图像与机器视觉产品手册

2.1为什么要使用光源机器视觉系统的核心是图像采集和处理。所有信息均来源于图像之中，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。而光源则是影响机器视觉系统图像质量的重要因素，照明对输入数据的影响至少占到30％。通过适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统设计的成败是决定系统成败的首要因素。在机器视觉系统中，光源的作用至少有以下几种：照亮目标，提高目标亮度；形成最有利于图像处理的成像效果；克服环境光干扰，保证图像的稳定性；用作测量的工具或参照。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要设计相应的照明装置，以达到最佳效果。机器视觉系统的光源的价值也正在于此。3.1镜头基本构成常见的以成像为目的的镜头，可以分为透镜组和光阑两部分。■透镜单个透镜是进行光束变换的基本单元。常见的有凸透镜和凹透镜两种，凸透镜对光线具有会聚作用，也称为会聚透镜或正透镜；凹透镜对光线具有发散作用，也称为发散透镜或负透镜。镜头设计中常常将这两类透镜结合使用，校正各种像差和失真，以达到满意的成像效果。■光阑光阑的作用就是约束进入镜头的光束成分。使有益的光束进入镜头成像，而有害的光束不能进入镜头。根据光阑设置的目的不同，光阑又可以进一步细分为以下几种：孔径光阑：它决定了进入镜头的成像光束的多寡（口径）。从而决定了镜头成像面的亮度，是镜头的关键部件之一。通常讲的“调节光圈”，就是调节孔径光阑的口径，从而改变成像面的亮度。视场光阑：它限制、约束着镜头的成像范围。镜头的成像范围可能受一系列物理的边框、边界约束，因此实际镜头大多存在多个视场光阑。例如，每个单透镜的边框都能限制斜入射的光束，因此它们都可以算作视场光阑；CCD、CMOS或者其它感光器件的物理边界也限制了有效成像的范围，因此这些边界也是视场光阑。消杂光光阑：为限制杂散光到达像面而设置的光阑。镜头成像的过程中，除了正常的成像光束能到达像面外，仍有一部分非成像光束也到达像面，它们被统称为杂散光。杂散光对成像来说是非常有害的，相对于成像光束它们就是干扰、噪声，它们的存在降低了成像面的对比度，降低了系统的传函。为了减少杂散光的影响，可以在设计过程中设置光阑来吸收阻挡杂散光到达像面，为此目的而引入的光阑都称为消杂光光阑。一般地可以这样理解，透镜和光阑都是镜头的重要光学功能单元，透镜侧重于光束的变换（例如实现一定的组合焦距、减少像差等），光阑侧重于光束的取舍约束。3.2镜头主要参数焦距焦距（f’）：概念上讲，无限远目标的轴上共轭点是镜头的（像方）焦点，而此焦点到(像方)主面的距离称为焦距。焦距描述了镜头的基本成像规律：在不同物距上,目标的成像位置和成像大小由焦距决定。■光圈/相对孔径光圈和相对孔径是两个相关概念，相对孔径（通常用D/f’表示）是镜头入瞳直径与焦距的比值；而光圈（通常用F表示）是相对孔径的倒数。■视场/视场角视场和视场角是相似概念，它们都是用来衡量镜头成像范围的。在远距离成像中，例如望远镜、航拍镜头等场合，镜头的成像范围常用视场角来衡量，用成像最大范围构成的张角表示（2ω）。在近距离成像中，常用实际物面的幅面表示（VdxH）成像范围，也称为镜头的视场。这两个概念的使用没有绝对的界限，视使用方便而定。■工作距离(Workdistance)镜头与目标之间的距离称作镜头的工作距离。需要注意的是，一个实际镜头并不是对任何物距下的目标都能做到清晰成像（即使调焦也做不到），所以它允许的工作距离是一个有限范围。■像面尺寸一个镜头能清晰成像的范围是有限的，像面尺寸指它能支持的最大清晰成像范围（通常用其直径表示）。超过这个范围成像模糊，对比度降低。所以在给镜头选配CCD时，可以遵循“大的兼容小的”原则进行。就是镜头的像面尺寸大于（或等于）CCD尺寸。■像质（MTF、畸变）像质就是指镜头的成像质量，用于评价一个镜头的成像优劣。传函（调制传递函数的简称，用MTF表示）和畸变就是用于评价像质的两个重要参数。MTF：在成像过程中的对比度衰减因子。实际镜头成像，得到的像与实物相比，成像出现“模糊化”，对比度下降，通常用MTF来衡量成像优劣。如下图所示，为某个镜头中心视场的MTF曲线。图中横坐标是空间频率，纵坐标就是MTF值。由于实际成像中总有像差存在，成像的对比度总是下降的，作为对比度衰减因子的MTF也总是小于1的。像面上任何位置的MTF值都是空间频率的函数。一般地，空间频率越高，MTF值越低，意味着高频信息对比度衰减更快。例如图中80Lp/mm的空间频率对应的MTF=0.52，意即对于中心视场来说，空间频率为80Lp/mm的信号成像对比度要下降大约一半(相对于实际目标来说)。畸变：理想成像中，物像应该是完全相似的，就是成像没有带来局部变形，如下图1。但是实际成像中，往往有所变形，如图2、图3。畸变的产生源于镜头的光学结构、成像特性使然。畸变可以看作是像面上不同局部的放大率不一致引起的，是一种放大率像差。（a）原图无畸变（b）桶形畸变（c）枕形畸变■工作波长与透过率镜头是成像器件，它的工作对象就是电磁波。一个实际的镜头在设计制造出来以后，都只能对一定波长范围内的电磁波进行成像工作，这个波长范围通常称为镜头的工作波长。例如常见镜头工作在可见光波段（360nm——780nm），除此之外还有紫外或红外镜头等。镜头的透过率是与工作波长相关的一项指标，用于衡量镜头对光线的透过能力。为了使更多了光线到达像面，镜头中使用的透镜一般都是镀膜的，因此镀膜工艺、材料总的厚度和材料对光的吸收特性共同决定了镜头总的透过率。如下图所示为某镜头的透过率曲线，不同波长光线的透过率是不一样的。■景深在不做任何调节的情况下，在物方空间内，可接受的能清晰成像的空间范围。超出景深范围的目标，成像模糊，已不能接受。■接口镜头需要与相机进行配合使用，它们两者之间的连接方式通常称为接口。为提高各生产厂家镜头之间的通用性和规范性，业内形成了数种常用的固定接口，例如C口、CS口、F口等。3.3相关技术■调焦对于镜头来讲，不同物距上的目标成像的像距是不同的。对于需要观察的目标，它的成像面不一定与相机感光面重合，为了得到清晰像，就需要调整成像面的位置使之与感光面重合，这个过程就是调焦。常见的调焦方式有两种：整组移动这种调焦方式，就是调节过程中整个镜头一起前后移动，带动像面随之移动，在像面与相机感光面重合时，成像最清晰。这种整体调焦方式，不改变镜头的光学结构，镜头焦距没有变化。单组移动还有一种调焦方式，就是调节镜头中的某一组透镜，使它相对于其他透镜前后移动，也能带动像面平移，最终使像面与感光面重合，达到成像清晰。这种调焦方式，改变了镜头的光学结构，镜头焦距有所变化（一般不大）。例如，前面的透镜组对无穷远的目标成像在Image面上（也是CCD感光面位置），后工作距离L’，现在要对近处目标成像，像面位置在Image’，为了成像清晰需要调焦。一种办法就是整个透镜组一起相对CCD往前移动，使后工作距离扩大到L’’，CCD感光面与像面重合，成像清晰。这种办法就是整组移动式调焦。如下图所示。还有一种调焦办法：只移动透镜组中的某一（或几个一起）单透镜，也能达到调焦的目的，如下图所示。将第四透镜从位置A向前移动到A’，对近距离的目标来说，成像面也回到与CCD重合的位置，使成像清晰。这种调焦方式就称为单组移动式调焦。■变焦（Zoom）所谓变焦，指的是镜头本身可以通过调节，使焦距有较大的变化范围（通常用焦距变化的倍数来衡量，例如4倍变焦指最大焦距是最小焦距的4倍）。这种镜头使用中，可以通过变焦，改变成像放大倍率（在“大场景”和“局部特写”之间随意转换），适应性强，使用范围很广。变焦的实现方式：变焦过程中，通过光学系统中的两组（或更多）透镜相对移动，改变整个系统（镜头）的组合焦距，且同时保证像面位置不动，使图像放大倍率改变而且成像始终清晰。它与单组移动式调焦是不同的，单组移动式调焦意在改变成像面的位置（虽然也会引起镜头焦距的微小改变）；而变焦意在改变镜头的焦距（一般都是数倍的改变），它要求稳定像面不动。■自动光圈调节镜头的光圈，实质上是改变了孔径光阑的孔径大小，从而改变了进光量，达到成像面亮度调节的目的。这个过程，可以手动完成，也可以通过电机驱动来完成，后一种实现方式就是自动光圈调节。■远心（焦阑）镜头远心光路，一般地，可以分为物方远心光路和像方远心光路两种。孔径光阑位于镜头像方焦面上（“焦阑”因此得名），入瞳位于物方无限远处，这样的光路称为物方远心光路。这种光路的特点：物方入射主光线（红色表示）与光轴平行。孔径光阑位于物方焦面上，出瞳位于像方无限远处，这样的光路称为像方远心光路。这种光路的特点：像方出射主光线（红色表示）与光轴平行。这两种光路本质上是相通的，是同一种光路（焦阑）的正向和反向应用。它们较多的出现在测量仪器中，结合实际的应用会表现出各自的特点，需要加以注意。物方远心光路的成像特点：像的大小对物距不敏感，但是对像距很敏感；而像方远心光路的成像特点是，像的大小对物距很敏感，但是对像距不敏感。采用这两种远心光路设计制作的镜头，分别称作物方或者像方远心镜头。3.4镜头的分类镜头种类繁多，已经发展成一个庞大的体系，以适应各种场合条件下的应用。对镜头的划分也可以从不同的角度来进行：按工作波长分：X-ray、紫外、可见光、近红外、红外变焦与否：定焦、变焦工作距离：望远物镜（物距很大）、普通摄影镜头（物距适中）、显微镜头（物距很小）其它类别：线阵镜头：配合线阵相机使用的镜头。采用扫描式的工作方式，需要镜头与目标相对运动，每次曝光成像一条线，多次曝光组成一幅图像。线阵扫描成像的特点：CCD线阵方向的图像分辨率固定，而在目标的运动方向上，空间采样频率与运动的相对速度有关。从成像的角度讲，线阵镜头和其它类型的镜头并没有本质的差异。只是对镜头的使用方式不同而已。显微镜头：为了看清目标的细节特征，显微镜头一般使用在高分辨率的场合。它们基本的特点是工作距离短，放大倍率高，视场小。4.1芯片的分类4.1.1CCD和CMOS芯片在机器视觉中主要采用的两类光电传感芯片分别为CCD芯片和CMOS芯片，CCD是ChargeCoupledDevice（电荷耦合器件）的缩写，CMOS是ComplementaryMetal-Oxide-SemiconductorTransistor（互补金属氧化物半导体）的缩写。无论是CCD还是CMOS，他们的作用都是通过光电效应将光信号转换成电信号（电压/电流），进行存储以获得图像。CCD芯片出现于1970年，美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith首次提出了CCD的概念，随后建立了以一维势阱模型为基础的非稳态CCD的基本理论。随着半导体技术的不断发展，CCD技术以图像质量的优势成为成像器件中的主导技术。CMOS技术出现于1969年，比CCD还早一年，但由于存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充因子(有效像敏单元面积与总像元面积之比)较低(10%--20%)、响应速度慢等缺点，只能用于图像质量要求低的场合。直到1989年，出现了“主动像敏单元”(有源)结构。它不仅有光敏元件和像敏单元寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度，减小了噪声，扩大了动态范围，使CMOS图像传感器的一些性能参数与CCD图像传感器相接近，而在功能、功耗、尺寸和价格等方面要优于CCD图像传感器，所以得到越来越广泛应用。CCD和CMOS尽管在技术上有很大的差别，但基本成像过程都同样按以下步骤：1.光电转换（将入射光信号转换成电信号）；2.电荷收集（以一定的形式收集并贮存代表入射光能量的电荷信号）；3.信号转换与输出（CCD以模拟信号的形式输出，CMOS可以直接输出数字信号）它们的区别在于采用不同的方式和机制来实现以上功能。