技能培训 图像处理实用技巧

2图像处理基础知识3图像处理基础知识镜头篇-I01镜头的作用0402图像处理中使用的镜头的种类0403CCTV镜头的结构（CA-LH/LHR系列）0604镜头的特性07镜头篇-II05景深0806镜头的分辨率0907镜头的倍率1008F值1009镜头安装1010歪曲像差（失真）1011色像差112图像处理基础知识3图像处理基础知识综合版本上集拍摄篇12何谓像素1213像素的结构1214何谓像素直径1315CCD与CMOS不同在哪里？1316CCD的大小1317快门速度1418何谓增益1419正方网格和非正方网格15照明篇20光源的种类和特征1621LED1722扩散板以及偏光板19图像处理基础知识4图像处理基础知识55从提高产品的缺陷检测的正确性和高效性角度而言，图像处理是一种不可或缺的技术。近年来，这个领域的技术实现了突飞猛进，并且在生产现场等场所创造出众多成果。想要在现场正确实施图像处理，就不能不学习掌握图像处理的基础知识。此处，我们将就图像处理的基础知识进行说明。01镜头的作用图像处理是一个将进入摄像元件（CCD）的光转换成电子信号，并且将其作为数据进行使用的过程。其中最重要的部分就是将光汇集到摄像元件的镜头。镜头根据光的折射原理，可以将来自拍摄对象的光汇集到一点后成像。此时，汇集光线的点称为焦点，镜头中心到焦点的距离称为焦点距离。当镜头为凸镜时，焦点距离将根据镜头的厚度（膨胀）程度不同而各不相同。膨胀程度越大焦点距离越短。【光通过凸镜的的行进线路】A.平行于光轴的光发生折射后，经过焦点。B.通过凸镜中心的光保持原来方向行进。C.通过焦点进入凸镜的光发生折射后平行于光轴行进。将此当作CCD结构来观察时，如果拍摄对象处于凸镜的焦点以外，来自拍摄对象的光将在镜头上发生折射，并且形成一个上下和左右位置相反的影像。我们将这称为实像，如果在此位置放置摄像元件，就可以映射出实像。ABC凸镜的中心凸镜的轴焦点焦点实像物体图像处理基础知识4图像处理基础知识镜头篇-I5502图像处理中使用的镜头的种类CCTV镜头本镜头应用于闭路电视（ClosedCircuitTV）中，主要应用在FA领域的检测和防盗·防灾领域的监视等用途。由于镜片的数量较少，结构比较简单，因此体积较小并且成本较低。一般来说，其特征为无论焦物距为多少，都可以进行均衡的象差校正。一般的CCTV镜头CV-L系列低失真镜头CA-LHR系列不同点在此KEYENCE的图像处理用镜头在内部使用8块低色散镜片，与一般的CCTV镜头相比，它进行了特殊的光学设计，可以将歪斜和色差控制在最小范围内。远心镜头这是一种通过排列使得主光线通过焦点的镜头，设计时使其在视角接近０°的状态下行进，也就是说主光线相对于镜头光轴将平行行进。由于与光轴平行，因此很难发生歪曲像差（失真），可以高精度的捕捉拍摄对象的尺寸和位置。在图像处理时需要高倍率低失真、并且深景深时，远心镜头将发挥其真正的价值。远心镜头的效果CCD侧CCD侧物体侧物体侧远心镜头对焦状态下拍摄对象尺寸也不会发生变化。一般的CCTV镜头对焦模糊，拍摄对象的尺寸也会发生变化。光圈误差一般的镜头物体侧远心镜头CCD、工件之间距离变动3mm时原来图像图像处理基础知识6图像处理基础知识7703CCTV镜头的结构（CA-LH/LHR系列）浮动结构所谓浮动结构，即指将多个镜头的前组和后组分别进行移动的功能。由此，可以在从近距离到无限远的范围内获得高清晰度和高对比度。【通过多个镜头、浮动结构进行优化的光学设计】为了最大限度发挥出多个镜头的性能，我们加入了浮动结构，可以使内部各镜头组（分为前组、后组）独立移动。其结构为调整焦点时如果镜头的前组移动，后组也将移动到最合适的位置上，从而使得歪斜校正可以实现最优化。在近距离到无限远的范围内，通过始终将镜头组的位置关系保持在最佳状态，从而实现了高性能。【镜头结构的解说图】采用非球面镜头通过采用非球面形状的非球面镜头，可以抑制像差，从而获得更加清晰的图像。【球面镜头和非球面镜头】镜头安装方式镜头安装方式是用来连接CCD和镜头的，它拥有很多种类，如果两者不同时满足一定的条件，则不能保证CCD和镜头的兼容性。在机械结构方面，存在接合部的结构和尺寸的问题，在光学结构方面存在CCD侧的法兰距离等问题，因此选择镜头时必须确认使用的CCD的支架。在FA行业使用的CCD的支架称为C支架，它多为内径25.4mm(1in）、间距0.794mm（32牙/1in）的规格。前组前组后组后组光轴光轴球面像差调整焦点时，后组将移动，从而校正歪斜。通过镜头边缘的光线的焦点通过镜头中心附近的光线的焦点光轴后组校正量（浮动）后组校正量（浮动）无限远时球面镜头非球面镜头近距离时图像处理基础知识6图像处理基础知识镜头篇-I7704镜头的特性FA行业的图像处理一般将拍摄对象到镜头的距离称为WD（工作距离），将拍摄范围称为视野。视野由镜头的种类和WD、CCD的英尺尺寸来决定。工作距离（WD）表示焦点对准拍摄对象时，镜头顶端到拍摄对象的距离。也称为作动距离。当为CCD时，比例公式工作距离：视野＝焦点距离：CCD尺寸成立。焦点距离镜头中的一种规格为「焦点距离」。FA镜头中有代表性的镜头为焦点距离为8mm/16mm/25mm/50 mm等规格的镜头。根据想要拍摄的拍摄对象所需的视野和焦点距离，可以求出对焦位置＝WD（工作距离）。WD和视野的大小由镜头的焦点距离和CCD的尺寸来决定，在无需连接环的最近距离以上时，可以套用以下的比例公式。WD：视野＝焦点距离：CCD尺寸例焦点距离为16mm镜头、CCD尺寸3.6mm时，如果想把视野设为45mm，则WD变为200mm视野工作距离范围中的拍摄范围。一般来说，拍摄对象和镜头的工作距离越长，则视野越广（视野角）。另外，视野的广度由镜头的焦点距离来决定。我们将相对于视野，使用镜头可以拍摄的范围的角度称为视角或者视野角。镜头的焦点距离越短，则视角越大，视野也就越广。相反，焦点距离越长，则可以放大远处的拍摄对象。例视野视角视角CCD尺寸45mm3.6mm16mmWD=200mmWD焦点距离焦点距离焦点距离CCD元件CCD元件镜头88图像处理基础知识99图像处理基础知识05景深是指使人感觉镜头对焦的深度范围（拍摄物体侧的距离）。范围较大时，称为「景深深」，相反范围较小时称为「景深浅」。严谨的来说，对焦位置只有一个，只不过肉眼在一定的范围内感觉图像能够清晰成像。我们将此范围称为景深。专栏讲座1是否每个像素的大小（＝像素直径）大的CCD景深深？景深的概念我们拿CCD作为图像接收元件来举例说明其原因。是否模糊，我们只要用CCD的1个像素的大小（像素直径）来考虑，就比较容易了解。图1表示在光学理论上对焦最准的状态。在这一理想状态下，通过镜头折射的光的顶点正好落在CCD元件上。那么，图2、3情况又如何呢？光的顶点的位置与CCD的位置虽然有所偏移，并没有与邻近的CCD重叠。实际上，图1到3全部的焦点都对焦成功了。在CCD的1个像素的范围内即使焦点的大小发生变动，也不会反映到（看不出区别）通过电子信号输出的图像中。因此，我们将在规定范围内焦点大小收缩WD的变化范围称为景深。也就是说···镜头、光学倍率相同时，单个像素大小较大的CCD容纳的范围更广，因此景深更深。S1＝焦点距离+近摄接圈的厚度S2＝工作距离CCD的1个像素如下图所示，我们在拍摄斜面上粘贴表示高度的胶带的这个对象时，针对调大光圈的情况和调小光圈的情况进行比较。视野CCD15mm45°胶带(3mm)调小光圈时的图像(CA-LH25)调大光圈时的图像(CA-LH25)S1S1S1A：对象向远方向偏移的状态B：对象向近方向偏移的状态S2S2S2【图1】【图2】【图3】88图像处理基础知识99图像处理基础知识镜头篇II专栏讲座2景深根据光圈和焦点距离发生变化的原因根据专栏讲座1中解说的原理来考虑的话，则答案很简单。无论哪个镜头，调小光圈则景深变深，这是因为可以在保持S1、S2的值不变前提下将光圈的角度调小，由此可以将焦点的大小调小，使得对焦的范围更广。06镜头的分辨率镜头的分辨率不光使用在图像处理中，它是指所有光学测量仪器中使用的镜头可以观察的最小间隔。如分辨率为10μm的镜头，可以清晰的观察线宽为10μm、间距为10μm并列条纹线。分辨率不足时，人们感觉2根线好像重叠在一起，因此不适用于精度要求较高的检测。镜头的分辨率可以用下述的瑞利极限*1公式来表示。ε=0.61×λN.A.*2（瑞利极限公式）λ:使用波长（可视光线时，一般用λ＝0.55μm来计算）N.A.:对象镜头的开口数N.A.=β2Fβ:光学倍率F:有效No想要提高分辨率，则增大对象镜头的开口数（N.A.）是十分重要的。*1瑞利极限（Rayleighlimit）镜头的评价基准。由英国的物理学家瑞利勋爵提出。*2开口数（N.A.）求出镜头的分辨率等性能所用的指数。开口数越大，则越能获得明亮的图像。S1S2A：对象向远方向偏移的状态通过物理方法调小光圈，将光点强制调小。调小光圈则焦点的大小变小。1010图像处理基础知识1111图像处理基础知识07镜头的倍率所谓倍率，是指检测对象的实际大小与通过光学测量仪器成像大小的比率。以往在通过显微镜的接眼部观察时，我们使用光学倍率这一概念，但是近年来由于可以将观测对象物显示在液晶显示器上的系统不断增多，显示器倍率这一概念也已经普及。【光学倍率】用数码相机的原理考虑时，光学倍率可以通过「CCD有效像素大小÷视野」来求得。【显示器倍率】显示器倍率可以通过「显示器对角÷CCD素子对角×光学倍率」来求得。08F值F值（或者光圈值）是指表示镜头的明亮度的基准。准确的来说，就是镜头的焦点距离除以镜头直径（口径）得到的值。F值的「F」来源于focal（焦点的）这个词。F=fDF：F值D：镜头的直径f：镜头焦点距离事实上，镜头并不会让所有光线都透过，其中的一部分会反射。而且，为了减少像差使用多个镜头时，透过的光量会变少。因此，光的透过量较多，可以获得明亮成像的镜头我们称为「亮」，相反光的透过量较镜头则称为「暗」。可以大大影响镜头的明暗的要素之一，就是镜头的焦点距离和直径的关系，也即F值，这个值较小的镜头称为「亮镜头」，较大的镜头称为「暗镜头」。一般的小型相机都会在镜头旁刻上「F=2.5」「1:2.5」的标记，这就表示F值为2.5。在相机镜头的性能上，如果F值达到2.0左右，则表示这个相机的明亮等级非常高。09镜头安装在可以更换镜头的视觉系统中，用来固定镜头的结构的意思。也称为镜头安装规格，一般来说单反相机的镜头安装大家比较熟悉。在视觉系统，较多使用C安装、CS安装。10歪曲像差（失真）歪曲像差（失真）表示通过镜头成像的图像发生歪曲的状态。事实上不存在形状完美的镜头。因此，虽然从理论上来说，直射光通过镜头后会沿着直线传播，而实际上光通过镜头后会向外侧或者内侧歪曲。前者称为「桶形失真」，后者称为「枕形失真」。1010图像处理基础知识1111图像处理基础知识镜头篇II歪曲像差在广角镜头时表现为桶形失真在变焦镜头时表现为枕形失真。想要校正歪曲像差，则要使用非球面镜。不同点在此KEYENCE的图像处理用镜头为了尽量减少本次介绍的镜头歪曲，在CA-LH系列中采用浮动结构来校正歪曲像差，在CA-LHR系列中采用浮动结构+非球面镜来校正歪曲像差。*有关非球面镜请参考“镜头篇I”。11色像差色像差的原理所谓色像差，是指折射率根据可视光波长变化而变化，从而通过镜头的成像发生偏移。折射率不同则意味着焦点距离不同，不同波长的颜色混乱成像，从而感觉成像结果发生晃动。色像差（轴上色像差）的原理色像差的种类色像差分为轴上色像差和倍率色像差２种。轴上色像差：由于折射率根据光的波长变化而变化，各自的焦点也不同，因此整体呈现模糊成像的状态。倍率色像差：由于成像的倍率根据颜色变化而变化，因此越靠近镜头边缘越会发生串色。色像差的预防方法想要解决色像差的问题，可以使用消色像差透镜，即组合使用折射率不同的多个镜头的方法。另外，也可以使用波长分散较少