视觉测量系统——第三讲.ppt

1、第二章系统硬件组成,二、光学镜头,镜头是视觉系统中的重要光学部件，镜头直接影响到成像的质量。正确选择镜头及其参数可以减少图像处理的要求，提高测量系统的精度、性能和稳定性。,第二章系统硬件组成,1、镜头的理想模型（薄透镜模型）,在同一个点上会有很多光线通过镜头投射到同一图像点。,这里将镜头抽象为一个透镜，暂不考虑光阑。,在实际应用中，通常只考虑主光线，把该光线想像为通过位于镜头中心的小孔，该模型称为针孔模型。,从物体平面到镜头的距离 u 为物距。由镜头到传感器平面的距离 v 为像距， f 为光学系统焦距。,第二章系统硬件组成,第二章系统硬件组成,对于所示成像系统，有如下基本成像公式：,对于成实像

2、的系统，像距总是大于焦距,焦距一定时，物距越大，像距越小,基于上面的公式，如果物距无限大的时候，有这样一个结果：,第二章系统硬件组成,换句话说，当物体很远时，成像在焦平面上,第二章系统硬件组成,2、放大率（Magnification）,成像系统放大率用 M 表示,第二章系统硬件组成,放大率：,这里h是像高，是物高。设计机器视觉系统时，需要考虑物体能否完整成像到芯片上并保证对目标的分辨率，所以选择镜头和摄像机时要综合考虑放大率的因素。,有的地方：,这里， Wcamera 为相机成像面宽度， WFOV 为系统视场宽度。,第二章系统硬件组成,视场就是视觉检测系统能够观察的物体的范围，也就是CCD芯片

3、上所成图像对应的物体大小,3、视场（Field of View）,工程中经常可以看到用视场角给出视场大小。,第二章系统硬件组成,4、光圈指数（F）,第二章系统硬件组成,4、光圈指数（F）,这里：f 为镜头焦距 D为镜头入瞳直径，由于此处采用薄透镜模 型，故为光孔直径。,F数决定3个重要的参数： - 图像的亮度。The brightness of the image - 景深。 The depth of field - 镜头的分辨率。The resolution of the lens,第二章系统硬件组成,4、光圈指数（F）,该参数描述了系统的采光能力。,光孔越大，能够收集和通过的光线越多。焦距

4、越短，这些光线能够到达成像面的可能性越大。,例：某镜头的焦距为50毫米，光孔直径为8.9毫米，则 F=8.9/50=1/5.6。,镜头上标出的是F的倒数，如3.4，5.6，8，11，16等，称为镜头的光圈。,第二章系统硬件组成,4、光圈指数（F）,镜头标有 1:1.2 或者 F1.2 的意义：,焦孔比：最大光孔直径和焦距之比,如：焦距12毫米的镜头标有 1:1.2 ，则最大光孔直径为10毫米,第二章系统硬件组成,4、光圈指数（F）,F数值越小：,光圈口径越大，入射光锥形角越大。,曝光速度越快，能收集更多的光线,分辨率越高。,景深越小。,F数值越大：,速度越慢，但有较大的景深。,它的分辨率通常有

5、限会有衍射效应，图像也会变得模糊。,第二章系统硬件组成,5、景深（Depth of Field）,在焦点前后，光线开始聚集和扩散，点的影象是模糊的，形成一个扩大的圆，这个圆就叫做弥散圆(circle of confusion) 。,在实际应用中，如果弥散圆的直径小于镜头或图像接收器的鉴别能力，则认为成像是清晰的。这个认为清晰的弥散圆就称为容许弥散圆。,第二章系统硬件组成,5、景深（Depth of Field）,在对焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离就叫景深，即：在被摄主体(对焦点)前后，其影像仍然有一段清晰范围，就是景深。,第二章系统硬件组成,景深随镜头的焦距、光圈值、拍摄距

6、离而变化。对于固定焦距和拍摄距离，使用光圈越小，景深越大。,第二章系统硬件组成,(1)、镜头光圈： 光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；,F2.0,F5.6,F16,第二章系统硬件组成,(2)、镜头焦距 镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；,D：入瞳直径,p：对准平面到入瞳距离,：人眼的极限分辨角,“傻瓜”相机采用短焦距镜头，以获得较大的景深。,(3)、拍摄距离 距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。,第二章系统硬件组成,5、数值孔径（NA）,数值孔径简写NA，是物镜的主要技术参数，是镜头性能高低的重要标志。,数值孔径用来描述能够进入镜头的光能的多少。,第二章系统硬件组成,6、数

7、值孔径（NA）,数值孔径与其他技术参数有着密切的关系，它几乎决定和影响着其他各项技术参数。,它与分辨率成正比，,与放大率成正比，,与景深成反比，,NA值增大，视场宽度与工作距离都会相应地变小。,第二章系统硬件组成,7、镜头的分辨率（Resolusion）,分辨率就是在物体反差无限大的时候（就是所有物象在纯白和纯黑下）镜头记录物体细节的能力 。,两个非常相近的点，通过镜头成像。由于光的自然特性，即使最好的镜头也不能准确地重现细节和物体的差异，点的边缘是模糊不清的。当他们相隔足够远时， 点容易区分。当他们靠近时，开始模糊。,第二章系统硬件组成,分辨率国际标准单位是 线对/毫米（lp/mm）。一黑一

8、白两条线为一个线对，每毫米能够分辩出的线对数就是分辨率的数值。当镜头在一毫米的范围内，可以分辩出60根平行线组成的图案，这时我们说这支镜头的光学分辨率为60lp/mm。,当点的距离很近时，将无法分辨,第二章系统硬件组成,分辨率测试卡,第二章系统硬件组成,8、调制传递函数MTF,将镜头看作一个信息传递系统：被拍摄景物发出来的光线是它的输入信息，而成像面上的成像就是它的输出信息。一个优秀的镜头意味着它的输出的像忠实的再现了输入方景物的特性。,亮度按正弦变化的周期图形叫做“正弦光栅”,正弦光栅的空间频率(Spatial Frequency) ：单位长度(每毫米)的亮度按照正弦变化的图形的周期数。,第

9、二章系统硬件组成,相邻的两个最大值的距离是正弦光栅的空间周期，单位是毫米。空间周期的倒数就是空间频率，单位是线对/毫米(lp/mm， linepairs/mm)。,正弦光栅最亮处与最暗处的差别，反映了图形的反差(对比度)。,对比度定义是：在暗室中，白色画面(最亮时)下的亮度除以黑色画面(最暗时)下的亮度。,因此白色越亮、黑色越暗，对比度就越高。,第二章系统硬件组成,设最大亮度为Imax，最小亮度为Imin，用调制度(Modulation)表示反差的大小。调制度M定义如下：,M=(ImaxImin)/(ImaxImin),很明显，调制度介于0和1之间。调制度越大，意味着反差越大。当最大亮度与最小

10、亮度完全相等时，反差完全消失，这时的调制度等于0。,第二章系统硬件组成,将正弦光栅置于镜头前方、在镜头成像处测量像的调制度，发现当光栅空间频率很低时，像的调制度几乎等于正弦光栅的调制度；随着空间频率的提高，像的调制度逐渐单调下降；空间频率高到一定程度，像的调制度逐渐降低到0、完全失去了反差！,第二章系统硬件组成,正弦信号通过镜头后，它的调制度的变化是正弦信号空间频率的函数，这个函数称为调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)。对于原来调制度为M的正弦光栅，如果经过镜头到达像平面的像的调制度为M ，则MTF函数值为：,MTF值= M / M,可以看出，MTF

11、值必定介于0和1之间，并且越接近1，镜头的性能越好！,第二章系统硬件组成,MTF综合反映了镜头的反差和分辨率特性。MTF是用仪器测量的，因而可以完全排除胶片等客观因素的影响和人工判读的主观因素影响，是目前最为客观最为准确的镜头评价方法。,第二章系统硬件组成,MTF值不但受镜头像差影响，还要受到空间频率、光圈和像场大小三个变量的影响，所以一般绘制二维的MTF曲线时都是固定空间频率、光圈和像场三个变量中的两个、剩余一个作为横坐标，并且以MTF值作为纵坐标。,第二章系统硬件组成,空间频率很低时，MTF值趋于一个接近于1的固定值。随着空间频率增高，MTF值逐渐下降，直到趋于0。人眼对反差为0.05的影

12、像尚能分辩，而当反差低于0.02时就完全不能察觉了。,第二章系统硬件组成,一般的，我们可以比较MTF曲线下部包围的空间来大致判断镜头质量，MTF曲线包围的空间越大越好。,第二章系统硬件组成,调制传递函数完整的描述了任何一个光学系统的性能。,如果给出了一个镜头的调制传递函数，可以对镜头性能作出准确的评价，可以作出最好的选择。,例如，如果要求系统具有较高的分辨率，则镜头的高频响应必须好。,反之，如果要求系统具有高的对比度而对分辨率要求不高，则镜头的低频响应必须好。,第二章系统硬件组成,9、像差,指在光学系统中由透镜材料的特性或折射（或反射）表面的几何形状引起实际像与理想像的偏差。,单色光像差有五种

13、： 球差 彗差 像散 场曲 畸变,复色光像差有两种： 位置像差（轴向色差） 倍率像差 （垂轴色差）,像差会严重影响成像质量，带来测量误差。,畸变：垂轴放大率随视场的增大而变化所引起一种失去物像相似性的像差。,畸变现象：像面变形，但不影响成像的清晰度。,第二章系统硬件组成,第二章系统硬件组成,10、镜头选型原则,1. 相机芯片尺寸 2. 相机接口类型 3. 镜头工作距离 4. 镜头视场（镜头焦距） 5. 镜头光谱特性 6. 镜头畸变率 7. 镜头机械结构尺寸,第二章系统硬件组成,原则一: 镜头成像范围相机芯片尺寸,第二章系统硬件组成,15.9mm,12.8mm,9.6mm,11mm,8.8mm,

14、6.6mm,8mm,6.4mm,4.8mm,1,2/3,1/2,第二章系统硬件组成,原则二:相机接口类型配套原则,特殊的还有口，用于PC相机和板级相机。,第二章系统硬件组成,C-mount是最初的标准，而CS-mount是对其的升级。,现在市场上销售的绝大多数摄像机和镜头都使用CS-mount标准。,第二章系统硬件组成,原则三:镜头工作距离适当原则,工作距离是从镜头前部到受检验物体的距离。需要的工作距离越长，保持小视场的难度和成本就越高。小视场，长的工作距离会极大地增加成本，降低分辨率，并削弱光学器件的采光能力，从而不必要地降低了系统的总体成像性能。,镜头上标有工作距离大致对应的数字，一般为，如果小于最小距离，考虑微距镜头。,第二章系统硬件组成,原则四:镜头视场覆盖原则,可以粗略用以下公式估算视场范围,第二章系统硬件组成,原则五:镜头光谱特