機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計方法

1、機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計方法1設(shè)計基礎(chǔ)1.1問題定義對檢測問題的定義是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計的前提和某礎(chǔ)，ft涉及的方而較多，主要部分方 面包括：(1)檢測任務(wù)：任務(wù)描述;現(xiàn)有操作方法,約束條件(2)檢測對象：対彖描述； 對象尺寸及其差異。(3)性能要求：搟度；檢測速度。其它還包括工況等。12視場視場(Field ofView)即成像J湘機(jī)焦距平面的物平面總而積視場在一個方向的計算公 式為ror=(Dp + Lr)(l+)(1)比中：FOV為視場在一個方向上的尺寸：Dp為該方向上的最人尺寸；Ly為定位可能存在的 最丿、變化;P為預(yù)留的余彊H二耍考慮到相機(jī)疋位町能在謀并等，該值般町取1必。 13分辨率在機(jī)器視

2、覺中仃很多類分辨率，由J個體的理解差異和使用習(xí)慣，用法齊異，需根據(jù)上 卜文進(jìn)行理解.木文對苴進(jìn)行了梳理，貝體如表1所示。衣1分辨率術(shù)語梳理術(shù)語單位描述影響因索1圖像分辨率 (Image Resolution)pixels幀圖像的行列數(shù)相機(jī)的圖像傳感器2空間分辨率 (Space Resolution)mm/pixel每個像索對應(yīng)成像物體的物理長度圖像分辨率：鏡頭的放大倍數(shù)3特征分辨率 (Feature Resolution)mm系統(tǒng)可以穩(wěn)定成像的 最小特征Shannon's Sampling Theorem4測戢分辨率(Measurement Resolution)mm町檢測到的尺寸(位

3、£)最小變化可用的相關(guān)像素數(shù)目;相關(guān)像 索的誤墾：擬合算法5像索分辨率 (Pixel Resolution)bits像索的位數(shù)取決丁相機(jī)或圖像采集匸中 的ADC位數(shù)機(jī)器視覺系統(tǒng)不但可用尸檢測特征，并且可用J：檢測尺寸和位置的變化F面兩組公式是 最常用到的(1) 特征檢測(Ri=Rf/Fp2 丿卩 (2) 盡=FOVIRt氏中：&為空間分辨率:Rf為特征分辨率:Fp可識別特征包仟的最少像素數(shù)IT，根據(jù)Shannon's Sampling Theorem KM小為2,實(shí)際應(yīng)用中，在圖像對比度強(qiáng)并I!信噪比鳥的情況卜，繪小 為37； R,為圖像分辨率；FOV為該方向的視場尺

4、寸。(2) 尺寸(位置)變化檢測> =T/aTn"R 產(chǎn) RJMp（3）尺=FOVI其中:Rm為測量分辨率;T為尺寸（位置）變化容許范圍：a為變化允許范由和測豐分辨 率的比值，一般取20左右：Mp為系統(tǒng)可達(dá)到的檢測桔度（亞像索級），在實(shí)驗電加好町達(dá) 到0001個像素，在實(shí)際應(yīng)用中一般可達(dá)到0 1個像素。14運(yùn)算負(fù)載佔(zhàn)算運(yùn)算負(fù)載（processing load）公式如bRp = honz） 尺（v<H）/ T： 其中T,為幀速。在實(shí)際臧用中，圖像處理算法類型和開發(fā)軟件包的效率對運(yùn)算速度都有極人影響，但如 卜準(zhǔn)則對機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)il JWji定指導(dǎo)意義:運(yùn)算負(fù)戟小或等JT0,

5、000,000pixels/second 可采用基fPC的視覺處理系統(tǒng)：運(yùn)算負(fù)載人/或等i 100,000,000pixelsZsecond通常需耍更 復(fù)雜的專用圖像處理計算機(jī)。2設(shè)計方法機(jī)器視覺系統(tǒng)主要部件包括：光源鏡頭（有時包含濾光片），相機(jī)圖像采集卡，圖 像處理平臺等（如圖1和圖2所示）。圖1機(jī)辭視覺系統(tǒng)示盤圖 Frame SynLens(Filteis)ErxodcrBeen 1 I(lDcanieraIPC圖2機(jī)器視覺系統(tǒng)基水構(gòu)成部件2.1 CCD相機(jī)CCD相機(jī)作為機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像傳感器部件，主耍包括三類：線打(Line Scan),肓 靈敏度線掃(High Sensitivity

6、 Line Scan)和面掃(Area Scan)其中面打又包括：隔彳亍轉(zhuǎn)移 (Interline Transfer) 全幀(Full Frame)和幀轉(zhuǎn)移(Frame Transfer)三種類型各種類型 CCD 相機(jī)的傳感器構(gòu)架如圖3所示，其性能比較見表2。在辺行相機(jī)選擇時，確定類型后首先需要考慮是系統(tǒng)的些特殊耍求，丄耍包括：(1) 抗飽和性能(Booming Resistance)： (2)選用黑門相機(jī)(Monochrome Camera)或彩色相機(jī) (ColorCamera)o其次我們根據(jù)問題要求選擇合適的圖像分辨率和像素分辨率。需耍說明的是，在彩色線打相機(jī)中仃兩種類型：線性(Tn-li

7、near)和片(Three-chip) 兩種，其結(jié)構(gòu)原理示恿如圖4所加丄線性相機(jī)的圖像傳感器山緊密并排的三列線打傳感器構(gòu) 成，直三個顏色通道采集到的是運(yùn)動物體不同位置的顏色信息，盂要進(jìn)行匹配而三片相機(jī)不 存在匹配問題，It采用的是三棱分光原理(如圖5所示)，該類相機(jī)較三線性相機(jī)價格更為 昂貴。(a)線扌Honzcocal CCD(b島尺敏度線打Frame TransitInieiline Transfer (1LT)Full Frame(c)隔行轉(zhuǎn)移H>o(c)禎轉(zhuǎn)移(d)全幀Objects (spotially & temporally separated)衣3傳感器構(gòu)架Obj

8、ectImages capturedInnages capturedOne set of object2 poin ts. th nee ima ges。2亠 *2 bThree separate sets olobject points.three images(a)三線性(b)三片圏4彩色線打相機(jī)成像廉理示怠圖表2各類CCD相機(jī)性能與特點(diǎn)相機(jī)類型性能和優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)線掃填充因子一般為100%: （2）動態(tài)范囤大;（3） 可實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動物體的無污染成像：（4）對高空間 分辨率成像應(yīng)用是一種性價比較好的實(shí)現(xiàn)方式.（1）要求照度在整個視場盡可能 均勻，并且要求照度強(qiáng)度大:<2） 對要求鏡頭婆求較

9、高.高乂放度線扌（1）采川 TDI （Time Delay and Integration）技術(shù)：（2）可適用丁高速應(yīng)用場介：（3）對光源要求較 低，共至可以使用AC電源.（1）相機(jī)和機(jī)械傳動系統(tǒng)的對準(zhǔn) 嬰求嚴(yán)格：（2）耍求運(yùn)動物體速度 恒定.面掃隔行轉(zhuǎn)移價格便宜，適用丁低端應(yīng)用.填充因子較小,一般為30%： <2）動態(tài)范圍小。全幀（1）填充因子一般為100%： （2）價格便宜。在幀讀出時，耍屏蔽光照，-般可 采用遮光器或觸發(fā)光源實(shí)現(xiàn).幀轉(zhuǎn)移（l）m充岡子一般為100%： （2）不需耍對光照進(jìn) 行屏蔽。價格較英它兩類面打相機(jī)昂貴.2.2旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)編碼器（Encoder）是機(jī)器視覺系統(tǒng)

10、一個巫要的組成部分，可対成像物體運(yùn)動和相 機(jī)行頻之間進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)編碼器用光脈沖測量機(jī)械軸的角速席機(jī)械軸主要有兩種配置方式 （如圖6所示）：主動輪連接方式和從動輪連接方式主動輪連接方式的優(yōu)點(diǎn)在J：可以通過改 變主動輪的肖徑調(diào)整圖像運(yùn)動方向的空間分辨率，但町能滑動造成位移測吊謀差從動輪連接 方式可椿確測晟旋轉(zhuǎn)速度，但調(diào)整圖像運(yùn)動方向的空間分辨率靈活性較差。<b）從動輪連接方式圖6機(jī)械軸配代方法主動輪可按卜式進(jìn)行設(shè)計(4)c = R、x n比中：c為主動輪周長，單位為mm：出為圖像運(yùn)動方向的空間分辨率單位為mm： n為旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率，單位為pulses/rev.o在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)械傳動裝置

11、的運(yùn)動速度很難達(dá)到恒定，在光照固定的情況卜，山r行 積分時間不同，圖像會產(chǎn)生行條紋現(xiàn)狡為杜絕此現(xiàn)象，可使用PRIN (Pixel Reset In)信兮 旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出信號輸入到圖像采集卡產(chǎn)生一周定積分時間，其時序如圖7所示。(oniiolliig etposire ith PRIN ©LULI©L圖7用PRIN控制曝光時序23備頭鏡頭(Lens)的功能是將所需要的圖像完好地投影到CCD傳感器。(1) 鏡頭格式根據(jù)傳感器物理尺寸可選擇鏡頭格式(LensFormats),其主耍類型如農(nóng)3所示。表3鏡頭恪式與圖像傳感器直徑關(guān)系Lens FormatImage Circle D

12、iameterC-Mount14.4mmF-Mount37mm1/3“6mm1/2-8mm2/3“l(fā)lmm35mm42.4mm(2) 參數(shù)計算圖8為經(jīng)典的薄鏡頭模熨，該模熨適用性較廣，但不適用高放人倍數(shù)鏡頭，廣角鏡頭 (Wide Angle Lens)和攝遠(yuǎn)鏡頭(Telephoto Lens)以卜一些公式是在選擇鏡頭參數(shù)常用到的Ht DMx =LuL(5)Ho Dq由 =,可得F % DtD,D(7)M _ D° _ M, q + p i+2 iw qDo =n2 DqDLE = D： _ F = Dt = = M；F(8)Dq + Dt Dq + Dt Dq + Dt(5) (8)

13、式的參數(shù)定義參見圖8。在機(jī)器視覺系統(tǒng)實(shí)際中，可以根據(jù)以卜-步驟計算參數(shù)：步驟1：若鏡頭物距范圍為己知，取其中間值,并跳至步驟2；否則,先選擇焦距,其接近 圖像傳感器直徑，并跳至步驟4。步驟2：根據(jù)FOV和傳感器尺寸計算圖像的放人倍數(shù)。步驟3：根據(jù)放人倍數(shù)和物距計算焦距。步驟4：選擇最接近焦距計算值的鏡頭。步驟5：根據(jù)放人倍數(shù)和焦距重新計算物距。若設(shè)計的物距不在鏡頭的標(biāo)定范圍,可考慮配一鏡頭擴(kuò)展裝置(LensExtenderKit)o(3) f/numbei*鏡頭的f/mimber (f/stop)即焦距和入瞳孔徑的比值dumber愈小，孔徑愈大，更多的 光可聚集到CCD傳感器：|何"

14、number愈人，町提高場深(Deptli of Field)，其使得鏡頭更容 易聚焦，對物距的變化更不敬感，但礙更強(qiáng)的照度。"number和光傳輸?shù)年P(guān)系如衣4所爪。表4 f/number和光傳輸?shù)年P(guān)系f-NumberLight Transmitted (relative to ffl.4)f71 4100%f/2050%02 825%f74 012.5%f/5.66 3%f/&03 1%f/ll1 6%£7160 8%f72204%(4) MTF鏡頭實(shí)際上只能解析一定空間頻率的信息，這種解析能力可用MTF( Modulation Transfer Function

15、)進(jìn)行刻(Mi,用白分?jǐn)?shù)進(jìn)行i示在光學(xué)I業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，釆用lp/mm (line pa ires per millimeter)進(jìn)行衡最，其關(guān)系如圖9所示。圖9MFT示意圖R =(Ip/mm)MFT和像元尺寸的關(guān)系(9)其中:R為最大線對數(shù);P為像元尺寸MTF值超過90%成像質(zhì)量好，而低10%圖像質(zhì)彊 就比較糟糕了。并II鏡頭MTF必須同像尤尺寸對應(yīng)。2.4濾光片照明(Illumination)是成像系統(tǒng)中最容易被人們忽視的部分，以M大I素設(shè)計屮必須考慮 的,也是濾光器(Filters)(如果需要)設(shè)計的依據(jù):(1)光源的頻譜響應(yīng)曲線；(2)物體表 面特性；(3) CCD傳感器的頻譜響應(yīng)。濾比器的

16、功能主要冇：(1)光阻特性(cutoffFilter*),將可能影響成像質(zhì)駅的譜段能武進(jìn) 行濾除；(2)帶通特性(polarizers filter)，只允許特定極性的光波通過；(3)衰減特性(darking filter),衰減光譜能鼠。2.5照明技術(shù)在機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計中，照明(lighting)設(shè)計可控制的參數(shù)有：方向(Direction)：主要有宜射(Directed)和敬射(Diffuse)兩種方式，其主要取決 于光源類型和放置位置。(1) 光譜(Spectrum)：即光的顏色，兒I浚収決J光源類型和光源或鏡頭的濾光片性能 光源的比譜用色溫(colortempei-ature)進(jìn)彳j度

17、氐 色溫是指當(dāng)某-種光源的光譜分布與某- 溫度卜的完全輻射體(黑體)的光譜分布相同時完全輻射體(黑體)的溫度。(2) 極性(Polarization)：即光波的極性,鏡面反射光(specularly reflected light)有極性, 而漫反射光(diffusedreflected light)沒召極性?？尚溺R頭前加一濾光片消除鏡面反射光。(3) 強(qiáng)度(Intensity)：光強(qiáng)不夠會降低圖像的對比度，而過人則功耗人并JT石散熱處理。(4) 均勻性(Umfonmty)：機(jī)器視覺系統(tǒng)的基木耍求，但光源隨距離和角度光強(qiáng)衰減。 物體的主要光學(xué)特性包括：(1) 反.射(Reflectance)：

18、主要何鏡|何反.射(Specular or Fresnel reflection)和漫反射(Diffuse reflection)兩種類型。(2) 透射(Optical density)： JC取決J：物體的材料構(gòu)成和厚度.(3) 折射(Refraction)：主要存在于透明材料中。(4) 顏色(Color)：透射或反射的光能的光譜分布。(5) 紋理(Texture：可用光照來進(jìn)行增強(qiáng)或減弱。(6) 高度(Height)：宜射照明可增強(qiáng)高度信息，而散射照明可減弱高度信息。(7) 表面方向(Swfaceorientation)：宜射照明町増強(qiáng)表面方向信息，而散射照明可減弱表 面方向信息。主耍照明

19、技術(shù)及特點(diǎn)如衷5和圖10所示。主耍的光源類型及特點(diǎn)如農(nóng)6所示。objectcameraearn era(a)g:bght sourcejfc®LUcameraliql it 沁LiisN 0(b)cameranWlight source(d)圖10基本照明技術(shù)示意圖衣5上要照明技術(shù)及掙點(diǎn)類型描述特點(diǎn)Front lighting1 Specular光從一周定角度入射，并且直接鏡而 反射到相機(jī)的鏡頭(圖7 (a).(1)適用場介：特征差異可 由其鏡面反射差異表征;(2) 對物體姿態(tài)改變特別敬感。2 Senndiffbse光可從比較多的角度入射(圖7 (a)(1)適用丁漫反射光成像的 場合

20、：(2)合理配代可在中等 視場獲得較好的光照均勻件.3 Diffuse光可從幾乎所有的角度入射圖7(a)o(1)適用場合：可使由于表 面方向產(chǎn)生的鏡而反射和差 異最小化.4 Off-axis光從一網(wǎng)定角度入射,鏡面反射光偏 離柑機(jī)，僅有浸反射光進(jìn)入相機(jī)(圖7(b).(1) 通常用獲紂陰影信息：(2) 很難實(shí)現(xiàn)均勻照明。5 Dark field光源的光照方向同+11機(jī)的視方向成接 近90°,兒乎平面表面的所有鏡面反射 和漫反射光全部偏離相機(jī),只有不規(guī) 則表面產(chǎn)生較強(qiáng)的鏡而反射進(jìn)入相機(jī) (圖 7 (c).Back lighting6 Diffuse物體由一透明而板支撐,光源位于而 板后面

21、(圖7 (d)o易丁設(shè)計和實(shí)現(xiàn)光照均勻件.7 Condenser用一聚光鏡頭將光源的光導(dǎo)入相機(jī)鏡 頭?？捎糜诋a(chǎn)生一具有方向特性 的后向照明.8 Dark field光源的光照方向同+11機(jī)的視方向成接 近 90。可用丁檢測透明材料中的異 物。&6主要光源類型及持點(diǎn)類樂特點(diǎn)1日光Daylight顏色和強(qiáng)度隨季節(jié)，時間和天氣影響很大，不太適用丁機(jī)器視覺系統(tǒng).2鉤光源Tungsten light sources<1)采用交流庖源存在工頻問題:(2)照度不均勻:(3)產(chǎn)生的熱雖 多.3熒光燈Fluorescent lamps可用費(fèi)流器(Rectifier)防止光強(qiáng)調(diào)制而避免干涉:(2)可

22、產(chǎn)生 很大的均勻照度場,并且產(chǎn)生的熱最不多:(3)光譜分布存在限制。4鹵鴨燈Quartz Tungsten Halogen<1)光強(qiáng)幾乎可達(dá)到恒定,般作為光纖系統(tǒng)(Fiber optical system) 的供給光源(Feeding light sources)： (2)基于鹵鴨燈的光纖系統(tǒng)可調(diào) 整光強(qiáng)的角度分布，但將近40%人右的光強(qiáng)因為散射和反射效應(yīng)而損 失，并U價格較昂貴。5放電燈 Discharge lamps(1)有很高的發(fā)光強(qiáng)度,發(fā)光度在時間上恒定;(2)光譜可能連續(xù)或 離散，英取決丁照明氣體：(3)可用丁頻閃觀測(stroboscopic)照明. 價格也相當(dāng)昂貴.6 LE

23、DLight Emitting Diodes<1）即時起作用,兒乎沒有很性大范閘進(jìn)行光強(qiáng)控制,適用于頻閃觀 測應(yīng)用：（2）具仃甲色（monochrome）特性,適用于成像對象駅色畸 變（chromatic aberration）的場合,但在很多應(yīng)用中這種特性成為-種 缺陷：<3）價格合理，體積小，徹昴:輕，壽命長（可達(dá)到大約100,000 小時）,并且產(chǎn)生熱雖少,沒有噪聲和振動,在機(jī)器視覺中應(yīng)用日益廣 泛：（4）二極管通常排列成矩陣或壞狀，并11可作為光纖系統(tǒng)的供給 光源.7激光<1）冇很高的光強(qiáng)，激比是彩色并II相干的：（2）可作為光纖系統(tǒng)的Lasers供給光源.關(guān)J；光源

24、選擇的幾點(diǎn)說明：（1）鹵光源（Halogen light sources）通常在藍(lán)色頻段產(chǎn)生較 少能杲（相對F紅外）:（2）光纖系統(tǒng)（Fiber-optic light distiibution systems）通常在藍(lán)色頻 段傳播較少能最（相対紅外）；（3）一些光源令老化問題，一般這種老化是不均勻的，即 在些頻段產(chǎn)生較人的衰減，其它頻段不一泄，町在相機(jī)校準(zhǔn)中對其進(jìn)彳J：補(bǔ)償，但前提是仍 舊有足夠的藍(lán)光。2.6圖像采集卡圖像采集卡（Frame Grabber）具仔如卜.功能：町處理來自不同圖像源的信息，并在各種 不同應(yīng)用中典有靈活性;可快速離效地存儲圖像信息:提供圖形用戶接口根據(jù)不同產(chǎn)品類型

25、和價格，還可包括如卜功能：n/fRISC構(gòu)架的快速DSP：并行多處理器系統(tǒng)：人RAM存 儲能力：強(qiáng)大的軟件庫；交互式用戶界面；宜人的編程匸貝但圖像采集卡的應(yīng)用存在如卜兩 個方面的挑戰(zhàn):隨著CMOS傳感器的廣泛應(yīng)用，圖像處理例程可直接在相機(jī)中完成：而圖 像處理算法可直接在主機(jī)上實(shí)現(xiàn)。為了滿足不同需求，人多數(shù)圖像采集卡采用模塊結(jié)構(gòu)（modularstructure）,對不同應(yīng)用 可對模塊進(jìn)行不同配気圖像采集卡種類繁多，很難對比統(tǒng)一結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，但其通常包括如 卜模塊:輸入單 7C（ input unit）；幀緩存（frame buffer）；數(shù)字信號處理（digital signal proces

26、soi*s）； 輸出單尤（outputunit）o在機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計中，必須遵循以卞原則：（1）+11機(jī)特性：圖像采集卡必須與和機(jī)的輸出格式（模擬或數(shù)字）、數(shù)據(jù)率和時序兼容。（2）計算機(jī)喚件和操作系統(tǒng)：圖像釆集卡必須在機(jī)械上和功能上和計算機(jī)及操作系統(tǒng)兼容。（3）顯示功能：對頻繁顯示或刷新圖像的應(yīng)用，可采用集成仃專為顯示功能設(shè)計的碾件 部件的圖像采集卡。（4）增強(qiáng)功能：對較復(fù)雜丿衛(wèi)用，可采用貝冇DSP或并行處理器等高性能圖像采集卡。（5）控制和狀態(tài)信號：圖像采集卡的控制和狀態(tài)信號必須和相機(jī)的時序同步。2.7圖像處理平臺常用圖像處理平臺及特點(diǎn)如表7所示.農(nóng)7常用圖像處理半臺及特點(diǎn)類型特點(diǎn)PC Ba

27、sed嚴(yán)常使用的機(jī)器視覺處理器，可適用丁大多數(shù)運(yùn)算負(fù)戎不 超過 10,000,OOOpixels/second 的應(yīng)用Packaged System（1）將相機(jī)、圖像采集卡、處理器和軟件集成一體，通 常同微處理器或微處理機(jī)相連,使用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)。（2） Packaged System也可包介：用處理器以適應(yīng)丁處理高運(yùn) 算負(fù)較應(yīng)用.（3）處理性能相半丁或高T PC BasedIntegrated Camera（1）相機(jī)中有一內(nèi)置處理器，其可置于同一外殼內(nèi),也可 是相連的部件。（2） Integrated Camera 通常比 Packaged System更便宜，但通用性塗-些。（3）處理性能可

28、接近丁 PC Based.Vision Engine（1）可山單個高速處理辭或高速處理辭陣列組成，町適用 J：各種運(yùn)算負(fù)如（2）價格絡(luò)貴,并且需要專用的編程能 力。2.8小結(jié)圖像質(zhì)量的好壞是機(jī)器視覺系統(tǒng)成功的基礎(chǔ)和前提,在實(shí)際應(yīng)用中可用一些特征對其進(jìn) 彳了度屆，主要特征及其描述如衷8所示需耍說明的是，若通過顯示器來觀測采集到的圖像, 一定?？紤]顯示器的影響。表8圖像質(zhì)戢特征特征描述影響部件Resolution分辨率:在廣義上可理解為成像系統(tǒng)復(fù)制物體細(xì)節(jié) 能力的一種度就.鏡頭（有時包含濾光片）:（2）相機(jī).Contrast對比度：可定義為物體和背景的灰度級圣異.（1）光源：（2）鏡頭（有時包含濾

29、光片）：<3）相機(jī).Depth of Field (DOF)場沐：為物休可涓晰成像的最人物距和嚴(yán)小物距Z 間的差值.鏡頭孔徑（WDistortion失真:由鐐頭的光學(xué)誤差引起，導(dǎo)致圖像中不同點(diǎn) 的放大倍數(shù)存在基界。鏡頭Perspective Errors視兀：當(dāng)憶頭備離最佳焦距時，放大倍數(shù)會產(chǎn)生變 化,距離近的物休比遠(yuǎn)的物體顯得更大.Telecentnc lens已經(jīng)在光學(xué)上消除了這種現(xiàn)彖。鏡頭3光學(xué)分析為了対機(jī)器視覺系統(tǒng)進(jìn)行授優(yōu)配制，分析光照條件物體特性和相機(jī)輸出Z間的關(guān)系是有 用的和必耍的，轄個光學(xué)過程如圖11所示。Reflected Light Mctoi*Spectral Res

30、ponse ofCCD31相機(jī)鏡頭機(jī)器視覺系統(tǒng)中，CCD傳感器中每一個像尤單尤對應(yīng)物體的一組特征尺寸，系統(tǒng)的放 人倍數(shù)為sizeofimage ID f(10)m =sizeofobject OD OD- f 其屮：f為鏡頭焦距，其余參數(shù)參見圖12。Ob|«tSize圖12相機(jī)鏡頭示意圖相機(jī)鏡頭聚集場景的反射光到CCD傳感器嚴(yán)格說來，鏡頭會吸收一些光并且彳門譜吸 收響應(yīng)，但在近似分析中，可忽略。因而，CCD傳感器的照度為nd2Irradiance = objectradiance x 4(11)n x objectradiance xn x objectradiance xNA )m

31、 + lj其屮：d為入I®苴徑：ID為像距；f7#為fmumben NA為數(shù)字孔徑：m為放人倍數(shù)。3.2 單色(Monochromatic)情形在單色光源條件下，并且物體平面為漫反射平而(如圖13所示)，冇其中：s為光源直徑：LS為光源到物體距離。若物體衣而反射呈半球狀(Lambertian平而)，并且反射率為R,則R(13)厶仙口)=童(。如)(”巾w I71在估算時18%是一個應(yīng)該記住的反射率數(shù)值。根據(jù)(11)式可計算CCD傳感器的照度刀)丁丄簡心)兀2(/7#)(m+ 1)F("J7嚴(yán))(14)氏屮：7；為鏡頭的透射系數(shù)。圖13譏色光光源條件卞相機(jī)輸出響應(yīng)示意圖柑機(jī)的

32、輸出除取決J照度外，還取決i CCD傳感器波長響W特性和積分時間(15)氏中：T為積分時間.單位為s： &傳感器的波長響應(yīng)系數(shù)(如圖14所示)，單位為DN/(nJ/cm2) , DN (DigitalNumber)為相機(jī)的灰度級輸出。U514Ju u1JWnvrlcnjiti nm圖 15 CIE Luminous Efficiency Curve0.706monochrome line scan camera(dalsa CL-P1/CT-P1)圖14 CCD相機(jī)響應(yīng)曲線33 多色(Polychromatic)悄形為了確定光源的光譜曲線，通常建模為等價黑體黑體為一理想物體，其發(fā)出平滑

33、而連續(xù) 的光譜，并且由英溫度唯一確定(如圖16和圖17所示九黑體曲線只適用r白熾光源 (incandescent light sources),熒光管和激光都仔Jt獨(dú)特的發(fā)射光譜，但可等價為黑體“色溫？ 運(yùn)用等價黑體對光源進(jìn)行光譜分析時，有兩個常用定理：(1) Planck's LawPlanck's Law刻HT溫度和光譜輻射之間的關(guān)系(16)厶“)=1.19X10-3ATH(JV.cnr2.nmr)(2) Wien's Displacement LawIIJ Wien's Displacement Lav/ nJ確定光譜能就Ai人的波氏(17)= 28978

34、00/T圖16黑體曲線圖17帯IR Filter的黑體在光源顏色為筋色時，必須考電相機(jī)対全部光譜的響應(yīng)最為簡單而直觀的方法是対感興 趣的所有波長,以單色光方式分別計算相機(jī)輸出響應(yīng),并對其進(jìn)行累加鍛際應(yīng)用中,只需 對相機(jī)響應(yīng)進(jìn)行估算就足夠了，n體實(shí)現(xiàn)方法：（1）將光源光譜劃分為離散譜段入-兒-人，入-人同），可以認(rèn)為每一譜段照度恒定并且等r相應(yīng)譜段波長中點(diǎn)處的照度。（2）對每一譜段以單色光方式分別計算相機(jī)輸出響應(yīng)，并對苴進(jìn)行累加。對彩色相機(jī)類同，只是分別対三個顏色通道進(jìn)行相W計算典糧的彩色CCD相機(jī)的輸出響應(yīng)如圖18所示(MormalizodtolvO)4ia-5us.5£P8ZN9E

35、J0NStt 55C MO fWavelength (nm)color line scan camera (dalsaThlliuin camera)圖18 CCD相機(jī)響應(yīng)曲線Cl02400 4SO 600550 QJ 550 W « aX)rm»每一曲線能雖相等國19三刺激顧色理論顏色感應(yīng)曲線 8 642 18 61 o O從圖14和圖15圖18和圖19的比較可發(fā)現(xiàn).黑白彩色相機(jī)成像機(jī)理和人眼視覺存在 一泄差異，其間關(guān)系及對后繼圖像處理的影響還亟待研究輛叟學(xué)和光度學(xué)Z間的關(guān)系和各種單位轉(zhuǎn)換較為繁瑣，可參考圖15和表9表12o農(nóng)9 一些冇用的轉(zhuǎn)換系數(shù)表10輻度學(xué)單位表11光

36、度學(xué)單位SymbolMaawSI sails1LelUdiineeW m1 srJIrndQKWm ：l0IntensityWsr'FluxWQ.EnergyJ1 AS B Raponi lb) =OJI&luxSr11 Footardte二1 Lumen < FN1 Fooccirdbe10.764 meter Candles1 CandleS-1 LunnerVSterMjian1 Candle / mJ&342 x IO1 Lambert1 LambertM2.0S4 Candle / in51 Lux=1 Meter Candle1 Lux=1.492*5

37、51 MOnm1 meter Candley1 Lumcn I m71 Lumenaverse li£hi cnniuion of on©cmdle into a unit fokd(in HEdbM)表12光度學(xué)亮度爪位之間的相耳轉(zhuǎn)換Mmbipbcetkwi Avtoef FROMCj/are2 <*»)aVne(niOLabRlaAMlrlmb (opMilBi)ihrethoild ef UraidMl VnionTypical Lev.l 1(皿皿ry)cdfcmJ (sulb)1A10000JixA10000 n:IO70Jcd/ft3IfA1BM

38、/AnBIO4300cdm1 (mt)IO4MB1ghBxIO33000Lmb“nA/nIO4rx1AI043xi(rr1FcLmb1/xAl/n弧l/A1B3 x IG41000mti丄 m biMnI/kBI/kIO41倫13x KT5100004光學(xué)建模4.1照度在機(jī)器視覺中，耍求光源的照度(Irradiance)在整個照明區(qū)域中盡可能均勻，但實(shí)際上 照明區(qū)域中的每一點(diǎn)存在一定差見可以認(rèn)為其只在強(qiáng)度上存在-比值關(guān)系，而光譜能晟分布 是一樣的。因而每一點(diǎn)的照度可表示為厶(x, y, 2)=廣(X, y) “ (x,兒久)(18«!： Lo(x,y,/l)為一基準(zhǔn)點(diǎn)的照度：“兀刃為

39、在廉明區(qū)域的位置函數(shù)。物體表面的反射率表示為R(x,y,A). WlflJ物體表面的輝度(Radiance)為£r(x,y,2) =丄 Lt(x9y,A)R(x9y9A)=丄廣(x,y)Zo(x,y,2)R(x,y,2)(19)nn(20)像尤的照度為B(m,n9A) = Zr(x,y,2)P(x,y)F(2)其屮：P(x,y)為鏡頭的輸入輸III函數(shù)，P(x,y)=彳(辛)，cos'Q , /為焦距，d為鏡頭 貫徑，0為點(diǎn)(x,y)和光軸的夾角，其推導(dǎo)和分析見本節(jié)附錄；F(2)為濾光片輸入輸出兩 數(shù)，對不同顏色通道該函數(shù)不同。(20)式可寫為B(m,n,A) = r(x,j

40、) cos4劉扛分川刃心厲兒亦匕山)(21)4 f在表面的較小區(qū)域內(nèi)，可近似認(rèn)為廠(X)為一固定值廠0，其均值為1,合適選擇光源 及其相應(yīng)參數(shù)，方差7灼可控制在較小值該區(qū)域與光軸的夾角0亦可認(rèn)為為一固定值Q。 因而jr dEgnQ « r0 cos4 $ 匕(wFFSMxyQ&xyQ)4 f(22)=KxL(x,y,X)R(x,y.X)苴中：=i(y)2/0cos4 a0F(A),其為一固定値.附錄A在此分析物體上一點(diǎn)輝度和圖像傳感器上對應(yīng)點(diǎn)的照度之間的關(guān)系(如圖A1所示)設(shè) 物體衷而某塊而尤的而積為60，対丿M圖像傳感器的像尤而積為刃。從協(xié)體而兀到鏡頭屮心 的光線與光學(xué)軸的

41、夾角為Q，與物體表面面元法線n的夾角為®物體沿光軸到鏡頭的距離 為二。f圖A l照度E和輝度L關(guān)系先考慮從鏡頭中心觀察物體而元Q和像元而兀的立體也從鏡頭中心看到的像尤而積 為& cos a ,而像尤與鏡頭中心的距離為f /cos a，內(nèi)而像九所對應(yīng)的立體角為61 cos a(/cos a)2同理可知從鏡頭中心看到的物體而元所對應(yīng)的立體角為cos®(z/cos a)3由匕述兩個&體角相等得50 cos a 二 2z 、= (A 1)61 cos© 廠再看物體表面射出的光仃多少將穿越鏡頭由鏡頭面積可得從物體面元看到的鏡頭所對W的 立體角 兀 d2 co

42、sa 九 、r 3z 、Qz =()cos a(A2)L 4 (z/cosa)2 4 二若物體表面在朝向鏡頭方向上的輝度為L,則物體表面面元射出并穿越鏡頭的功率為(A3)阿=LSOQl cos© =開L6O& cos "cos®二4鏡頭將光能聚集到像九如果鏡頭造成的能彊損耗對忽略，并IL沒伺其它的光到達(dá)像啟則像 元的照度為廠朋 r SO n3小zE =L(-Y cos a cos ®(A4)8161 4 zE =將(A 1)代入(A4)得(A5)其屮：cos4«刻畫了鏡頭的系統(tǒng)光學(xué)缺陷，稱為暈(vignetting)效應(yīng)，©越

43、人衰減越厲 兒 這意味看京近圖像邊緣的像素更昭 北；d/f稱為f-numbero4.2相機(jī)CCD相機(jī)中，單個像尤成像基木公式為J B(m,n9A)S(m,n)q(A)dAdmdn(23)其中：T為積分時間：B(m9n9A)為照度;S(ni9n)為像元的空間響應(yīng)函數(shù);§(兄)為光電轉(zhuǎn) 換函數(shù)；(加/)為像尤半面連續(xù)坐標(biāo)；久為波長。將(22)帶入(23)得I =J厶(j(x,y,2)尺(x,y,2)S(w)g(&d加mdz? = KXIQ(24)(24)式是CCD相機(jī)理論上的像尤成像公式，其心在諸女噪聲來源，主要付以卜八種,其只體為：(1) 暗電流(Dark Cuirent)暗電

44、流即硅片上由熱能而產(chǎn)生的tldl電士 It與溫度冇關(guān)，溫度越高，熱激發(fā)產(chǎn)生的我 流子越多，暗電流亦越大據(jù)計算,溫度降低10°6 暗電流可降低1/2對于很多CCD相機(jī), 對不同像元單元其暗電流存在很大差異在工業(yè)現(xiàn)場，通過降低溫度可將每個像元單九的暗電 流電子數(shù)控制在1個以內(nèi)。在此用Nw表示由暗電流產(chǎn)生的噪聲。(2) 光子響應(yīng)不均勻性(Photo Response Nonunifoniuty)在均勻照明條件下,CCD相機(jī)各像元存在差異，其具體表現(xiàn)在各像元電荷容量和光電 轉(zhuǎn)換效率的不同,這種差異稱為光子響應(yīng)不均勻性光子響應(yīng)不均勻性源傳感器的不同結(jié)構(gòu) 和制造工藝水平。光子響應(yīng)不均勻性是和波長

45、2有一定相關(guān)性為簡化問題，近似認(rèn)為它們是不相關(guān)的， 可以將單個像元收集電帚的建模為K2I ,即7如式(23)和式(24)所示，K2 對于單個像元是固定值,其為S(m,n)和g(2)尺度系數(shù)的乘積$均值為1,方差 是 空間相關(guān)的，是對CCD所仃像元單元之.間光子響應(yīng)差異的-種度屆現(xiàn)今的制造工藝水平已 經(jīng)可以將7灼控制在很小。(3) 光暈(Blooming)當(dāng)光照過強(qiáng)，仃些像元單元可能過飽和，并II會向相鄰像尤單元溢出電荷，稱Z為光暈 當(dāng)光駅嚴(yán)幣時，苴可影響相鄰諸多像尤單元芍運(yùn)的是現(xiàn)CCD相機(jī)人都提供了反光錄功能 因而可不考虔光暈的影響。(4) 光子噪聲(Shot Noise )由光子發(fā)射是一個隨

46、機(jī)過程，因而勢阱中收集的光電荷也是隨機(jī)的，這就成為噪聲源 比與CCD傳感器無關(guān)，取決光子的起子特性，成為CCD相機(jī)的甚本限制因素該噪聲源 在低光強(qiáng)F有較大影響光子噪聲M對CCD相機(jī)的最終影響與暗電流和光子響應(yīng)不均勻件 皆冇關(guān)系，其可以近似為服從泊松分布NJX=j=耳 J = 0X23,.(25)J苴中：丿為電荷數(shù)冃；入=KW+Ndc。光子噪聲的均值和方差均為久，其與入射光子成正比。(5) 電荷轉(zhuǎn)移效率(Charge Transfer Efficiency)電荷轉(zhuǎn)移效率即CCD像元單尤將電荷轉(zhuǎn)移到輸出放人器的效率電荷轉(zhuǎn)移效率一般小J： 1現(xiàn)今制造工藝可以使其達(dá)到0 99,999或更爲(wèi)因而，町以近

47、似忽略電荷轉(zhuǎn)移效率的影響，即 認(rèn)為CCD像尤單元的電荷全部轉(zhuǎn)移到輸出放人器。(6) 放大器噪聲(ReadNoise)輸出放人器產(chǎn)牛的噪聲稱之為放人器噪蟲該噪聲可建模為0均值噪聲，6,可控制在 較小值，并且與電量的大小無關(guān)。(26)Wifu, 將模擬電斥的最終表達(dá)式寫為V = (K2I+ Ndc + N$ + Nr)A比屮：A為相機(jī)電路和輸出放人器的聯(lián)介増益。(7) 量化噪聲(Quantization Noise) 在山模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字最時，存在彊化浜差，稱Z為屆化噪聲。晟化過程可以衷示為(n 一 )g < Z < (/? + 丄)g(27)2 2其中：q為最化步長，n滿足0<n<2bl, b為A/DC的轉(zhuǎn)換位數(shù)，一般為8位，有時