智能傳感器應(yīng)用實(shí)踐 課件 4-1 項(xiàng)目四任務(wù)一 機(jī)器視覺(jué)硬件設(shè)備的搭建

TASKONE任務(wù)一機(jī)器視覺(jué)硬件設(shè)備的搭建任務(wù)描述|任務(wù)分析|知識(shí)鏈接|任務(wù)實(shí)施

隨著工業(yè)4.0的到來(lái)，機(jī)器視覺(jué)及其應(yīng)用在智能制造領(lǐng)域越來(lái)越重要，已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中不可或缺的部分。本次任務(wù)在?？禉C(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，如圖所示，要求完成：

（1）機(jī)器視覺(jué)的基本概念、機(jī)器視覺(jué)的組成及應(yīng)用；

（2）完成機(jī)器視覺(jué)硬件部分如相機(jī)、光源、鏡頭的選型；

（3）運(yùn)用海康威視視覺(jué)系統(tǒng)管理軟件VisionMaster對(duì)圖像進(jìn)行處理；

（4）機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)正確與PLC通訊，并且能通過(guò)觸摸屏正確顯示對(duì)應(yīng)結(jié)果。任務(wù)一描述2任務(wù)分析知識(shí)點(diǎn)技能點(diǎn)機(jī)器視覺(jué)基本概念能夠掌握機(jī)器視覺(jué)的組成、優(yōu)勢(shì)，了解機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用工業(yè)相機(jī)的參數(shù)能夠根據(jù)實(shí)際需求，選擇正確的工業(yè)相機(jī)機(jī)器視覺(jué)光源的分類能夠根據(jù)實(shí)際需求，選擇正確的光源機(jī)器視覺(jué)鏡頭的參數(shù)及分類能夠根據(jù)實(shí)際需求，選擇正確的鏡頭知識(shí)鏈接——一、機(jī)器視覺(jué)概述4

機(jī)器視覺(jué)，就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量及判斷，對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)處理并報(bào)告“圖像中有什么”的過(guò)程。美國(guó)制造工程師協(xié)會(huì)（SMESocietyofManufacturingEngineers）機(jī)器視覺(jué)分會(huì)和美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)（RIARoboticIndustriesAssociation）的自動(dòng)化視覺(jué)分會(huì)對(duì)機(jī)器視覺(jué)下的定義為：“機(jī)器視覺(jué)是通過(guò)光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置”。

機(jī)器視覺(jué)，就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量及判斷，對(duì)圖像進(jìn)行自動(dòng)處理并報(bào)告“圖像中有什么”的過(guò)程。美國(guó)制造工程師協(xié)會(huì)（SMESocietyofManufacturingEngineers）機(jī)器視覺(jué)分會(huì)和美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)（RIARoboticIndustriesAssociation）的自動(dòng)化視覺(jué)分會(huì)對(duì)機(jī)器視覺(jué)下的定義為：“機(jī)器視覺(jué)是通過(guò)光學(xué)的裝置和非接觸的傳感器自動(dòng)地接收和處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的裝置”。知識(shí)鏈接——一、機(jī)器視覺(jué)概述5（一）機(jī)器視覺(jué)的組成機(jī)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是傳感技術(shù)七大類中的一個(gè)，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是指通過(guò)對(duì)攝像機(jī)拍攝到的圖像進(jìn)行圖像處理，來(lái)計(jì)算對(duì)象物的特征量（面積、重心、長(zhǎng)度、位置等），并輸出數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果的傳感器。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)信息的直接來(lái)源，主要由一個(gè)或者兩個(gè)圖形傳感器組成，有時(shí)還要配以光投射器及其他輔助設(shè)備。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的主要功能是獲取足夠的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)要處理的最原始圖像。

典型的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一般包括：光源、鏡頭、相機(jī)、傳感器、圖像分析處理軟件、通訊接口等組成。圖

機(jī)器視覺(jué)基本結(jié)構(gòu)知識(shí)鏈接——一、機(jī)器視覺(jué)概述6（二）機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用

機(jī)器視覺(jué)被稱為自動(dòng)化的眼睛，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究及國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。視覺(jué)的最大優(yōu)點(diǎn)是與被觀測(cè)的對(duì)象無(wú)接觸，因此對(duì)觀測(cè)與被觀測(cè)者都不會(huì)產(chǎn)生任何損傷，十分安全可靠，這是其他感覺(jué)方式無(wú)法比擬的。另外，視覺(jué)方式所能檢測(cè)的對(duì)象十分廣泛，可以說(shuō)對(duì)對(duì)象是不加選擇的。

理論上，人眼觀察不到的范圍計(jì)算機(jī)視覺(jué)也可以觀察。例如紅外線、微波、超聲波等人類就觀察不到，而機(jī)器視覺(jué)則可以利用這方面的敏感器件形成紅外線、微波、超聲波等圖像。因此可以說(shuō)機(jī)器視覺(jué)擴(kuò)展了人類的視覺(jué)范圍。

機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用研究，已經(jīng)拓展到幾乎每個(gè)可能的工業(yè)領(lǐng)域。最主要的應(yīng)用行業(yè)，為汽車(chē)、制藥、電子與電氣、制造、包裝/食品/飲料、醫(yī)學(xué)等。在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中，涉及到各種各樣的檢查、測(cè)量和零件識(shí)別應(yīng)用，例如汽車(chē)零配件尺寸檢查和自動(dòng)裝配的完整性檢查、電子裝配線的元件自動(dòng)定位、飲料瓶蓋的印刷質(zhì)量檢查、產(chǎn)品包裝上的條碼和字符識(shí)別等。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。典型的線徑的在線檢測(cè)與控制，如被加工工件的直徑測(cè)量、銅線的拉線線徑測(cè)量與控制，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量方法存在缺陷，人工在線測(cè)量是不可能的。

采用線陣CCD線徑測(cè)量方法，是較早期機(jī)器視覺(jué)成功應(yīng)用的例證。機(jī)器視覺(jué)的特點(diǎn)是自動(dòng)化、客觀、非接觸和高精度，與一般意義上的圖像處理系統(tǒng)相比，機(jī)器視覺(jué)強(qiáng)調(diào)的是精度和速度，以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的可靠性。

機(jī)器視覺(jué)極適用于大批量生產(chǎn)過(guò)程中的測(cè)量、檢查和辨識(shí)。線陣CCD在連續(xù)、掃描在線測(cè)量中的應(yīng)用非常具有優(yōu)勢(shì)，如面積測(cè)量，不僅得到的結(jié)果準(zhǔn)確，而且實(shí)時(shí)、快捷。知識(shí)鏈接——一、機(jī)器視覺(jué)概述7（三）機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用的拓展

知識(shí)鏈接——二、工業(yè)相機(jī)8

工業(yè)相機(jī)工作過(guò)程：通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，如面積、數(shù)量、位置、長(zhǎng)度等，再根據(jù)預(yù)設(shè)的允許度和其他條件輸出結(jié)果，例如尺寸、角度、個(gè)數(shù)、合格/不合格、有/無(wú)等，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。圖

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成知識(shí)鏈接——二、工業(yè)相機(jī)9（一）工業(yè)相機(jī)的主要參數(shù)1.分辨率（Resolution）：相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)（Pixels），對(duì)于數(shù)字相機(jī)一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對(duì)應(yīng)的，對(duì)于模擬相機(jī)則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480，模擬相機(jī)已經(jīng)逐步被數(shù)字相機(jī)代替，且分辨率已經(jīng)達(dá)到6576*4384。2.像素深度（PixelDepth）：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit、14Bit等。3.最大幀率（FrameRate）/行頻（LineRate）：線陣相機(jī)都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時(shí)間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間；面陣相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec.），對(duì)于線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)（Lines/Sec.）。知識(shí)鏈接——二、工業(yè)相機(jī)10（一）工業(yè)相機(jī)的主要參數(shù)4.曝光方式（Exposure）和快門(mén)速度（Shutter）：對(duì)于有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見(jiàn)方式，數(shù)字相機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能。快門(mén)速度一般可到10微秒，高速相機(jī)還可以更快。5.像元尺寸（PixelSize）：像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機(jī)靶面的大小。數(shù)字相機(jī)像元尺寸為3μm~10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。6.光譜響應(yīng)特性（SpectralRange）：是指該像元傳感器對(duì)不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm，一些相機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對(duì)紅外感光時(shí)可去掉該濾鏡。7.接口類型：有CameraLink接口，以太網(wǎng)接口，1394接口、USB接口輸出，目前最新的接口有CoaXPress接口。知識(shí)鏈接——二、工業(yè)相機(jī)11（二）工業(yè)相機(jī)的分類

1.按照芯片類型：CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)

互補(bǔ)金屬氧化物圖像傳感器，英文簡(jiǎn)稱為CMOS，是一種典型的固體成像傳感器，與電荷耦合器件（英文簡(jiǎn)稱為CCD）的研究起步時(shí)間相差不遠(yuǎn)。CMOS傳感器的組成主要包括像素單元陣列、行列驅(qū)動(dòng)器、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)總線、控制接口等。與CCD傳感器相比，其具有體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且所能達(dá)到的圖像分辨率符合設(shè)計(jì)的要求。圖

普通相機(jī)與工業(yè)相機(jī)

知識(shí)鏈接——二、工業(yè)相機(jī)12（二）工業(yè)相機(jī)的分類2.按照傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為線陣相機(jī)、面陣相機(jī)

線陣相機(jī)，是采用線陣圖像傳感器的相機(jī)。面陣相機(jī)是一款成像工具，它主要是用來(lái)進(jìn)行圖像采集的，它可以一次性地來(lái)獲取圖像。它的圖像是很直觀的。在物體的形狀、尺寸等等方面的測(cè)量應(yīng)用上所起到的作用是很大的，它可以分為幀轉(zhuǎn)移、隔列轉(zhuǎn)移、線轉(zhuǎn)移以及全幀轉(zhuǎn)移這四種類型的相機(jī)。

面陣相機(jī)是一款成像工具，它主要是用來(lái)進(jìn)行圖像采集的，它可以一次性地來(lái)獲取圖像。它的圖像是很直觀的。在物體的形狀、尺寸等等方面的測(cè)量應(yīng)用上所起到的作用是很大的，它可以分為幀轉(zhuǎn)移、隔列轉(zhuǎn)移、線轉(zhuǎn)移以及全幀轉(zhuǎn)移這四種類型的相機(jī)。知識(shí)鏈接——二、工業(yè)相機(jī)13（二）工業(yè)相機(jī)的分類3.按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)

隔行掃描：電視“標(biāo)準(zhǔn)”2：1

這是RS-170“標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)”的掃描次序。這種由廣播電視系統(tǒng)（CCTV）發(fā)展起來(lái)掃描方式可以相對(duì)較低（30Hz）的幀速提供更為清晰的圖像。從一幀圖像的頂部開(kāi)始，分為2場(chǎng)，相機(jī)在第一個(gè)半幀時(shí)間里讀所有的奇數(shù)線（1.3.5??479）（奇數(shù)場(chǎng)）。然后在第二個(gè)半幀時(shí)間里又從幀頂開(kāi)始讀所有的偶數(shù)線（0.2.4?..478）（偶數(shù)場(chǎng)）。

逐行掃描，在機(jī)器視覺(jué)、圖像檢測(cè)分析應(yīng)用中，逐行掃描相機(jī)正在變得越來(lái)越流行。逐行掃描相機(jī)從一幀圖像中的頂部至底部以自然次序（0.1.2…479）進(jìn)行逐行掃描。一些線性逐行掃描相機(jī)具有附加的電路，可把連續(xù)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成2：1的隔行掃描格式的數(shù)據(jù)。知識(shí)鏈接——二、工業(yè)相機(jī)14（二）工業(yè)相機(jī)的分類4.按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)

分辨率是屏幕圖像的精密度，是指顯示器所能顯示的像素的多少。

由于屏幕上的點(diǎn)、線和面都是由像素組成的，顯示器可顯示的像素越多，畫(huà)面就越精細(xì)。同樣的，在工業(yè)相機(jī)的概念里，分辨率的大小也是由像素?cái)?shù)來(lái)表示的。

在相同的視場(chǎng)下，分辨率越高就意味著顯示的信息越多，能識(shí)別的精度越高，也就越能看清圖像的細(xì)節(jié)，所以分辨率是個(gè)非常重要的性能指標(biāo)之一。知識(shí)鏈接——二、工業(yè)相機(jī)15（二）工業(yè)相機(jī)的分類5.按照輸出方式可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)

模擬相機(jī)與數(shù)字相機(jī)大有不同，首先，從外觀來(lái)看，模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)最大的區(qū)別就在于接口的不同。

模擬相機(jī)最常用的接口一般有BNC、蓮花頭、S-Video等幾種，其中最常見(jiàn)的就是BNC接口了，而這幾種接口之間也是可以相互轉(zhuǎn)換的。另外，還有一些高清的模擬相機(jī)，會(huì)采用VGA、HDMI或其他的接口類型，那都是屬于比較少見(jiàn)的了。數(shù)字相機(jī)最常見(jiàn)的接口一般分USB、IEEE1394、GIGE、camera

link等幾種次，從數(shù)據(jù)本身來(lái)看，它們就有本質(zhì)的區(qū)別了。

數(shù)字相機(jī)其內(nèi)部有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)以數(shù)字形式傳輸，能夠直接顯示在電腦或電視屏幕上，因而數(shù)字輸出相機(jī)可以避免傳輸過(guò)程的圖像衰減或噪聲。數(shù)字相機(jī)圖像質(zhì)量好，分辨率可選擇范圍大，幀速高，是做圖像處理和視覺(jué)檢測(cè)項(xiàng)目的優(yōu)質(zhì)之選。知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源16（一）光源的作用

通過(guò)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(jué)系統(tǒng)中，光源的作用至少有以下幾種：1.照亮目標(biāo)，提高亮度；2.形成有利于圖像處理的效果；3.克服環(huán)境光干擾，保證圖像穩(wěn)定性；4.用作測(cè)量的工具或參照物。知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源17（二）光源分類及特點(diǎn)

光源是指能夠產(chǎn)生光輻射的輻射源，一般分為天然光源和人造光源。天然光源是自然界中存在的輻射源，如太陽(yáng)、天空、恒星等。圖

光的分類知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源18（二）光源分類及特點(diǎn)

人造光源是人為將各種形式的能量（熱能、電能、化學(xué)能）轉(zhuǎn)化成光輻射能的器件，其中利用電能產(chǎn)生光輻射的器件稱為電光源。按照發(fā)光機(jī)理，人工光源一般可以分為表中幾類：表

光的分類人工光源熱輻射光源白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射器氣體放電光源汞燈熒光燈鈉燈金屬鹵化物燈氚燈空心陰極燈固體反光光源場(chǎng)致發(fā)光二極管發(fā)光二極管空心陰極燈激光器氣體激光器固體激光器燃料激光器半導(dǎo)體激光器知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源19（三）光源的基本參數(shù)

1. 輻射效率和發(fā)光效率

在給定λ1---λ2波長(zhǎng)范圍內(nèi)，某一光源發(fā)出的輻射通量與產(chǎn)生這些輻射通量所需的電功率比，稱為該光源在規(guī)定光譜范圍內(nèi)的輻射效率。2.光譜功率分布

自然光源和人造光源大都是由單色光組成的復(fù)色光。不同光源在不同光譜上輻射出不同的光譜功率，常用光譜功率分布來(lái)描述。若令其最大值為1，將光譜功率分布進(jìn)行歸一化，那么經(jīng)過(guò)歸一化后的光譜功率分布稱為相對(duì)光譜功率分布。3.空間光強(qiáng)分布對(duì)于各向異性光源，其發(fā)光強(qiáng)度在空間各方向上是不相同的。若在空間某一截面上，自原點(diǎn)向各徑向取矢量，矢量的長(zhǎng)度與該方向的發(fā)光強(qiáng)度成正比。將各矢量的斷電連起來(lái)，就得到光源在該截面上的發(fā)光強(qiáng)度曲線，即配光曲線。

知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源20（三）光源的基本參數(shù)4.光源的色溫黑體的溫度決定了它的光輻射特性。對(duì)非黑體輻射，它的某些特性?？捎煤隗w輻射的特性來(lái)近似的表示。對(duì)于一般光源，經(jīng)常用分布溫度、色溫或相關(guān)色溫表示。

5.光源的顏色光源的顏色包含了兩方面的含義，即色表和顯色性。用眼睛直接觀察光源時(shí)所看到的顏色稱為光源的色表。例如高壓鈉燈的色表呈黃色，熒光燈的色表呈白色。當(dāng)用這種光源照射物體時(shí)，物體呈現(xiàn)的顏色（也就是物體反射光在人眼內(nèi)產(chǎn)生的顏色感覺(jué)）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。國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）規(guī)定了14種特殊物體作為檢驗(yàn)光源顯色性的“試驗(yàn)色”。6.光源的壽命

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)多用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)與器件的維護(hù)時(shí)用戶關(guān)心的重要問(wèn)題。采用長(zhǎng)壽命光源降低后期維護(hù)費(fèi)用是用戶的廣泛需求。知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源21（四）光源選型對(duì)成像影響光源的選型和打光方案直接決定了圖像的成像質(zhì)量如圖所示,因此光源是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中非常重要的一部分,它直接影響圖像的質(zhì)量,進(jìn)而影響到系統(tǒng)的性能。圖

光源選型對(duì)成像的影響知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源22（四）光源選型對(duì)成像影響1.明視野與暗視野（如圖4-11）明視野是用直射光來(lái)觀察對(duì)象物整體，散亂光呈黒色。因此背景為白色，而被測(cè)物體則呈現(xiàn)較暗的像。暗視野是用散射光來(lái)觀察對(duì)象物整體，直射光呈白色。它的特點(diǎn)和明視野不同，不直接觀察到照明的光線，而觀察到的是被檢物體反射或衍射的光線。因此，視場(chǎng)成為黑暗的背景，而被檢物體則呈現(xiàn)明亮的像。圖

暗視野與亮視野知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源23（四）光源選型對(duì)成像影響1.明視野與暗視野

明視野是用直射光來(lái)觀察對(duì)象物整體，散亂光呈黒色。因此背景為白色，而被測(cè)物體則呈現(xiàn)較暗的像。

暗視野是用散射光來(lái)觀察對(duì)象物整體，直射光呈白色。它的特點(diǎn)和明視野不同，不直接觀察到照明的光線，而觀察到的是被檢物體反射或衍射的光線。因此，視場(chǎng)成為黑暗的背景，而被檢物體則呈現(xiàn)明亮的像。圖

暗視野與亮視野知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源24（四）光源選型對(duì)成像影響2.低角度無(wú)影光源照明

低角度無(wú)影光源是采用獨(dú)特的照射結(jié)構(gòu)，從LED發(fā)出的光均勻地?cái)U(kuò)散照射，柔性線路板以90度照身角度固定，經(jīng)漫反射板折射后低角度照射在被測(cè)物體上，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行高效的低角度照明，以強(qiáng)化表面特征的一種光源。這種為暗視野照明，也就是被測(cè)物體表面大部分反光都不進(jìn)攝像頭，故背景呈黑色，只有物體高低不平之處的反光進(jìn)入攝像頭，比如金屬表面劃痕的檢測(cè)，背景呈黑色，劃痕呈白色。圖

低角度無(wú)影光源照明與普通照明對(duì)比知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源25（四）光源選型對(duì)成像影響3.前向光直射照明

較大方形結(jié)構(gòu)被測(cè)物的首選光源；顏色可根據(jù)需求搭配，自由組合；照射角度與安裝隨意可調(diào)。這種為明視野照明，也就是被測(cè)物體表面大部分反光都能進(jìn)攝像頭，故背景呈白色，比如物體表面突出特征的檢測(cè)。圖

前向光直射照明所拍攝的效果知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源26（四）光源選型對(duì)成像影響4.前向光漫射照明

提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維信息；高密度LED陣列，高亮度；多種緊湊設(shè)計(jì)，節(jié)省安裝空間；解決對(duì)角照射陰影問(wèn)題；可選配漫射板導(dǎo)光，光線均勻擴(kuò)散。這種為明視野照明，也就是被測(cè)物體表面大部分反光都能進(jìn)攝像頭，故背景呈白色，比如物體表面突出特征的檢測(cè)。圖

前向光漫射照明與普通照明對(duì)比知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源27（四）光源選型對(duì)成像影響5.背光照明

用高密度LED陣列面提供高強(qiáng)度背光照明，能突出物體的外形輪廓特征，尤其適合作為顯微鏡的載物臺(tái)。紅白兩用背光源、紅藍(lán)多用背光源，能調(diào)配出不同顏色，滿足不同被測(cè)物多色要求。圖

背光照明對(duì)比（前向光漫射照明對(duì)比）知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源28（四）光源選型對(duì)成像影響6.顏色與補(bǔ)色

假如兩種色光(單色光或復(fù)色光)以適當(dāng)?shù)乇壤旌隙墚a(chǎn)生白色感覺(jué)時(shí)，則這兩種顏色就稱為“互為補(bǔ)色”。

例如，品紅與綠、黃與藍(lán)，亦即三原色中任—種原色對(duì)其余兩種的混合色光都互為補(bǔ)色。補(bǔ)色相減(如顏料配色時(shí)，將兩種補(bǔ)色顏料涂在白紙的同一點(diǎn)上)時(shí)，就成為黑色。補(bǔ)色并列時(shí)，會(huì)引起強(qiáng)烈對(duì)比的色覺(jué)，會(huì)感到紅的更紅、綠的更綠。如將補(bǔ)色的飽和度減弱，即能趨向調(diào)和，稱為減色混合。能把白光完全反射的物體叫白體；能完全吸收照射光的物體叫黑體(絕對(duì)黑體)。

巧妙地選擇照明色及運(yùn)用補(bǔ)色的手法,可使難以攝取的圖像一舉成功,或能取得更為優(yōu)質(zhì)的圖像。圖

使用不同光源所照射的不同效果知識(shí)鏈接——三、機(jī)器視覺(jué)光源29（四）光源選型對(duì)成像影響7.偏光技術(shù)應(yīng)用

偏光(polarizedlight)又稱偏振光?？梢?jiàn)光是橫波，其振動(dòng)方向垂直于傳播方向。自然光的振動(dòng)方向，在垂直傳播方向的平面內(nèi)是任意的；對(duì)于偏光，其振動(dòng)方向在某一瞬間，被限定在特定方向上。圖

偏光技術(shù)應(yīng)用知識(shí)鏈接——四、機(jī)器視覺(jué)鏡頭30（一）鏡頭的基本構(gòu)成

光學(xué)鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中非常重要。一個(gè)鏡頭的成像質(zhì)量?jī)?yōu)劣，即其對(duì)像差校正的優(yōu)良與否，可通過(guò)像差大小來(lái)衡量。常見(jiàn)的像差有球差、彗差、像散、場(chǎng)曲、畸變、色差等六種。

對(duì)定焦鏡頭和變焦鏡頭來(lái)講，同一檔次的定焦鏡頭的像差肯定比變焦鏡頭的小，因?yàn)樽兘圭R頭必須折衷考慮，使各種不同焦距下的成像質(zhì)量都相對(duì)較好，不允許出現(xiàn)某個(gè)焦距(在變焦范圍內(nèi))下很差的情況。所以在機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)中，根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的狀態(tài)應(yīng)優(yōu)先選用定焦鏡頭。此外再綜合考慮圖像的放大倍率、視場(chǎng)大小、光圈大小、焦距、視角大小等因素進(jìn)行具體選擇。知識(shí)鏈接——四、機(jī)器視覺(jué)鏡頭31（一）鏡頭的基本構(gòu)成常見(jiàn)的以成像為目的的鏡頭，可以分為透鏡組合光闌兩部分。1.透鏡

單個(gè)透鏡是進(jìn)行光束變換的基本單元。

常見(jiàn)的有凸透鏡和凹透鏡兩種，凸透鏡對(duì)光線具有會(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)中常常將這兩類鏡頭結(jié)合使用，校正各種像差和失真，以達(dá)到滿意的成像效果。2.光闌

光闌的作用就是約束進(jìn)入鏡頭的光束部分。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。知識(shí)鏈接——四、機(jī)器視覺(jué)鏡頭32（二）鏡頭的主要參數(shù)1.焦距

焦距（f”）：概念上講，無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)的軸上共軛點(diǎn)是鏡頭的（像方）焦點(diǎn)，而此焦點(diǎn)到（像方）主面的距離稱為焦距。2.光圈&相對(duì)孔徑

光圈和相對(duì)孔徑是兩個(gè)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的比值；而光圈（通常用F表示）是相對(duì)孔徑的倒數(shù)。3.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(lái)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(lái)衡量，用成像最大范圍構(gòu)成的張角表示（2ω）。在近距離成像中，常用實(shí)際物面的幅面表示（V+H）成像范圍，也稱為鏡頭的視場(chǎng)。4.工作距離

鏡頭與目標(biāo)之間的距離稱為鏡頭的工作距離。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）所以它允許的工作距離是一個(gè)有限范圍。知識(shí)鏈接——四、機(jī)器視覺(jué)鏡頭33（二）鏡頭的主要參數(shù)5.像面尺寸

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(guò)這個(gè)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。6.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。7.工作波長(zhǎng)與透過(guò)率

鏡頭是成像的器件，它的工作對(duì)象就是電磁波。一個(gè)世紀(jì)的鏡頭在設(shè)計(jì)制造出來(lái)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)范圍通常稱為工作波長(zhǎng)。例如常見(jiàn)鏡頭工作在科技那光波段（360nm-780nm），除此之外還有紫外或紅外鏡頭等。8.景深

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。9.接口

鏡頭需要與相機(jī)進(jìn)行配合才能使用，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好規(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口等。知識(shí)鏈接——四、機(jī)器視覺(jué)鏡頭34（三）鏡頭分類

鏡頭的種類繁多，已經(jīng)發(fā)展成了一個(gè)龐大的體系，以適應(yīng)各種場(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(lái)進(jìn)行：

按照工作波長(zhǎng)分為：X-ray、紫外、可見(jiàn)光、近紅外、紅外

按照變焦與否分為：定焦鏡頭、變焦鏡頭

按照工作距離分為：望遠(yuǎn)物鏡（物距很大）、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，線陣鏡頭和其他類型的鏡頭并沒(méi)有本質(zhì)是差異。只是對(duì)鏡頭的使用方式不