chap02 机器视觉中的图像采集技术

机器视觉MachineVision

武汉工程大学计算机科学与工程学院任课教师王海晖基本概念分类成像原理及参数间关系第一节工业镜头内容提要第二章机器视觉中的图像采集技术一、镜头基本概念(1)成象面工作距离（WD）景深（DOV）视野（FOV）后焦面距离第一节工业镜头一、镜头基本概念（2）

视野(FOV)

图像采集设备所能够覆盖的范围，它可以是在监视器上可以见到的范围，也可以使设备所输出的数字图像所能覆盖的最大范围。最大/最小工作距离（WorkDistance）

从物镜到被检测物体的距离的范围，小于最小工作距离大于最大工作距离系统均不能正确成像。景深（DepthOfField）

在某个调焦位置上，景深内的物体都可以清晰成像。一、镜头基本概念（3）畸变几何畸变指的是由于镜头方面的原因导致的图像范围内不同位置上的放大率存在的差异。几何畸变主要包括径向畸变和切向畸变。如枕形或桶形失真。一、镜头基本概念（4）镜头接口C-MOUNT

镜头的标准接口之一，镜头的接口螺纹参数：直径：1“螺距：32牙CS－Mount是C－Mount的一个变种，区别仅仅在于镜头定位面到图像传感器光敏面的距离的不同，C－Mount是17.5mm，CS－Mount是12.5mm。C/CS能够匹配的最大的图像传感器的尺寸不超过1“。一、镜头基本概念（5）成像面可以在镜头的像面上清晰成像的物方平面光圈与F值 光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1.4，f2，f2.8etc。焦距 焦距是像方主面到像方焦点的距离。如16mm，25mm一、镜头基本概念（6）分辨率

测量系统能够重现的最小的细节的尺寸常常用每毫米线对来表示，也就是根据这个镜头能够分辨一毫米内多少对直线。选择镜头的时候必须注意厂商给出的分辨率的定义方式。lp/mm(linepairpermm)lp/mm是表征分辨率的最简单的指标，但不是最佳指标，最佳的指标是镜头的调制传递函数MTF。一、镜头基本概念（7）镜头的调制传递函数MTF一、镜头基本概念（8）镜头的调制传递函数MTF一、镜头基本概念（9）镜头的调制传递函数MTFMTF能够同时表征系统重现物方空间的几何和灰度细节能力，是衡量成像系统性能的最佳方式。

对于一个实际的成像系统，细节密集地方的对比度要小于细节稀疏位置的对比度成像系统中的每个环节都对系统最终的MTF产生影像，包括滤色片，镜头，图像传感器，后期处理电路等等。一、镜头基本概念（10）系统的调制传递函数MTF二、镜头的分类（1）按照等效焦距分为广角镜头等效焦距小于标准镜头（等效焦距为50mm）的镜头。特点是最小工作距离短，景深大，视角大。常常表现为桶形畸变。中焦距镜头焦距介于广角镜头和长焦镜头之间的镜头。通常情况下畸变校正较好。长焦距镜头等效焦距超过200mm的镜头。工作距离长，放大比大，畸变常常表现为枕形状畸变。等效焦距计算方法：

实际焦距×43mm

镜头成像圆的直径二、镜头的分类（2）按照功能分变焦距镜头

镜头的焦距可以调节，镜头的视角，视野可变定焦距镜头镜头的焦距不能调节，镜头视角固定。聚焦位置和光圈可以调节定光圈镜头光圈不能调节，通常情况下聚焦也不能调节。二、镜头的分类（3）按照用途分微距镜头（或者成为显微镜头）用于拍摄较小的目标具有很大的放大比远心镜头包括物方远心镜头和像方远心镜头以及双边远心镜头。二、镜头各个参数间关系（1）光圈大通光能力大，光圈小通光能力小；光圈小则景深大，光圈大则景深小；二、镜头各个参数间关系（2）光圈大通光能力大，光圈小通光能力小光圈小则景深大，光圈大则景深小基本概念基本结构成像原理分类与发展趋势内容提要第二章机器视觉中的图像采集技术第二节工业相机一、工业相机的基本概念（1）传感器的尺寸图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4：3(H：V)，数字相机的长宽比例则包括多种：1：1，16：9，3：2etc。一、工业相机的基本概念（2）物理放大率传感器感光面积于视野的比值，整个参数基本取决于镜头系统放大率最后显示环节上目标的尺寸于实际目标尺寸的比值。系统放大率取决于物理放大率和显示系统的阐述。对于自动测量和检测系统而言，物理放大率具有关键的意义。系统放大率仅仅对于需要人机交互进行检测的系统有意义像素（Pixel=picture+element）传感器感光面上最小感光单位。第二章机器视觉中的图像采集技术一、工业相机的基本概念（3）分辨率(Resolution)

模拟制式相机的分辨率取决于传感器上像素的数目以及后期处理电路的质量，数字相机的传分辨率则直接取决与传感器上像素的数目。480768640480760574美制RS–170Norm欧制CCIR-Norm第二章机器视觉中的图像采集技术一、工业相机的基本概念（4）像素长宽比指传感器上像素水平和垂直方向节距的比值，对于正方形的象素来说，其比值为1：1。此参数，对于系统的标定有直接影响。快门速度（ShutterSpeed）

CCD/CMOS相机多数采用电子快门，通过电信号脉冲的宽度来控制传感器的光积分（曝光）时间。对于一般性能的的相机快门速度可以达到1/10000-1/100000秒。帧频率（FrameRate）相机每秒中能够输出图像的帧数，对于模拟制式相机，这个频率是固定值，对于数字相机，是个可变的值。像素速率（PixelRate）相机每秒中能够输出像素的个数，仅仅对于数字相机有意义。第二章机器视觉中的图像采集技术一、工业相机的基本概念（5）卷帘快门（RollingShutter）多数CMOS图像传感器上使用的快门，其特征是逐行曝光，每一行的曝光时间不一致。

全局快门（GlobalShutter）

CCD传感器和极少数CMOS传感器采用的快门，传感器上所有像素同时刻曝光。第二章机器视觉中的图像采集技术一、工业相机的基本概念（6）相机扫描方式隔行扫描（Interlace）35246第二章机器视觉中的图像采集技术一、工业相机的基本概念（7）相机扫描方式逐行扫描（Progressivescan）35241一、工业相机的基本概念（8）

异步触发通常情况下相机是一帧一帧拍摄的，所以进行高速拍摄的时候最高的同步精度不可能超过一帧图像的周期，对于某些支持异步触发的相机，可以在当前帧扫描尚未完成的情况下，将当前帧抛弃，直接开始新一帧图像的扫描，可以使得高速拍摄的同步精度达到一行的扫描周期。最低照度又称灵敏度，衡量相机对光线敏感程度的指标。通常情况下是指相机获得30％最大输出值时候所需的照度。单位是Lux。局部扫描多数数字相机支持仅仅输出传感器上某一部分像素，这些像素位于某个矩形窗口内。通过具备扫描可以获得更高的桢频率。一、工业相机的基本概念（9）传感器的光谱下面是一个典型的CCD图像传感器对于不同光谱的响应曲线。一、工业相机的基本概念（10）信号格式

模拟图像信号的格式包括：复合视频信号，Y/C分离信号，RGB分量信号。绝大多数周边设备都能够兼容这些信号格式。通常情况下对于彩色视频信号，Y/C分离传输的方式优于复合视频传输的方式，RGB分量传输的方式又优于Y/C分离传输方式。数字相机的信号传输格式更为复杂，目前普遍应用的包括：*LVDS*IEEE-1394(FireWire)*USB2.0*CameraLink*Ethernet，包括传输未经压缩影像的千兆协议和传输经过压缩影像的百兆协议。上述数字相机的传输方式无论是在机械上还是在电气上都是不兼容的。二、工业相机的基本结构DigitalImageProcessingModuleLensMountIRFilterImageSensorDriveCircuitTransmittingControllerVideoSignalChanneltocontrolthecamera三、工业相机的基本原理1图像传感器（Imagesensor）：是一个由N行及M列感光单元（CCDPixel）组成的矩阵。CCD的基本工作原理：当光子撞击到硅原子上时，会产生自由电子，再将这些自由电子收集在一起形成信号。感光单元(CCDPixcel)工作原理三、工业相机的基本原理2CCD的电荷存储器：能够存储一定量的电子。将电子释放出来之后所形成的电流，便可以量化地代表感光面上某点的明暗信息。CCD成象的“溢出”（Blooming）问题：当CCD象素接收到过多的光子，存储器中所收集的自由电子就会向周边的象素“溢出”。致使整个区域成象变亮。光子CCD象素自由电子溢出三、工业相机的基本原理3相机拍照时间示意图电子快门时间可由用户自己设置。但相机传输速率（Framerate）是相对固定的。因此，传输速率是相机的成像速度的“瓶颈”。例：电子快门速度可达1/1000秒，但成像却只能达到60帧/秒。电子快门时间图像传输时间单帧图像完整拍照时间按照图像传感器区分CCD相机：使用CCD感光芯片为图像传感器的相机CMOS相机：使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机按照输出图像颜色区分：单色相机：输出图像为单色图像的相机。彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。四、工业相机分类（1）按照传感器类型区分面扫描相机传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图像为二维“面”图像。

线扫描相机传感器上呈线状（一行或三行）分布的相机，其所成图像为一维“线”图像。四、工业相机分类（2）按输出信号区分

模拟信号相机从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信号，后再传到图像采集卡中。

数字信号相机信号自传感器中的像素输出后，在相机内部直接数字化并输出。四、工业相机分类（3）四、工业相机分类（5）彩色VS黑白黑白相机的每个像素仅仅采集亮度信号，对于彩色相机，则是借助于一个Bayer滤色片让每个像素来采集图像特定的色彩分量，然后利用后期的电路再重建出真是色彩，所以黑白相机的分辨率通常比具有同样像素数目和同级别后期处理电路的彩色相机高出10－20％（inTVL)。此外由于没有覆盖Bayer滤色片，黑白相机在弱光下面的灵敏度也更好一些。但是彩色相机在检测那些具有色彩敏感信息的目标的时候具有突出的优势。当然黑白相机也可以通过对光源色彩的控制实现这一功能。如果需要更高质量的彩色视频，就需要采用3－CCD技术的彩色相机。四、工业相机分类（6）模拟相机VS

数字相机

相对来说模拟相机的价格比较低廉，使用比较简单。但是模拟相机存在一个分辨率和帧频率的上限，而且对于传输过程中的噪声和损耗也较为敏感。数字相机，通常具有更高的分辨率，当然价格也更昂贵，而且牵涉到比较复杂的按照调试工作，即使这个系统只需要最简单的功能，数字相机的传输距离通常较模拟相机短。数字相机最终将取代传统模拟相机CMOS芯片最终将取代传统CCD芯片CAMERALINK数字接口技术将流行FIREWIRE数字接口采集卡将被广泛使用专业的机器视觉专用相机将成为发展趋势五、工业相机的发展趋势基本概念基本原理成像原理板卡分类发展趋势内容提要第三节板卡硬件第二章机器视觉中的图像采集技术一、图像采集卡的基本概念（1）图像采集卡（FrameGraber）图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的过程，叫做采集、数字化。A/D转换视频量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字信号的过程，即A/D转换。视频信号的量化处理是图像采集处理的重要组成部分。

A/D转换过程一、图像采集卡的基本概念（2）传输通道数（Channel）采集卡同时对多个相机进行A/D转换的能力。如：2通道、4通道。分辨率采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。即，其所能支持的相机最大分辨率。采样频率采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行高速图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。一、图像采集卡的基本概念（3）传输速率指图像由采集卡到达内存的速度。主流图像采集卡与主板间都采用PCI接口，其理论传输速度为132MB/S。

图像格式（像素格式）

黑白图像：通常情况下，图像灰度等级可分为256级，即以8位表示。在对图像灰度有更精确要求时，可用10位，12位等来表示。

彩色图像：彩色图像可由RGB（YUV）3种色彩组合而成，根据其亮度级别的不同有8－8－8，10－10－10等格式。一、图像采集卡的基本概念（4）图像采集卡基本结构图像采集卡附加功能相机触发功能灯源控制功能基本I/O