝影光學(xué)系統(tǒng)采用調(diào)節(jié)光圈大小的方法來調(diào)節(jié)F數(shù)，光圈越小，F(xiàn)數(shù)越大，景深也越大，但由于像面的照度變小，需要相應(yīng)增加曝光時(shí)間，才能使感光底片得到相同的曝光量，定量關(guān)系是：曝光時(shí)間與F數(shù)的平方成正比。4.2.6

分辨率從波動(dòng)光學(xué)的角度看，當(dāng)光通過光學(xué)系統(tǒng)中的光闌等限制光波傳播的光學(xué)元件時(shí)要發(fā)生衍射，因而物點(diǎn)的像并不是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是以像點(diǎn)為中心具有一定大小的斑，稱為愛里斑（Airydisk）。如果兩個(gè)物點(diǎn)相距很遠(yuǎn)，它們各自形成的愛里斑就比較遠(yuǎn)，它們的像就容易區(qū)分開；如果兩個(gè)物點(diǎn)相距很近，對(duì)應(yīng)的愛里斑重疊太多，就不能清楚地分辨出兩個(gè)物點(diǎn)的像，所以光的衍射限制了光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨能力瑞利（Raylcigh）判據(jù)：當(dāng)一個(gè)愛里斑的邊緣正好與另一個(gè)愛里斑的中心重合時(shí)，這兩個(gè)愛里斑剛好能被區(qū)分開，如圖4-6所示。瑞利判據(jù)也是一條經(jīng)驗(yàn)判據(jù)，它是根據(jù)正常人眼的分辨能力提出的，正常人眼可以分辨出光強(qiáng)差20%的差別，當(dāng)一個(gè)愛里斑邊緣與另一個(gè)愛里斑中心重疊時(shí)，兩個(gè)愛里斑中心的光強(qiáng)是兩中心連線中點(diǎn)處光強(qiáng)的1.2（1.0/0.7351.2）倍。剛好被人眼區(qū)分開。用光學(xué)術(shù)語來說，瑞利判據(jù)定義了像中的圓形分辨單元，因?yàn)閮蓚€(gè)點(diǎn)光源可以被分辨的條件是它們不落在同一個(gè)分辨單元里。4.2.6

分辨率根據(jù)以上描述，瑞利距離可以表示為

圖4-6瑞利判據(jù)示意圖當(dāng)衍射斑中心距離大于或等于時(shí)可以分辨，小于時(shí)不能分辨。4.2.6

分辨率如果使用最小分辨角來描述，則瑞利判據(jù)可以表示為

。也就是說，兩個(gè)愛里斑中心對(duì)圓孔中心的張角，正好等于愛里斑半徑對(duì)圓孔中心的張角。光學(xué)系統(tǒng)的分辨率定義為的倒數(shù)，即

（4-17）式（4-17）表明，增大透鏡的直徑或減小入射光的波長都可以提高系統(tǒng)的光學(xué)分辨率。在天文望遠(yuǎn)鏡中，為了提高分辨率和增加光通量，總是使用直徑很大的透鏡作為物鏡。例如，加那列望遠(yuǎn)鏡通光孔徑達(dá)10.4m。而在顯微鏡中，為了提高分辨率，可用紫外光照射，在電子顯微鏡（electronmicorscope）中，電子物質(zhì)波的波長很短（0.001~0.1nm），因此電子顯微鏡的分辨率可比一般光學(xué)顯微鏡提高數(shù)千倍。4.2.6

分辨率式（4-17）決定了視場(chǎng)中心的分辨率，視場(chǎng)邊緣由于成像光束的孔徑角比軸上點(diǎn)小，分辨率有所降低。實(shí)際的成像物鏡總有一定的剩余像差，其分辨率要比理想分辨率低得多，而視場(chǎng)邊緣受軸外像差和光束漸暈的影響，要低得更多。有人認(rèn)為瑞利判據(jù)過于寬松，于是又提出另外兩個(gè)判據(jù)，即道斯（Dawes）判據(jù)和斯派羅（Sparrow）判據(jù)。根據(jù)道斯判據(jù)，人眼剛好能分辨兩個(gè)衍射斑的最小中心距為

根據(jù)斯派羅判據(jù)，兩衍射斑之間的最小中心距為

4.2.6

分辨率通過單獨(dú)分析單個(gè)透鏡分辨率以及后面章節(jié)中的光電成像器件和圖像采樣等，將它們綜合起來確定整個(gè)數(shù)字成像系統(tǒng)的像素間距。無論物體中包含有多高的頻率，超過成像系統(tǒng)MTF的截止頻率的那些信息并不能提供給數(shù)字化設(shè)備。而這個(gè)頻率也不會(huì)超出初始成像透鏡或反射鏡的光學(xué)傳遞函數(shù)（OTF）的截止頻率

這樣，如果我們令折疊頻率（采樣頻率的一半）等于OTF的截止頻率，就可以避免混疊。恰當(dāng)進(jìn)行插值，就能根據(jù)采樣點(diǎn)無誤差地重構(gòu)圖像。令折疊頻率等于圖像中出現(xiàn)的最高頻率，稱為按Nyquist標(biāo)準(zhǔn)采樣。按此準(zhǔn)則像素間距對(duì)攝像機(jī)而言為

。如果按照瑞利距離，像素間距應(yīng)為

，該數(shù)值比Nyquist標(biāo)準(zhǔn)給出的大22%。4.2.7

鏡頭選擇光學(xué)鏡頭是視覺測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，在選擇鏡頭時(shí)需要考慮多方面的因素。（1）鏡頭的成像尺寸應(yīng)大于或等于攝像機(jī)芯片尺寸。（2）考慮環(huán)境照度的變化。（3）選用合適的鏡頭焦距。（4）成像過程中需要改變放大倍率，采用變焦鏡頭，否則采用定焦鏡頭，并根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的狀態(tài)應(yīng)優(yōu)先選用定焦鏡頭。（5）接口類型互相匹配。（6）特殊要求優(yōu)先考慮。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，可能會(huì)有特殊要求。4.3光源光源照明系統(tǒng)是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測(cè)質(zhì)量的重要因素，其直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。需要具有以下特點(diǎn)或要求：（1） 盡可能突出物體的特征；（2） 增強(qiáng)目標(biāo)區(qū)域與背景區(qū)域的對(duì)比度，能夠有效的分割圖像；（3） 光譜要求：光源光譜功率分布的峰值波長應(yīng)與光電成像器件的靈敏波長一致；（4） 強(qiáng)度要求：光強(qiáng)會(huì)影響攝像機(jī)的曝光，光線不足對(duì)比度變低，需要加大放大倍數(shù)，這樣噪聲也會(huì)相應(yīng)放大，也可能使鏡頭的光圈加大，于是景深將減小。反過來，光強(qiáng)過高會(huì)浪費(fèi)能量，并產(chǎn)生熱量；（5） 均勻性要求：在所有的機(jī)器視覺應(yīng)用中，都會(huì)要求均勻的光照，因?yàn)樗械墓庠措S著距離的增加和照射角度的偏離，其照射強(qiáng)度減小，所以在對(duì)大面積物體照射時(shí)，會(huì)帶來較大的問題，有時(shí)只能做到視場(chǎng)的中心位置保持均勻；（6） 成像質(zhì)量要求：物體位置變化不影響成像質(zhì)量，測(cè)量過程中在一定范圍內(nèi)移動(dòng)物體時(shí)，照明效果不受影響。4.3.1光源的基本性能參數(shù)輻射效率和發(fā)光效率在給定的波長范圍內(nèi)，某一光源所發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生該輻射通量所需要的功率P之比，成為該光源的輻射效率在可見光范圍內(nèi)，某一光源的發(fā)光效率為光通量與功率P之比

和分別表示測(cè)量系統(tǒng)的光譜范圍，實(shí)際應(yīng)用中，采用輻射效率高的光源以節(jié)省能源。4.3.1光源的基本性能參數(shù)光譜功率分布光源輸出的功率與光譜有關(guān)，即與光的波長有關(guān)，稱為光譜的功率分布。四種典型的光譜功率分布如圖4-7所示。圖4-7（a）為線光源，如低壓汞燈光譜的功率分布；圖4-7（b）為帶狀光源，如高壓汞燈光譜；圖4-7（c）為連續(xù)光譜光譜，如白熾燈、鹵素?zé)艄庾V；圖4-7（d）為復(fù)合光譜，它由連續(xù)光譜與線狀、帶狀光譜組合而成，熒光燈光譜。4.3.1光源的基本性能參數(shù)光譜功率分布圖4-7四種典型的光譜功率分布（a）線狀光源（b）帶狀光源（c）連續(xù)光源（d）復(fù)合光源4.3.1光源的基本性能參數(shù)光源的顏色光源的顏色包含鈉色表和顯色性。一般用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光源的色表，如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色等。當(dāng)用這種光源照射物體時(shí)，物體呈現(xiàn)的顏色（即物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺）與該物體在完全輻射體照射下所呈現(xiàn)的顏色的一致性，稱為該光源的顯色性。4.3.2常用可見光源任何發(fā)出光輻射的物體都可以叫做光輻射源。這里所指的光輻射包括紫外光、可見光洪紅外光的輻射。通常把能夠發(fā)出可見光的物體叫做光源，而把能夠發(fā)出非可見光的物體叫做輻射源。按照光輻射來源的不同，通常將光源分成兩大類：自然光源和人工光源。自然光源主要包括太陽、恒星等，這些光源對(duì)地面輻射通常不穩(wěn)定且無法控制，在視覺測(cè)量中很少使用，并且作為雜散光予以消除或抑制，因而視覺測(cè)量系統(tǒng)中大量使用人工光源。按照工作原理不同，人工光源大致分為熱輻射光源、氣體放電光源、發(fā)光二極管和激光光源。4.3.2常用可見光源

自然光源：太陽、恒星…… 按照光輻射來源不同

人工光源（按照工作原理不同）

熱輻射光源氣體放電光源發(fā)光二極管激光光源4.4圖像采集卡計(jì)算機(jī)通過圖像采集卡（imagecapturecard）接收來自圖像傳感器的模擬信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行采樣、量化成數(shù)字信號(hào)，然后壓縮編碼成數(shù)字視頻序列。一般圖像采集卡采用幀內(nèi)壓縮的算法把數(shù)字化的視頻存儲(chǔ)成AVI文件，高檔的圖像采集卡直接把采集到的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮成MPEG-1格式的文件4.4圖像采集卡圖像采集卡模擬圖像采集卡與數(shù)字圖像采集卡彩色圖像采集卡與黑白圖像采集卡面掃描圖像采集卡與線掃描圖像采集卡圖像采集卡的分類4.4圖像采集卡圖像采集卡的技術(shù)參數(shù)（1）圖像傳輸格式。圖像采集卡需要支持系統(tǒng)中攝像機(jī)所采用的輸出信號(hào)格式大多數(shù)攝像機(jī)采用RS422或EIA(LVDS)作為輸出信號(hào)格式。在數(shù)字?jǐn)z像機(jī)中廣泛應(yīng)用IEEE1394，USB2.0，USB3.0，GigE，5GigE和CameraLink幾種圖像傳輸形式。（2）圖像格式（像素格式）①黑白圖像。通常情況下，圖像灰度等級(jí)可分為256級(jí)，即以8位表示。

在對(duì)圖像灰度有更高的要求時(shí)，可用10位、12位等來表示。②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(jí)別的不同有8-8-8,10-10-10等格式。4.4圖像采集卡圖像采集卡的技術(shù)參數(shù)（3）傳輸通道數(shù)。當(dāng)攝像機(jī)以較高速率拍攝高分辦率的圖像時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的輸出速率，一般需要多路信號(hào)同時(shí)輸出。因此圖像采集卡應(yīng)能支持多路輸入。一般情況下，圖像采集卡有1路、2路、4路、8路輸入等。（4）分辦率。采集卡能支持的最大點(diǎn)陣反映了其分辨率的性能。一般采集卡可支持768×576點(diǎn)陣，而性能優(yōu)異的采集卡其支持的最大點(diǎn)陣可達(dá)64K×64K。除此之外，單行最大點(diǎn)數(shù)和單幀最大行數(shù)也可反映采集卡的分辨率性能。(5)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(shí)，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。目前高檔采集卡的采樣頻率可達(dá)65MHz。(6)傳輸速率。主流圖像采集卡與計(jì)算機(jī)主板間都采用PCI接口，其理論傳輸速度為132Mbps。PCI-E、PCI-X是更高速的總線接口。4.4圖像采集卡圖像采集卡的技術(shù)參數(shù)（7）幀和場(chǎng)。標(biāo)準(zhǔn)模擬視頻信號(hào)是隔行信號(hào)，一幀分兩場(chǎng)，偶數(shù)場(chǎng)包含所有偶

數(shù)行，奇數(shù)場(chǎng)包含所有奇數(shù)行。采集和傳輸過程使用的是場(chǎng)而不是幀，一

幀圖像的兩場(chǎng)之間有時(shí)間差4.5數(shù)據(jù)通信接口PCI總線和PC104總線PCI（PeripheralComponentInterconnect，外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）總線是計(jì)算機(jī)的一種標(biāo)準(zhǔn)總線，是目前PC中使用最為廣泛的接口。PCI總線的地址總線與數(shù)據(jù)總線是分時(shí)復(fù)用的。這樣做，一方面可以節(jié)省接插件的引腳數(shù)，另一方面便于實(shí)現(xiàn)突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。CameraLink通信接口CameraLink標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了數(shù)字?jǐn)z像機(jī)和圖像采集卡之間的接口，采用了統(tǒng)一的物理接插件和線纜定義。只要是符合CameraLink標(biāo)準(zhǔn)的攝像機(jī)和圖像卡就可以物理上互連。CameraLink標(biāo)準(zhǔn)中包含Base、Medium、Full三個(gè)規(guī)范，但都使用統(tǒng)一的線纜和接插件。CameraLinkBase使用4個(gè)數(shù)據(jù)通道，Medium使用8個(gè)數(shù)據(jù)通道，F(xiàn)ull使用12個(gè)數(shù)據(jù)通道。CameraLink標(biāo)準(zhǔn)支持的最高數(shù)據(jù)傳輸率可4.5數(shù)據(jù)通信接口達(dá)680Mbps。CameraLink標(biāo)準(zhǔn)中還提供了一個(gè)雙向的串行通信連接。圖像卡和攝像機(jī)可以通過它進(jìn)行通信，用戶可以通過從圖像卡發(fā)送相應(yīng)的控制指令來完成攝像機(jī)的硬件參數(shù)設(shè)置和更改，方便用戶以直接編程的方式控制攝像機(jī)。從CameraLink標(biāo)準(zhǔn)推出之日起，各個(gè)圖像卡生產(chǎn)商就積極支持該標(biāo)準(zhǔn)，因此，LVDS和ChannelLink接口的硬件已經(jīng)淡出了市場(chǎng)。如果用戶需要開發(fā)一個(gè)新的高性能機(jī)器視覺系統(tǒng)，無論是選擇攝像機(jī)或圖像卡時(shí)，都應(yīng)該優(yōu)先考慮采用CameraLink接口的產(chǎn)品。IEEE1394通信接口IEEE1394是一種與平臺(tái)無關(guān)的串行通信協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)速度分為100Mbps、200Mbps和400Mbps，是IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會(huì)）于1995年正式制定的總線標(biāo)準(zhǔn)。目前，1394商業(yè)聯(lián)盟正在負(fù)責(zé)對(duì)它進(jìn)行改進(jìn)，爭(zhēng)取未來將速度提升4.5數(shù)據(jù)通信接口至800Mbps、1Gbps和1.6Gbps這三個(gè)檔次。相比于BIA接口和USB接口，IEEE1394的速度要高得多，所以，IEEE1394也稱為高速串行總線。從技術(shù)上看，IEEE1394具有很多優(yōu)點(diǎn)。首先，它是一種純數(shù)字接口，在設(shè)備之間進(jìn)行信息傳輸?shù)倪^程中，數(shù)字信號(hào)不用轉(zhuǎn)換