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文档简介
哈工大深圳研究生院基于视觉的智能传感技术吴宁2014.3计算机视觉智能机器:能模拟人类的功能,能感知外部世界并有效地解决人所能解决的问题.感知系统:人类感知外部世界主要是通过视觉、触觉、听觉和嗅觉等感觉器官,其中约80%的信息是由视觉获取的.因此,赋予机器以人类视觉功能对发展智能机器是及其重要的.计算机视觉:研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术.计算机视觉系统的首要目标是用图像创建或恢复现实世界模型,然后认知现实世界.计算机视觉研究内容输入设备(inputdevice)包括成像设备和数字化设备.成象设备是指通过光学摄像机或红外、激光、超声、X射线对周围场景或物体进行探测成象,得到关于场景或物体的二维或三维数字化图像.低层视觉(lowlevel)主要是对输入的原始图像进行处理.这一过程借用了大量的图像处理技术和算法,如图像滤波、图像增强、边缘检测、纹理检测、运动检测,以便从图像中抽取诸如角点、边缘、线条、边界、色彩、纹理、运动等关于场景的基本特征.中层视觉(middlelevel)主要任务是恢复场景的深度、表面法线方向、轮廓等有关场景的2.5维信息,实现的途径有立体视觉(stereovision)、测距成像(rangefinder)、从X恢复形状(ShapefromX,X=明暗、纹理、运动).系统标定、系统成像模型等研究内容一般也是在这个层次上进行的.高层视觉(highlevel)主要任务是在以物体为中心的坐标系中,在原始输入图像、图像基本特征、2.5维图的基础上,恢复物体的完整三维图,建立物体三维描述,识别三维物体并确定物体的位置和方向。体系结构(systemarchitecture)在高度抽象的层次上,根据系统模型而不是根据实现设计的具体例子来研究系统的结构.为了说明这一点,可以考虑建筑设计中某一时期的建筑风格(如清朝时期)和根据这一风格设计出来的具体建筑之间的区别.体系结构研究涉及一系列相关的课题:并行结构、分层结构、信息流结构、拓扑结构以及从设计到实现的途径等等。数字图象处理计算机视觉模式识别机器视觉计算机图形学线性代数集合论高级语言程序设计数据结构先后顺序重叠量反应相关程度基础知识计算机视觉专题(图象与视觉计算)高等代数最优化方法信号与系统计算几何计算机视觉技术的应用
工业领域(生产装配、质量检验)机器人(工业、星球探测机器人)遥感图像分析(植被分析)医学图像分析(骨骼定位)安全鉴别、监视与跟踪(门禁系统、视频监控)国防系统(目标自动识别与目标跟踪)图像与视频检索(基于内容的检索)文物保护(数字博物馆)其他(游戏、动画、体育、人机交互)…………机器视觉什么是机器视觉(MachineVision)美国机器人工业协会(RIARoboticIndustriesAssociation)对机器视觉下的定义为:“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像,以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置”。
机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置,分CMOS和CCD两种)将被摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。机器视觉的应用AutomotivePharmaceutical,MedicalFoodpackagingBiometricsSemiconductorDimensionalMeasurementPartPresenceDefectDetectionSortingPartOrientationPC-BasedMachineVisionLeaderinVision-MotionControlforSmallPartsAssembly&Handling机器视觉特点精确性——由于人眼有物理条件的限制,在精确性上机器有明显的优点。即使人眼依靠放大镜或显微镜来检测产品,机器仍然会更加精确,因为它的精度能够达到千分之一英寸。重复性——机器可以以相同的方法一次一次的完成检测工作而不会感到疲倦。与此相反,人眼每次检测产品时都会有细微的不同,即使产品时完全相同的。速度——机器能够更快的检测产品。特别是当检测高速运动的物体时,比如说生产线上,机器能够提高生产效率。客观性——人眼检测还有一个致命的缺陷,就是情绪带来的主观性,检测结果会随工人心情的好坏产生变化,而机器没有喜怒哀乐,检测的结果自然非常可观可靠。成本——由于机器比人快,一台自动检测机器能够承担好几个人的任务。而且机器不需要停顿、不会生病、能够连续工作,所以能够极大的提高生产效率。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合,常用机器视觉来替代人工视觉;同时在大批量工业生产过程中,用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高,用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成,是实现计算机集成制造的基础技术。基于PC的机器视觉系统机器视觉系统构成:①相机与镜头;②光源——作为辅助成像器件;③传感器;④图像采集卡;⑤PC平台;⑥视觉处理软件;⑦控制单元(包含I/O、运动控制、电平转化单元等)基于PC的机器视觉系统①相机与镜头——这部分属于成像器件,通常的视觉系统都是由一套或者多套这样的成像系统组成,如果有多路相机,可能由图像卡切换来获取图像数据,也可能由同步控制同时获取多相机通道的数据。根据应用的需要相机可能是输出标准的单色视频(RS-170/CCIR)、复合信号(Y/C)、RGB信号,也可能是非标准的逐行扫描信号、线扫描信号、高分辨率信号等。②光源——作为辅助成像器件,对成像质量的好坏往往能起到至关重要的作用,各种形状的LED灯、高频荧光灯、光纤卤素灯等都容易得到。③传感器——通常以光纤开关、接近开关等的形式出现,用以判断被测对象的位置和状态,告知图像传感器进行正确的采集。基于PC的机器视觉系统④图像采集卡——通常以插入卡的形式安装在PC中,图像采集卡的主要工作是把相机输出的图像输送给电脑主机。它将来自相机的模拟或数字信号转换成一定格式的图像数据流,同时它可以控制相机的一些参数,比如触发信号,曝光/积分时间,快门速度等。图像采集卡通常有不同的硬件结构以针对不同类型的相机,同时也有不同的总线形式,比如PCI、PCI64、CompactPCI,PC104,ISA等。⑤PC平台——电脑是一个PC式视觉系统的核心,在这里完成图像数据的处理和绝大部分的控制逻辑,对于检测类型的应用,通常都需要较高频率的CPU,这样可以减少处理的时间。同时,为了减少工业现场电磁、振动、灰尘、温度等的干扰,必须选择工业级的电脑。基于PC的机器视觉系统⑥视觉处理软件——机器视觉软件用来完成输入的图像数据的处理,然后通过一定的运算得出结果,这个输出的结果可能是PASS/FAIL信号、坐标位置、字符串等。常见的机器视觉软件以C/C++图像库,ActiveX控件,图形式编程环境等形式出现,可以是专用功能的(比如仅仅用于LCD检测,BGA检测,模版对准等),也可以是通用目的的(包括定位、测量、条码/字符识别、斑点检测等)。⑦控制单元(包含I/O、运动控制、电平转化单元等)——一旦视觉软件完成图像分析(除非仅用于监控),紧接着需要和外部单元进行通信以完成对生产过程的控制。简单的控制可以直接利用部分图像采集卡自带的I/O,相对复杂的逻辑/运动控制则必须依靠附加可编程逻辑控制单元/运动控制卡来实现必要的动作。相机(Camera)基于CCD(ChargeCoupledDevice)或CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)芯片的相机。CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体,是典型的固体成像器件。典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD作为一种功能器件,与真空管相比,具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70年代初。90年代初期,随着超大规模集成电路(VLSI)制造工艺技术的发展,CMOS图像传感器得到迅速发展。CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上,还具有局部像素的编程随机访问的优点。目前,CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。按照芯片类型可以分为CCD相机、CMOS相机;按照传感器的结构特性可以分为线阵相机、面阵相机;按照扫描方式可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机;按照分辨率大小可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机;按照输出信号方式可以分为模拟相机、数字相机;按照输出色彩可以分为单色(黑白)相机、彩色相机;按照输出信号速度可以分为普通速度相机、高速相机;按照响应频率范围可以分为可见光(普通)相机、红外相机、紫外相机。相机(Camera)——图像获取CCD芯片由独立的光敏元件构成,每一个光敏元件表示一个像素。具有高动态、高线性,对机械、磁场、光影响不敏感。由于热效应产生附加的光子,即暗电流,就会产生不期望的噪声,芯片的温度升高,噪声就会急剧增加。因此,为了控制暗电流,控制一个比较短的曝光时间非常重要。CCD光电转化示意图曝光方法分为:机械快门和电子快门。自动电子快门模式快门速度能够根据入射光的强度自动调整。如果光的强度太弱,则可以通过长积分时间模式或控制增益的方式来增强弱的CCD信号。当完成对光敏元区域的扫描后,CCD将光电荷从光敏区域转移至屏蔽存储区域。而后,光电荷被按顺序转移至读出寄存器。线阵(线扫描)CCD光敏扫描区域。单通道线阵CCD中,当转移脉冲到来时,线阵光敏阵列势阱中的信号电荷并行转移到同一个CCD移位寄存器中,最后在时钟脉冲的作用下一位位地移出器件,形成视频脉冲信号。线阵CCD结构(左为单沟道、右为双沟道)面阵CCD相机光敏扫描区域呈二维阵列分布。桢转移型面阵CCD,它由成像区、暂存区和水平读出寄存器三部分构成,它的光存储区域与光敏像素区域分开,因此能够有较大的填充因子和较高的势阱容量模传递函数MTF较高的优点,帧转移型CCD的缺点就是快门速度不快,并且制造的体积要稍大,就增加了成本。面阵CCD结构(左为桢转移、中为全桢转移、右为行间转移)中间的为全帧型面阵CCD,当积分完成后通过快门屏蔽入射光然后开始进行行转移,他可以具有比较大的光敏区域比例;最右边为行间转移型CCD,每列像敏单元的旁边都有一个垂直移位寄存器,行间转移CCD只需要约1uS的时间就可完成光电荷至垂直移位寄存器的转移,从而很好地解决了帧转移CCD因转移速度不够快而带来的图像模糊问题。同时,由于行间转移CCD的垂直移位寄存器所占的面积均被遮蔽,所以其对输入光的利用率以及像素密度相对较低。有效像素区域的大小,即CCD芯片尺寸同样是一个重要的参数。常见面阵CCD芯片尺寸像输出单元产生一个适合后续图像处理的视频信号。在标准相机中,获取的图像转换成一个遵循国际标准之一的视频信号,对欧洲为CCIR标准,对美国为EIA制定的RS-170标准。基于CCIR标准,有两个彩色标准:PAL制式和SECAM制式。对RS-170标准的彩色的延展就是RS-170a,即NTSC标准。CCD完成积分控制后奇数行和偶数行按先后依次转移到输出寄存器(通常将所有奇数行或所有偶数行组成的图像称为一场(field),而两场合并后才称为一桢(frame),然后通过相机内部的同步产生器在每行像素前插入行同步信号(HD),在经过若干行达到一个场时插入场同步信号(VD)。相机(Camera)——逐行扫描(ProgressiveScan)大多数显示器和相机都是以隔行方式扫描,但实际上人眼看来仍然像一个平滑的图像,相机一般先获取图像的奇数行,对于CCIR标准,它在1/50秒后再获取偶数行,而对于EIA标准,在1/60秒后再获取偶数行。在机器视觉应用中,物体通常移动很快。当利用隔行扫描相机时,在两场之间可能物体都有移动,结果就会是一副模糊的图像,就像是两次曝光或者是在垂直边缘有梳状效应。为了解决这种影响,可以将隔行扫描相机设成只扫描一个场,这样垂直分辨率将会减半,而帧采集速率将会提高一倍,相机的这种操作被称为场模式或逐行扫描。场模式虽然可以提高帧速度、敏感性以及信噪比,但会降低分辨率,在要求对快速运动的物体完全垂直分辨率的应用中,应该使用逐行扫描相机。相机(Camera)——触发机制假设流动生产线上的产品必须由视觉系统来检测。单个产品的图像必须在它被置于在相机前某个确定的时间被取得,视觉系统对外部事件的及时响应即为触发,触发可以通过软件实现也可以通过硬件实现。一般情况下,当一个事件发生时它触发采集卡并同时触发相机的重启信号。另外,同时触发频闪器也可以帮助冻结运动物体的图像。触发后相机总会有个响应时间,这个时间对于高速运动的物体最好能够精确控制,普通的面阵相机(没有异步触发)总是等一帧扫描完,对于N制式的相机来说这个触发响应时间就会至少有0~33ms之间的不确定时间,如果采集卡寻找同步点的时间再长一点,这个不确定的时间长度又增加了,这段时间内物体有可能已经运动出了视场区域。为了加快相机的响应速度,就出现了异步重置(Asynchronous)功能,靠采集卡给相机施加外部时钟。当相机被异步重置,除了像素时钟,HD和VD信号都被重置了。相机(Camera)——小结1个CCD像素将2个光子(400-1000纳米)转变成1个电子,50000个电子产生一个1伏的视频信号。若使用三芯片的CCD相机,建议用相机制造商建议的镜头,使用低质量的镜头会降低图像质量。绝大多数相机都是隔行扫描(interlace),当用来拍摄运动物体时,就会出现梳状效应。为消除这种效应,可以只采集一半的图像(只使用奇数行或偶数行),如果要求完全的分辨率,必须利用逐行扫描相机。亚像素算法要求图像本身足够精确。放大率分为物理放大率和系统放大率。物理放大率指传感器感光面积(CCDSize)与视野(FOV)的比值,整个参数基本取决于镜头;系统放大率指最后显示环节上目标的尺寸与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。相机触发机制其基本原理很简单,但实际上各个制造商的相机都不同,在这个领域没有标准,因而接线必须参考相机的说明手册。相机(Camera)——FAQ应该怎样选择相机或者说是选择相机应该注意哪些?首先需要知道系统精度要求和相机分辨率,可以通过公式:X方向系统精度(X方向像素值)=视野范围(X方向)/CCD芯片像素数量(X方向);
Y方向系统精度(Y方向像素值)=视野范围(Y方向)/CCD芯片像素数量(Y方向)来获得。接着需要知道系统速度要求与相机成像速度,系统单次运行速度=系统成像(包括传输)速度+系统检测速度。(虽然系统成像(包括传输)速度可以根据相机异步触发功能、快门速度等进行理论计算,最好的方法还是通过软件进行实际测试)。再接着您要将相机与图像采集卡一并考虑,因为这涉及到两者的匹配:a视频信号的匹配。对于黑白模拟信号相机来说有两种格式,CCIR和RS170(EIA),通常采集卡都同时支持这两种相机;b分辨率的匹配。每款板卡都只支持某一分辨率范围内的相机;c特殊功能的匹配。如要是用相机的特殊功能,先确定所用板卡是否支持此功能,比如,要多部相机同时拍照,这个采集卡就必须支持多通道,如果相机是逐行扫描的,那么采集卡就必须支持逐行扫描;d接口的匹配。确定相机与板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、Firewire1394等。最后才应该是价格的比较。相机(Camera)——FAQ什么是亚像素?一般用分辨率这个名词来描述CCD芯片上的行列数。实际上,CCD芯片是一个抽样器件,它的最大抽样率由抽样定律决定,即抽样率必须高于奈奎斯特频率的2倍。能够通过亚像素算术来提高CCD芯片的抽样率,理论就是把一个像素看作是由亚像素组成的子图像。通常,我们能够处理亚分辨率为10×10亚像素的图像。相机(Camera)——FAQ什么是12位相机?我是否需要12位相机?理论上12位相机的动态范围是8位相机的动态范围的16倍。一个8位的相机最高能够检测256个灰度级。一个12位相机有4096个灰度级。由于相机是数字的,您不必测量到213.5625,或者说213或214。如果您需要检测213和214灰度级之间的灰度级,8位相机的效果就很差。这时您就要用12位相机,它能提供16倍的动态范围,同时又能得到与8位相机相同的数据量。相机(Camera)——FAQCMOS相机与CCD相机间的区别有哪些?
不同工艺和结构的两种微电子器件,主要的区别如下:CCD传感器比CMOS传感器对光更加敏感,这是因为CCD往往比CMOS相机有更大的填充因子。如今采用微透镜技术的CCD可以达到100%的填充比,而CMOS由于周围的电路元素影响,它的填充比一般在70%左右。CCD传感器更适应低对比度的场合,这是由于CCD传感器可以获得更高的信噪比。CMOS传感器可以获得比CCD传感器高很多的图像传输速度,因而更适用于高速场合的需要。CMOS传感器由于其电路结构特性可以获得比CCD传感器更多的输出柔性,可以在任意选择图像输出的子兴趣区域来提高图像传输速度,比如某传感器有1280×1024的像素分辨能力和15帧/秒的图像传输频率,如果是CCD传感器,由于其串行耦合输出的电路特性使它在选择子兴趣区域时只能减少行分辨率,如640×1024(30帧/秒)、320×1024(60帧/秒);而如果是CMOS传感器,则可以选择低于1280×1024的任何分辨率,如640×480(约70帧/秒)。CMOS传感器拥有更低的电能消耗,因此更适应于便携设备和空间应用。但有一点很明显,随着两者技术的进步,在同档次的相机上差别也越来越小,因而选择何种创感器主要是遵守适用原则。相机(Camera)——FAQ应该选择何种输出接口的相机?输出接口类型的选择主要由您需要获得数据类型决定。如果您的图像输出直接给视频监视器,那么您只需要模拟输出的相机(对单色图像需求就是CCIR或RS-170制式输出,对彩色图像需求就是PAL或NTSC制式输出)。如果您需要将相机获取的图像传输给电脑,则可以用多种输出接口选择,但必须和采集卡的接口一致,通常有如下的选择:(1)模拟接口仍然可以适用,图像信号需要一张图像采集卡完成A/D转换,这样的搭配价格最低因而是最常见的。(2)对一些没有其它采集卡控制需求和图像传输可靠性需求的应用,采用直联的USB2.0接口和IEEE1394(FireWire)最为方便。(3)CameraLink接口是一种数字输出标准,它需要一张采集卡来承载,并用以配合高性能的面扫描相机或线扫描相机,随着该数字接口的推广和完善,价格也不如预期的那样昂贵。(4)此外,也有一些老一点的数字接口仍然再被使用,比如LVDSRS644。
镜头(lens)相机中的传感器(CCD或CMOS)相当于人眼中的视网膜,那么镜头就相当于晶状体,必须通过镜头来摄取世界万物。数码相机的镜头,其最主要的特性是镜头的焦距值。镜头的焦距不同,能拍摄的景物广阔程度就不同,照片效果也迥然相异。镜头一般都由光学系统和机械装置两部分组成,光学系统由若干透镜(或反射镜)组成,以构成正确的物像关系,保证获得正确、清晰的影像,它是镜头的核心;而机械装置包括固定光学元件的零件(如镜筒、透镜座、压圈、连接环等),镜头调节机构(如光圈调节环、调焦环等),连接机构(比如常见的C、CS接口)等;此外,也有些镜头上具有自动调光圈、自动调焦或感测光强度的电子机构。镜头按焦距大小可以分为长焦镜头、标准镜头、广角镜头等;按用途通常可以分为安防用镜头(CCTVlens)、工业自动化镜头(FAlens),广播级别的镜头(Broadcastlens),高清晰电视用镜头(HDlens);机器视觉行业内通常将镜头分为宏镜头(macrolens)、定倍镜头(fixed-maglens)、变焦镜头(zoom镜头)、远心镜头(telecentriclens)、高精度或百万像素镜头(HighResolutionormillionpixelslens)等。镜头有关的光学参数我们可以将焦距f、光圈系数(相对孔径)、像方视场(即支持的CCD芯片大小)以及像差(比如畸变、场曲等)看作镜头的内部参数。镜头外部主要参数需求,通常是用户搭建视觉系统所最关心的,主要包括视场(FOV)、分辨率(Resolution)、工作距离(WD)和景深(DOF)。视觉系统镜头主要参数光学成像模型理想薄透镜成像理想薄透镜成像公式V和U分别是镜头光心到图像传感器的距离和镜头光心到物体的距离,和分别是图像的大小和物体的大小。V与U之比就是放大因子(或称放大倍率)。对成像理论进行简单介绍之后,接着对镜头参数进行介绍。对于普通用户最直观的2个内部参数分别是焦距、光圈。对同一芯片尺寸的相机,视场角则可以看作焦距的另一种表达,它与焦距的关系式为:,是CCD传感器的一个维的长度(水平、垂直或对角方向)。有时镜头可以根据它的视角来分类:焦距(视场角)不仅仅描述镜头的屈光能力,且可作为图像质量的参考。一般镜头失真随着焦距的减小(或视场角的增大)而增大,因而选择测量镜头,不要选择小焦距(小于8mm)或大视场角的镜头。此外,即使不是变焦(ZOOM)镜头,普通镜头上也会有一个调焦环,但如前面提到的它没有改变镜头的焦距f,而只是改变镜头光心到图像传感器的距离V,从前面的公式可以看到这样可以改变镜头的放大倍率。光学系统望远物镜远距摄像镜头标准镜头广角镜头超广角镜头视场6°12°46°65°>100°焦距计算焦距计算实例焦距计算实例焦距计算实例镜头选择PentaxandComputarMegaPixelserieslensesBarcodefm=28.9mmFruitfm=17.7mmEyefm=39.7mm光圈系数是镜头的重要内部参数,它就是镜头相对孔径的倒数,一般的厂家都会用F数来表示这一参数。由于光圈系数是相对孔径的倒数,因此,如果光圈系数的标称值数字越大,也就表示其实际光圈就越小。镜头的光圈排列顺序是:1、1.4、2.0、2.8、3.5、4.0、5.6、8.0、11、16、22、32等等。随着数值的增大,其实际光孔大小也就随之减小,而其在相同快门时间内的光通量也就随之减小。有些视觉系统为了增大镜头的可靠性和降低成本,采用的定光圈设计,光圈不能改变时调整图像亮度就需要靠调整光源强度或相机增益。像方视场(即支持的CCD芯片大小)同样是镜头的重要内部参数。不同芯片规格要求相应的镜头规格。镜头的设计规格必须等于或大于芯片规格,否则在视场边缘会出现黑边。特别是在测量中,最好使用稍大规格的镜头,因为镜头往往在其边缘处失真最大。作为镜头内部参数的像差,在机器视觉应用中最为关键的是畸变(变形率),畸变主要分为两种:桶形畸变(Barrel)和枕形畸变(Pincushion),畸变会影响测量结果,特别是在精密测量中,还必须通过软件的方法进行标定和补偿。图中虚线方框表示物体应该成的理想像,很明显,畸变沿镜头径向变化并不是线性的,通常在视场边缘畸变最大,用于测量的镜头最大畸变需要小于1%。用户选择比较相关的外部参数——视场(FOV),可以通过以下两个公式进行计算,式中V和H分别表示垂直和水平方向,M表示光学放大倍率,f表示焦距,WD表示工作距离。客户选择比较相关的外部参数——镜头的分辨率,单位是“线对/毫米”。不能与相机的分辨率混淆,镜头的极限空间分辨能力受系统衍射极限的影响,按照瑞利判据,物镜的光学极限分辨距离为:式中为波长;NA为物镜的物方数值孔径;n为物方介质折射率,绝大多数视觉系统都是按FOV与CCD像素数的比值来计算视觉系统的分辨率。景深则是镜头另一个重要的外部参数。它表示满足图像清晰度要求的最远位置与最近位置的差值,景深的计算可能会相对麻烦一些它与镜头焦距、光圈值、工作距离和允许弥散斑的最大直径有关。由于允许弥散斑的最大直径是个相对量,它的可接受直径很大程度上取决于应用,因此在实际视觉应用中以实验和参考镜头给出的参考值为主。简单的说,光圈越小,景深越深;焦距越短,景深越深;对焦距离(工作距离)越远,景深越深。镜头——镜头接口有很多方法在相机上安装镜头,幸好机器视觉由C接口和CS接口的镜头和相机主导,比较例外的是高像素数的线扫描相机(2048像素以上),它需要比C接口镜头提供的图像格式更大,在这种情况下,通常利用的是尼康的F接口。C接口与CS接口镜头唯一的区别就是他们背焦距。对C接口背距是17.5mm,对CS接口背距为12.5mm。因此,对C接口镜头可以增加一个5mm的扩展管,就可得到CS接口镜头。由于C接口标准是国际接受的,有很多镜头可供选择。对于这一规则有一重要例外:C接口的3CCD相机不能和C接口镜头协同工作。下图为C接口与CS接口之间正确的匹配和不正确的匹配方法。C接口与CS接口的匹配镜头——镜头接口普通的镜头与人眼一样,由于视场角的缘故看物体都存在“近大远小”的现象,如果这样的镜头用在测量系统中,物距常发生变化,从而使像高发生变化,所以测得的物体尺寸也发生变化,即产生了测量误差;另一方面,即使物距是固定的,也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上,同样亲会产生测量误差;为了解决上述问题,可以采用远心物镜。其中像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差,而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。传统镜头与远心镜头进行了简单对比。ConventionalLens优点:•
低花费•
容易购买到•
较大的适用范围缺点:•
放大倍率随工作距离改变•
投影失真应用:•
一般的检测应用•
工作面固定的二维测量TelecentricLens优点:•
工作距离的小范围改变保持固定的放大倍率•
无投影失真缺点:•
低花费•
直径要大于被测物•
大的重量应用:•
精密测量•
微蚀刻对于一个光学镜头的性能评估通常用分辨率(resolution)
、对比度(contrast)、像差(aberration)、MTF(modulation
transfer
function)、色彩平衡性(color
balance)、周边光量(Peripheral
illumination)、渐晕(Vignetting)、光斑(flare)、镀膜(coating)等参数进行衡量,虽然这些与视觉成像有很大关系,但作为机器视觉的应用者,应该把这些参数的保障交给镜头生产者,而自己主要是选择合适的镜头类型并保证视场大小和分辨率要求,此外与视觉应用比较相关的还有工作距离、景深、畸变、均一充分的亮度、耐振荡冲击性和镜头本身的尺寸规格。镜头(Lens)——小结小的光圈、短的焦距、以及大的工作距离将会导致大的景深,因而可以将光圈调到最大时调焦,这样容易找到最佳对焦位置。如光照足够,可以减小光圈,即增加F数来增加景深。定光圈工业镜头和针孔摄像机镜头由于无法设置调焦机构,其F数都设计得比较大。镜头的规格必须等于或大于CCD芯片的规格。尽量小像差的测量镜头,不用小焦距的镜头(焦距小于8mm)用于测量,由于它会产生不可接受的失真,会增大软件补偿的困难。失真是镜头边缘的很大问题,这就是为什么在测量应用中,镜头规格一定要大于CCD芯片的规格的原因。扩展管和微距镜头可以减小镜头物距。对于变倍镜头,应避免使用扩展管。远心镜头可以避免投影失真(即视角失真)的问题,它的直径必须比被测物体大。有些镜头之所以被称为百万像素镜头是因为这些镜头本身的分辨能力大于百万像素CCD或CMOS的物理分辨率。对于工业应用,不能够减少对机械稳定性的成本。最好当镜头的焦距、光圈、放大倍数都设置好后将它们固定或者一开始就选择定光圈的定倍镜头。C接口的3CCD芯片相机与通常一个CCD芯片的相机的光学特性和机械特性都有很大不同,由于这个原因,对厂商提供的兼容的镜头要特别注意。图像采集卡(FrameGrabber)
图像采集卡被作为视频信号从相机到电脑之间传输的桥梁。采集卡有多种总线形式,比如最常见的PCI总线和更大带宽的它的升级版本PCI-X总线,也有基于AGP、ISA、PC104Plus、CompactPCI以及VME总线的图像采集卡。图像采集卡则将各种模拟视频信号经A/D转换成数字信号送入计算机,供计算机作处理、存储、传输等之用,一般以可插入计算机,或脱离计算机独立使用的板卡形式出现。图像采集卡的基本技术参数:图像传输格式:图像采集卡需要支持系统中摄像机所采用的输出信号格式。大多数摄像机采用RS422或EIA644(LVDS)作为输出信号格式。在数字相机中,IEEE1394,USB2.0和CameraLink几种图像传输形式则得到了广泛应用。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。传输通道数:当摄像机以较高速率拍摄高分辨率图像时,会产生很高的输出速率,这一般需要多路信号同时输出,图像采集卡应能支持多路输入。一般情况下,有1路,2路,4路,8路输入等。分辨率支持:采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持768*576点阵,而性能优异的采集卡其支持的最大点阵可达64K*64K。单行最大点数和单帧最大行数也可反映采集卡的分辨率性能。采样频率:采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行高度图像采集时,需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。目前高档的采集卡其采样频率可达65MHZ。传输速率: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。图像采集卡相关的技
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