机器视觉原理与应用 课件 4 机器视觉测量系统

第4章机器视觉测量系统4.1工业相机4.2镜头 4.2.1镜头结构 4.2.2现场 4.2.3光学倍率和数值孔径 4.2.4景深 4.2.5曝光量和光圈数 4.2.6分辨率 4.2.7镜头选择4.3光源 4.3.1光源的基本性能参数 4.3.2常见可用光源4.4图像采集卡4.5数据通信接口

第4章机器视觉测量系统机器视觉测量系统包含工业相机、光源照明系统与图像处理软件、图像采集系统、数据通信接口。除具备上述硬件系统后，工业相机成像后，需要进行摄像机标定，包括坐标系间的变换关系，工业相机成像模型。一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头（定焦镜头、变倍镜头、远心镜头、显微镜头）、相机（包括CCD相机和COMS相机）、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。第4章机器视觉测量系统工业机器视觉系统定焦镜头

光源镜头图像处理单元相机图像处理软件监视器通讯/输入输出单元变倍镜头

远心镜头

显微镜头

CCD相机

COMS相机

4.1

工业相机工业相机是视觉系统的关键部件，其性能直接影响到识别精度和定位抓取的精度。选用工业相机要考虑到工件托盘的特征、工件的轮廓特征以及光线等条件。工业相机又称工业摄像头、工业摄像头、工业照相机等。根据所使用的的芯片类型分为工业CCD相机和工业CMOS相机；根据信号种类分为工业模拟相机和工业数字相机；其中数字相机又分为：GigE千兆网、USB2.0、USB3.0、CameraLink、1394A和1394B等多种接口。4.1

工业相机CCD相机

COMS相机

根据使用的芯片不同：根据信号种类：工业数字相机

工业模拟相机

GigE千兆网USB2.0 USB3.0 CameraLink

1934A

1934B

4.2

镜头镜头相当于人眼的晶状体，如果没有晶状体，人眼看不到任何物体；如果没有镜头，摄像机所输出的图像就是白茫茫的一片，没有清晰的图像输出。当人眼的睫状体无法按需要调整晶状体凸度时，将出现人们常说的近视（或远视）眼，眼前的景物就变得模糊不清；摄像机与镜头的配合也有类似现象，当图像变得不清楚时，可以调整摄像机的像方焦点，改变摄像机芯片与镜头基准面的距离（相当于调整人眼晶状体的凸度），可以将模糊的图像变得清晰。由此我们知道，光学镜头的主要作用是将景物的光学图像聚焦在图像传感器的光敏阵列上。视觉系统处理的所有图像信息均通过镜头得到，镜头的质量直接影响视觉系统的整体性能4.2

镜头分类依据类型说明工作波长紫外镜头同一光学系统对不同波长的光其折射率不同，这导致同一点发出的不同波长的光成像时不能会聚成一点，从而产生色差。常用镜头的消色差设计只针对可见光范围，而应用于其他波段的镜头则需要进行专门的消色差设计可见光镜头近红外镜头红外镜头变焦与否定焦镜头（按焦距长短分）鱼眼镜头焦距长短划分不是以焦距的绝对值为首要标准，而是以像角的大小为主要区分依据，所以当靶面的大小不等时，其标准镜头的焦距大小也不同短焦镜头标准镜头长焦镜头变焦镜头手动变焦变焦镜头最长和最短焦距值之比称为变焦倍率电动变焦4.2

镜头视场大小广角镜头视角90°以上，观察范围较大，短焦距提供宽角度视场，鱼眼镜头是一种焦距约6~16mm的短焦距超广角摄影镜头标准镜头视角50°左右，使用范围较广长焦（远摄）镜头视角20°以内，焦距几十或上百毫米，长焦距提供高倍放大变焦镜头镜头焦距连续可变，焦距可以从广角变到长焦工作距离望远镜头物距很大普通摄影镜头物距适中显微镜头物距很小分类依据类型说明4.2

镜头接口类型C型镜头基准面至焦平面距离为17.526mm，C型镜头与CS型摄像机配合使用需在二者之间增加一个5mm的C/CS转接环CS型镜头基准面至焦平面距离为12.5mmF型F接口镜头是尼康镜头的接口标准，又称尼康口，是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头、以及靶面大于1英寸的摄像机V型V接口镜头是施耐德镜头主要使用的标准，一般也用于摄像机靶面较大或特殊用途的镜头特殊用途镜头显微镜头一般用于光学倍率大于10：1的系统，但由于目前CCD像元尺寸已经做到3μm以内，所以光学倍率大于2：1时也会选用显微镜头微距镜头一般是指光学倍率为2：1~1：4范围内特殊设计的镜头。当图像质量要求不高时，一般可采用在镜头和摄像机之间增加近摄接圈的方式或在镜头前增加近拍镜的方式达到放大成像的效果远心镜头主要为纠正传统镜头视差而特殊设计的镜头，可以在一定的物距范围内，使得拍摄到的图像其放大倍率不随物距的变化而变化分类依据类型说明4.2

镜头按照有效像场的大小进行分类

镜头类型有效像场尺寸（1英寸=25.4mm）电视摄像镜头1/4英寸摄像镜头3.2mm×2.4mm（对角线4mm）1/3英寸摄像镜头4.8mm×3.6mm（对角线6mm）1/2英寸摄像镜头6.4mm×4.8mm（对角线8mm）2/3英寸指像镜头8.8mm×6.6mm（对角线11mm）1英寸摄像镜头12.8mm×9.6mm（对角线16mm）电影摄影镜头35mm电影摄影镜头21.95mm×16mm（对角线27.16mm）16mm电影摄影镜头10.05mm×7.42mm（对角线12.49mm）照相镜头135型摄影镜头36mm×24mm127型摄影镜头40mm×40mm120型摄影健头80mm×60mm中型摄影镜头82mm×56mm大型摄影镜头240mm×180mm4.2

镜头由于系统中所用摄像机的靶面尺寸有各种型号，所以在选择镜头时须注意镜头的有效像场应该大于或等于摄像机的靶面尺寸，否则成像的边角部分会模糊甚至没有影像。下面介绍镜头的结构、相关参数及镜头选择方法，以便在实际应用中获取最优的系统性能。4.2.1

镜头结构镜头由多个透镜、可变（亮度）光圈和对焦环组成，有些镜头有固定调节系统。使用时通过观察显示图像的明亮程度及清晰度来调整可变光圈和焦点4.2.2

视场视场（FOV）是指系统能够观察到的物体的物理尺寸范围，也就是CCD芯片上所成图像最大时对应的物体的大小。它与工作距离dw，焦距f、CCD芯片尺寸sc有关。在不使用近摄环的情况下，四个参数之间的关系可用以下比例表达式表示

光学成像示意图4.2.3

光学倍率和数值孔径光学倍率是指成像大小与物体尺寸的比值，可以表示为

式中： NA——物方数值孔径 NA'——像方数值孔径物方孔径角和折射率分别为u和n，像方孔径角和折射率分别为u'和n’，则物方和像方的数值孔径分别表示为

数值孔径示意图

4.2.4

景深拍摄有限距离的景物时，可在像面上成清晰图像的物距范围叫做景深按理想光学系统的特性及透镜公式计算: (4-5)对于从透镜中心至图像平面的距离，只有一个距离等于z的空间平面与之共轭，该平面称为对准平面。严格来讲，除对准平面上的点能成点像外，其他空间点在图像平面上只能为一个弥散斑。当弥散斑小于一定限度时，仍可认为是一个点，这是由成像装置的空间分辨率所决定的，于是小于成像装置分辨率的一定量的离焦可以忽略。

4.2.4

景深

4.2.4

景深物点处于离焦位置时，成像在图像平面上的是一个圆形的弥散斑。如果圆斑的直径小于成像装置的分辨率，离焦量可以忽略。假设圆斑直径为b’，入射光瞳直径为D，焦距为f，透镜中心距图像平面的长度为。如果图像平面向透镜方向移动到一个新的距离，那么模糊程度为： (4-6)根据相似三角形，b’/2与之比等于d/2与之比。由式（4-5）能分别解出对应于z和z1情况下的

和

，并且将这些表达式代入式（4-6）得到与物距相关的模糊量： (4-7)

4.2.4

景深假设b等于可以接受的弥散圆的最大直径，由式（4-7）计算出能成清晰像的最近平面（即近景平面）的距离： (4-8)为了计算远景平面的距离，让 (4-9)式中，是对应于最大模糊量情况下的图像平面远离透镜方向移动到一个新的距离。同理可以得到： (4-10)进一步求解式（4-10）得到远景平面距离

4.2.4

景深上面的公式给出了这条与近景平面位置与焦距f、入射光瞳直径D、最大可接受的像糊量b’、对准平面位置z之间的关系。

，称为超焦距（hyperfocaldistance），此时，远景平面位置和景深为无穷远。远景与近景平面位置之差表示为景深：由上式可知，景深与孔径光阑（光圈），焦距，镜头与物体间距离有直接的关系。焦距越短，景深越大；镜头离物体的距离越远，景深越大；光圈越小，景深越大。光圈增大，通光量增加，景深减小，于是在光圈与景深之间需要有一个折中或平衡。而小光圈和良好的光线使聚焦更简单。

4.2.5

曝光量和光圈数摄像机收集到的光景，即曝光量（exposure），依赖于到达像面上的光强（图像辐照度，imageirradiance）与曝光持续时间（快门速度，shutterspeed）的乘积 功率乘以时间所得结果为能量，当图像辐照度的单位为W/m2时，曝光量的单位为J/m2。光圈数，或称F数（F-number，f#），它与焦距f，入射光瞳直径D之间的关系为指定物镜以F数为单位，因为对于相同F数的不同物镜来说，图像强度（恒定快门速度下的曝光量）是一样的。换句话说，F数表征单位入射光瞳直径下不同焦距透镜的接受光强的能力。

4.2.5

曝光量和光圈数F数是以

为公比的等比级数，因为两倍入瞳面积（aperturearea）等于入瞳直径增加

倍，F数的常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等。每一挡F数的变化改变1.4倍入瞳直径，提高2倍到达像面的光强。最小F数是衡量镜头质量好坏的重要参数之一。例如，电影摄影机用的镜头，最小F数可达0.85。F数越小，表示它能在光线较暗的情况曝光或用较短的时间曝光，可以进行高速摄影。摄影光学系统采用调节光圈大小的方法来调节F数，光圈越小，F数越大，景深也越大，但由于像面的照度变小，需要相应增加曝光时间，才能使感光底片得到相同的曝光量，定量关系是：曝光时间与F数的平方成正比。4.2.6

分辨率从波动光学的角度看，当光通过光学系统中的光阑等限制光波传播的光学元件时要发生衍射，因而物点的像并不是一个几何点，而是以像点为中心具有一定大小的斑，称为爱里斑（Airydisk）。如果两个物点相距很远，它们各自形成的爱里斑就比较远，它们的像就容易区分开；如果两个物点相距很近，对应的爱里斑重叠太多，就不能清楚地分辨出两个物点的像，所以光的衍射限制了光学成像系统的分辨能力瑞利（Raylcigh）判据：当一个爱里斑的边缘正好与另一个爱里斑的中心重合时，这两个爱里斑刚好能被区分开，如图4-6所示。瑞利判据也是一条经验判据，它是根据正常人眼的分辨能力提出的，正常人眼可以分辨出光强差20%的差别，当一个爱里斑边缘与另一个爱里斑中心重叠时，两个爱里斑中心的光强是两中心连线中点处光强的1.2（1.0/0.7351.2）倍。刚好被人眼区分开。用光学术语来说，瑞利判据定义了像中的圆形分辨单元，因为两个点光源可以被分辨的条件是它们不落在同一个分辨单元里。4.2.6

分辨率根据以上描述，瑞利距离可以表示为

图4-6瑞利判据示意图当衍射斑中心距离大于或等于时可以分辨，小于时不能分辨。4.2.6

分辨率如果使用最小分辨角来描述，则瑞利判据可以表示为

。也就是说，两个爱里斑中心对圆孔中心的张角，正好等于爱里斑半径对圆孔中心的张角。光学系统的分辨率定义为的倒数，即

（4-17）式（4-17）表明，增大透镜的直径或减小入射光的波长都可以提高系统的光学分辨率。在天文望远镜中，为了提高分辨率和增加光通量，总是使用直径很大的透镜作为物镜。例如，加那列望远镜通光孔径达10.4m。而在显微镜中，为了提高分辨率，可用紫外光照射，在电子显微镜（electronmicorscope）中，电子物质波的波长很短（0.001~0.1nm），因此电子显微镜的分辨率可比一般光学显微镜提高数千倍。4.2.6

分辨率式（4-17）决定了视场中心的分辨率，视场边缘由于成像光束的孔径角比轴上点小，分辨率有所降低。实际的成像物镜总有一定的剩余像差，其分辨率要比理想分辨率低得多，而视场边缘受轴外像差和光束渐晕的影响，要低得更多。有人认为瑞利判据过于宽松，于是又提出另外两个判据，即道斯（Dawes）判据和斯派罗（Sparrow）判据。根据道斯判据，人眼刚好能分辨两个衍射斑的最小中心距为

根据斯派罗判据，两衍射斑之间的最小中心距为

4.2.6

分辨率通过单独分析单个透镜分辨率以及后面章节中的光电成像器件和图像采样等，将它们综合起来确定整个数字成像系统的像素间距。无论物体中包含有多高的频率，超过成像系统MTF的截止频率的那些信息并不能提供给数字化设备。而这个频率也不会超出初始成像透镜或反射镜的光学传递函数（OTF）的截止频率

这样，如果我们令折叠频率（采样频率的一半）等于OTF的截止频率，就可以避免混叠。恰当进行插值，就能根据采样点无误差地重构图像。令折叠频率等于图像中出现的最高频率，称为按Nyquist标准采样。按此准则像素间距对摄像机而言为

。如果按照瑞利距离，像素间距应为

，该数值比Nyquist标准给出的大22%。4.2.7

镜头选择光学镜头是视觉测量系统的关键设备，在选择镜头时需要考虑多方面的因素。（1）镜头的成像尺寸应大于或等于摄像机芯片尺寸。（2）考虑环境照度的变化。（3）选用合适的镜头焦距。（4）成像过程中需要改变放大倍率，采用变焦镜头，否则采用定焦镜头，并根据被测目标的状态应优先选用定焦镜头。（5）接口类型互相匹配。（6）特殊要求优先考虑。结合实际应用特点，可能会有特殊要求。4.3光源光源照明系统是影响机器视觉系统检测质量的重要因素，其直接影响输入数据的质量和应用效果。需要具有以下特点或要求：（1） 尽可能突出物体的特征；（2） 增强目标区域与背景区域的对比度，能够有效的分割图像；（3） 光谱要求：光源光谱功率分布的峰值波长应与光电成像器件的灵敏波长一致；（4） 强度要求：光强会影响摄像机的曝光，光线不足对比度变低，需要加大放大倍数，这样噪声也会相应放大，也可能使镜头的光圈加大，于是景深将减小。反过来，光强过高会浪费能量，并产生热量；（5） 均匀性要求：在所有的机器视觉应用中，都会要求均匀的光照，因为所有的光源随着距离的增加和照射角度的偏离，其照射强度减小，所以在对大面积物体照射时，会带来较大的问题，有时只能做到视场的中心位置保持均匀；（6） 成像质量要求：物体位置变化不影响成像质量，测量过程中在一定范围内移动物体时，照明效果不受影响。4.3.1光源的基本性能参数辐射效率和发光效率在给定的波长范围内，某一光源所发出的辐射通量与产生该辐射通量所需要的功率P之比，成为该光源的辐射效率在可见光范围内，某一光源的发光效率为光通量与功率P之比

和分别表示测量系统的光谱范围，实际应用中，采用辐射效率高的光源以节省能源。4.3.1光源的基本性能参数光谱功率分布光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长有关，称为光谱的功率分布。四种典型的光谱功率分布如图4-7所示。图4-7（a）为线光源，如低压汞灯光谱的功率分布；图4-7（b）为带状光源，如高压汞灯光谱；图4-7（c）为连续光谱光谱，如白炽灯、卤素灯光谱；图4-7（d）为复合光谱，它由连续光谱与线状、带状光谱组合而成，荧光灯光谱。4.3.1光源的基本性能参数光谱功率分布图4-7四种典型的光谱功率分布（a）线状光源（b）带状光源（c）连续光源（d）复合光源4.3.1光源的基本性能参数光源的颜色光源的颜色包含钠色表和显色性。一般用眼睛直接观察光源时所看到的颜色称为光源的色表，如高压钠灯的色表呈黄色，荧光灯的色表呈白色等。当用这种光源照射物体时，物体呈现的颜色（即物体反射光在人眼内产生的颜色感觉）与该物体在完全辐射体照射下所呈现的颜色的一致性，称为该光源的显色性。4.3.2常用可见光源任何发出光辐射的物体都可以叫做光辐射源。这里所指的光辐射包括紫外光、可见光洪红外光的辐射。通常把能够发出可见光的物体叫做光源，而把能够发出非可见光的物体叫做辐射源。按照光辐射来源的不同，通常将光源分成两大类：自然光源和人工光源。自然光源主要包括太阳、恒星等，这些光源对地面辐射通常不稳定且无法控制，在视觉测量中很少使用，并且作为杂散光予以消除或抑制，因而视觉测量系统中大量使用人工光源。按照工作原理不同，人工光源大致分为热辐射光源、气体放电光源、发光二极管和激光光源。4.3.2常用可见光源

自然光源：太阳、恒星…… 按照光辐射来源不同

人工光源（按照工作原理不同）

热辐射光源气体放电光源发光二极管激光光源4.4图像采集卡计算机通过图像采集卡（imagecapturecard）接收来自图像传感器的模拟信号，对其进行采样、量化成数字信号，然后压缩编码成数字视频序列。一般图像采集卡采用帧内压缩的算法把数字化的视频存储成AVI文件，高档的图像采集卡直接把采集到的数字视频数据实时压缩成MPEG-1格式的文件4.4图像采集卡图像采集卡模拟图像采集卡与数字图像采集卡彩色图像采集卡与黑白图像采集卡面扫描图像采集卡与线扫描图像采集卡图像采集卡的分类4.4图像采集卡图像采集卡的技术参数（1）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EIA(LVDS)作为输出信号格式。在数字摄像机中广泛应用IEEE1394，USB2.0，USB3.0，GigE，5GigE和CameraLink几种图像传输形式。（2）图像格式（像素格式）①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。

在对图像灰度有更高的要求时，可用10位、12位等来表示。②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。4.4图像采集卡图像采集卡的技术参数（3）传输通道数。当摄像机以较高速率拍摄高分辦率的图像时，会产生很高的输出速率，一般需要多路信号同时输出。因此图像采集卡应能支持多路输入。一般情况下，图像采集卡有1路、2路、4路、8路输入等。（4）分辦率。采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。一般采集卡可支持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。除此之外，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。(5)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。目前高档采集卡的采样频率可达65MHz。(6)传输速率。主流图像采集卡与计算机主板间都采用PCI接口，其理论传输速度为132Mbps。PCI-E、PCI-X是更高速的总线接口。4.4图像采集卡图像采集卡的技术参数（7）帧和场。标准模拟视频信号是隔行信号，一帧分两场，偶数场包含所有偶

数行，奇数场包含所有奇数行。采集和传输过程使用的是场而不是帧，一

帧图像的两场之间有时间差4.5数据通信接口PCI总线和PC104总线PCI（PeripheralComponentInterconnect，外设部件互连标准）总线是计算机的一种标准总线，是目前PC中使用最为广泛的接口。PCI总线的地址总线与数据总线是分时复用的。这样做，一方面可以节省接插件的引脚数，另一方面便于实现突发数据传输。CameraLink通信接口CameraLink标准规范了数字摄像机和图像采集卡之间的接口，采用了统一的物理接插件和线缆定义。只要是符合CameraLink标准的摄像机和图像卡就可以物理上互连。CameraLink标准中包含Base、Medium、Full三个规范，但都使用统一的线缆和接插件。CameraLinkBase使用4个数据通道，Medium使用8个数据通道，Full使用12个数据通道。CameraLink标准支持的最高数据传输率可4.5数据通信接口达680Mbps。CameraLink标准中还提供了一个双向的串行通信连接。图像卡和摄像机可以通过它进行通信，用户可以通过从图像卡发送相应的控制指令来完成摄像机的硬件参数设置和更改，方便用户以直接编程的方式控制摄像机。从CameraLink标准推出之日起，各个图像卡生产商就积极支持该标准，因此，LVDS和ChannelLink接口的硬件已经淡出了市场。如果用户需要开发一个新的高性能机器视觉系统，无论是选择摄像机或图像卡时，都应该优先考虑采用CameraLink接口的产品。IEEE1394通信接口IEEE1394是一种与平台无关的串行通信协议，标准速度分为100Mbps、200Mbps和400Mbps，是IEEE（电气与电子工程师协会）于1995年正式制定的总线标准。目前，1394商业联盟正在负责对它进行改进，争取未来将速度提升4.5数据通信接口至800Mbps、1Gbps和1.6Gbps这三个档次。相比于BIA接口和USB接口，IEEE1394的速度要高得多，所以，IEEE1394也称为高速串行总线。从技术上看，IEEE1394具有很多优点。首先，它是一种纯数字接口，在设备之间进行信息传输的过程中，数字信号不用转换