2-机器视觉图像采集 -教学 教学课件

1、机器视觉及应用第二章机器视觉图像机器视觉图像采集采集3/ 光源光源的作用电磁辐射光源类型光源的形状光源照明方式主要内容 镜头焦距光源其他镜头参数 摄像机CCD芯片尺寸分辨率帧率与曝光时间其他摄像机参数数4/1、突出对象的重要特征而抑制不必要的特征。2、还可以克服环境光对图像采集的影响，降低图像信噪比；3、降低摄像机对曝光时间的要求，减少摄像机图像采集的时间。通过适当的光源照明设计，可以最大程度将目标与背景分离，降低图像处理的难度，提高系统处理性能，提高系统的稳定性好性和可靠性。为了选择适当的光源，需要考虑光源与检测对象之间的相互作用。了解光源和被测物的光谱组成。可见光380789nm红色橙色黄

2、色绿色青色蓝色紫色红外光紫外光760830nm360400nm可可见见光光区区域域1、白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光组成的。2、单色光源只有一种颜色。3、当白光照射不透明物体时，由于物体对不同波长的光吸收和反射的程度不同，而使物体呈现了不同的颜色。4、黑色物体对各种波长的光都完全吸收，所以呈现黑色。5、白色物体对各种波长的光完全反射，所以呈现白色。如果物体吸收某些波长的光，那么这种物体的颜色就由它所反射的光的颜色来决定，即反光物体的颜色是与其选择吸收光成互补色的颜色。光的互补色示意图常见的光源有白炽灯、卤钨灯、氙灯、发光二极管（LED）1、LED灯可以制作成各种颜色的光源2、LED光

3、源功率小、发热小、寿命长3、LED响应速度快，可用作闪光灯，几乎没有老化现象，光 源亮度稳定并容易调节。4、LED可以方便制成各种形状的光源，也可以根据用户需求进行定制。LED光源缺点：LED的性能与环境温度有关，环境温度越高，LED的性能越差，寿命越短。1、环形光源分为低角度环形光源和高角度环形光源。一般将小于等于45的称为低角度环形光源，反之称为高角度环形光源，常见的角度0、20、30、45、60和90。每种角度的照明对不同的目标对象成像效果不同。如0环形光可以用于检测物体表面划痕的照明，90环形光可以用于电路板上线路检测的照明。2、条形光源条形光源是由高密度直插式LED阵列组成，适合大幅

4、面尺寸检测。通常条形光源成对使用，有时候也单独使用，还可以多个条形光源组合使用。尺寸设计灵活。条形光源可用于表面裂纹检测，包装破损检测，条码检测等多种场合。3、同轴光源同轴光源有一块45的半透半反玻璃。光线通过全反射垂直照到被测物体，从被测物体上反射的光线垂直向上穿过半透半反玻璃，进入摄像头，这样就既消除了反光，又避免了图象中产生摄像头的倒影。主要用于检测平整光滑表面并且反射度极高物体的碰伤、划伤、裂纹和异物等。如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测，MARK点定位，包装条码识别等。4、面光源面光源是一种平面光源，多个灯珠均匀布在光源底部，在外面放置一个漫反射板，光线

5、经漫反射后在表面形成一片均匀的照射光。面光源的发热量低，光线均匀柔和无闪烁。面光源常一般用于背光照明。检测目标对象的外形轮廓、尺寸测量，透明物体的缺陷检测等。5、穹顶光源穹顶光源也称为球积分碗光源、碗光源或demo光源。其形状像一个碗，在顶上开有一个孔，相机通常放置在孔上方。穹顶光源是一种圆顶无影光源，是漫反射的一种，它是通过半球型的内壁多次反射，可以完全消除阴影。穹顶光源主要用于球型或曲面等表面不平物体的检测。如包装袋表面检测，线缆缺陷检测，电子元件外观检测等。1、直接照明直接照明一般适用于0环形光源、条形光源和面光源，也称为垂直照明。照射面积大、光照均匀性好、适用于较大面积照明。直接照明的

6、光线直接投射向物体，得到清晰的图像。但是，当被检测对象表面有反光的时候，图像上会出现像镜面的反光现象。直接照明当光线反射后进入照相机，在相机内的成像背景通常为明亮背景，因此，有时候也称这种照明为明场照明。2、角度照明角度照明通常采用30、45、60、75等环形光源光。光线按照一定的角度照射在物体上，结果是倾斜的散光通过镜头进入摄像机，而别的光线不进入摄像机，则在图像上呈现的结果是一个比较暗的背景，而特征则呈现出明亮的特点。该照明方式适用于检测表面瑕疵，凹凸不平等特征。由于在摄像机中观察到的图像背景是黑暗背景，有时也称为暗场照明。3、低角度照明低角度照明方式通常采用030范围的环形光源。能够更加

7、明显的表现物体表面细节的变化，对表面凹凸特征的表现更强，适用于晶片或玻璃基片上的伤痕检查。这种照明方式呈现出来的图像背景也是暗黑背景，因此，也称这种照明为低角度暗场照明。4、背光照明物体放置在摄像机和光源之间，从光源发出的光被物体遮挡住一部分，没有被遮挡的光线通过镜头进入摄像机。可以突出显示不透明物体的轮廓，常用于物体的形状检测、尺寸测量等方面。5、散射照明散射照明是一种多角度照明，也称为漫散光照明。光线从各个角度照射向物体，进入镜头的光线也是各个方向的，相当于光线在物体表面形成漫反射。这种照明方式可以消除反射光引起的反射斑。常采用穹顶光源作为照射光源。 6、同轴照明同轴照明类似于平行光的应用

8、，这种照明方式通常采用同轴光源。主要用于检测如玻璃这种反光程度很厉害的平面物体。 镜头是机器视觉中用于成像的重要部件，如果没有镜头，光线进入摄像机是无法成像的。镜头内部由多个透镜组成，外部有可以调节光源和焦距的调节环。镜头成像的原理即凸透镜成像原理。与镜头相关的参数主要是焦距、光圈。设拍摄的视场大小为FOV，通常视场和摄像机芯片为一个矩形区域大小，设水平方向视场大小FOVH,竖直方向大小为FOVV，摄像机芯片水平方向为SH，垂直方向为SV,工作距离为dw，焦距为f。则存在以下等比关系： 焦距、视场与芯片大小关系示意图 光圈光圈光圈用于调节进入镜头的进光量。光圈用F字符表示，称为F数。F数与镜头

9、的焦距以及入射光瞳直径有关。 光圈的作用在于决定镜头的进光量，光圈越大，进光量越多;反之，则越小。在摄像机曝光时间不变的情况下，光圈越大，进光量越多，画面越亮;光圈越小，画面越暗。常用F数：F1.4，F2.0，F2.8，F4.0，F5.6，F8.0，F11，F16，F22等与镜头相关的参数还有景深、放大倍率、数值孔径以及分辨率等。景深的大小决定了在焦距前后能够呈现清晰图像的距离；放大倍率也称光学倍率，是指成像大小与物体尺寸的比值；数值孔径是一个无量纲的数，用以衡量该系统能够收集的光的角度范围；镜头的分辩率与摄像机的分辨率不同，镜头分辨率是指在成像平面上1毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数，

10、单位是“线对/毫米”（lp/mm，line-pairs/mm）。 摄像头习惯称为相机，工业用相机主要追求性能稳定，要求能长时间稳定运行。工业相机能够连续快速的采集图像。目前，绝大部分为CCD和CMOS图像传感器，对应的相机也称为CCD相机和CMOS相机。从相机传感器采集图像的方式可以分为面阵相机和线阵相机。面阵相机每次采集的图像数据为一个矩形平面，而线阵相机每次采集的图像数据为一条直线形状，线阵相机的采图需要配合运动平台才能完整的采集整个检测对象的图像。 CCD芯片尺寸芯片尺寸相机芯片的尺寸用英寸()来表示。与工业上代表的长度不同，业界通用CCD芯片尺寸的规范为1表示芯片对角线的长度为16mm

11、的矩形形状的面积，并且其芯片的长宽与对角线形成的直角三角形的三条边的比例是4：3：5。 CCD芯片尺寸芯片尺寸例：1代表对角线长度为16mm，由比例4:3:5，可以算出，相机芯片的长宽分别为12.8mm和9,6mm。 假设芯片大小为1/4，可知对角线长度为16/4=4mm。同理，按照比例4:3:5，可以计算出，其长宽分别为3.2mm和2.4mm。芯片尺寸计算结果保留一位小数。但是对角线的长度采用向上取整的方式计算，例如：对于1/3的芯片对角线长度为1635.3，采用向上取整，所以对角线长度为6。 CCD芯片尺寸芯片尺寸单个像素越大，捕捉光线的能力越好。传感器面积越大，容纳感光元件越多，捕获的光

12、子越多，感光性能越好，信噪比越低，成像效果越好，图像更加细腻、层次更加丰富、色彩还原更加真实。 但是，图像传感器的面积越大，其成本也就越高。 分辨率分辨率分辨率是指相机每次采集图像的像素点数（Pixels），一般是直接与传感器的像元数对应，也是相机的有效像素的数量。 分辨率通常用宽高的方式表示，如1280960，表示芯片水平方向有1280个像元，垂直方向有960个像元，对应采集的图像大小也是1280960。分辨率与相机芯片大小以及单个像元尺寸的关系是单个像元尺寸等于芯片大小除以分辨率的大小。 分辨率分辨率例如，假设对于1/3的芯片尺寸，分辨率或有效像素为1280960。则可以计算其芯片长宽以及

13、单个像元的尺寸如下： 分辨率分辨率分辨率的高低说明了采集的图像像素数量，分辨率越高，得到的图像像素数量越多，越能够反映图像的细节特征。但是，更高的分辨率带来更大的图像处理算法计算量，计算更加耗时。例如，对于1280960大小的分辨率，遍历一遍图像需要约122万次计算，如果分辨率提高为24482048，则遍历一次需要约500万次计算，提高了约四倍计算量。因此，并不是分辨率越高越好。 帧率与曝光帧率与曝光时间时间帧率是指相机采集传输图像的速率，对于面阵相机，一般为每秒采集的帧数，一帧就是一幅图像，而对于线阵相机为每秒采集的行数，称为行频。 相机的帧率决定了相机采集图像的速度，也决定着设备的检测效率

14、。 帧率与曝光帧率与曝光时间时间相机图像采集速度并不完全由帧率决定，通常相机的曝光时间也要影响图像的采集速度，曝光时间是指从相机快门打开到关闭的时间间隔。相机的帧率和曝光时间之间有一定关系。如果曝光时间过长，则图像的采集时间就会增加，帧率也相应的下降了。 曝光时间越长，图像采集速度越慢；反之，采集速度越快。但是，曝光时间太短，图像可能出现曝光不足，则影响图像质量。曝光时间太长，除了图像采集时间增长之外，还可能出现曝光过度，也将影响图像质量。 其他摄像机其他摄像机参数参数像素深度:对于黑白摄像机，每个像素采用8位进行存储，图像为灰度图，对于彩色相机，每个像素采用24位进行存储，图像通常为RGB彩色图像。 光谱响应特性:像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350-1000nm。摄像机的数据传输接口类型:IEEE1394、USB3.0、网络接口等标准接口。摄像机与镜头之间的连接方式:C型接口、CS型接口、M