工業(yè)相機選型知識

1、視覺系統(tǒng)原理描述機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn) 品（即圖像攝取裝置，分 CMOS和CCD兩種）將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專 用的圖像處理系統(tǒng)， 根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結果來控制現(xiàn)場的設備動作。視覺系統(tǒng)組成部分視覺系統(tǒng)主要由以下部分組成1. 照明光源2. 鏡頭3. 工業(yè)攝像機4圖像采集/處理卡5圖像處理系統(tǒng)6.其它外部設備相機篇詳細介紹:工業(yè)相機又俗稱攝像機，相比于傳統(tǒng)的民用相機（攝像機）而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，目前市面上工業(yè)

2、相機大多是基于CCD（ ChargeCoupled Device )或 CMOS( Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的相機。CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不冋于其它器件是以電流或者電壓為信號。 這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及冋步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。 CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低

3、電壓工作、低功耗等優(yōu)點。CMOS圖像傳感器的開發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀70年代初，90年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路（VLSI）制造工藝技術的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏兀陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優(yōu)點。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動n態(tài)范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應用。、|分類：任何東西分類一定有它自己的分類標準，工業(yè)相機也不例外，按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機：按照傳感器的結構特性可以分為線陣相機、面陣相機

4、：按照掃描方式|可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機、高分辨率相機；按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數(shù)字相機；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；按照輸出信號速度可以分為普通速度相機、高速相機；按照響應頻率范圍可以分為可見光(普通)相機、紅外相機、紫外相機等。區(qū)別：1、工業(yè)相機的性能穩(wěn)定可靠易于安裝，相機結構緊湊結實不易損壞，連續(xù)工作時間長，可在較差的環(huán)境下使用，一般的數(shù)碼相機是做不到這些的。例如：讓民用數(shù)碼相機一天工作24小時或連續(xù)工作幾天肯定會受不了的。2、工業(yè)相機的快門時間非常短，可以抓拍高速運動的物體。例如，把名片貼在電風扇扇葉上，以最

5、大速度旋轉(zhuǎn)，設置合適的快門時間，用工業(yè)相機抓拍一張圖像，仍能夠清晰辨別名片上的字體。用普通的相機來抓拍，是不可能達到同樣效果的。3、 工業(yè)相機的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通的相機的圖像傳感器是隔行掃描的，逐行掃描的圖像傳感器生產(chǎn)工藝比較復雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數(shù)公司能夠提供這類產(chǎn)品，例如 Dalsa、Sony ,而且價格昂貴。4、工業(yè)相機的幀率遠遠高于普通相機。工業(yè)相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機只能拍攝2-3幅圖像，相差較大。5、工業(yè)相機輸出的是裸數(shù)據(jù) (raw data)，其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進行高質(zhì)量的圖像處理算法，例如機器視覺(Machine V

6、ision)應用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經(jīng)過了mjpeg壓縮，圖像質(zhì)量較差，不利于分析處理。6、工業(yè)相機(Industrial Camera)相對普通相機(DSC)來說價格較貴。如何選擇：1、 根據(jù)應用的不同分別選用CCD或CMOS相機CCD工業(yè)相機主要應用在運動物體的圖像提取，如貼片機機器視覺，當然隨著CMOS技術的發(fā)展，許多貼片機也在選用CMOS工業(yè)相機。用在視覺自動檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD工業(yè)相機比較多。 CMOS工業(yè)相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。2、分辨率的選擇首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據(jù)精度選擇分辨率。相機像素精度=單方向視野范圍

7、大小/相機單方向分辨率。則相機單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。相機傳感器尺寸/鏡頭倍率=單方向視野范圍。若單視野為5mm長，理論精度為 0.02mm，則單方向分辨率=5/0.02=250。然而為增加系 統(tǒng)穩(wěn)定性，不會只用一個像素單位對應一個測量 /觀察精度值，一般可以選擇倍數(shù) 4或更高。 這樣該相機需求單方向分辨率為 1000，選用130萬像素已經(jīng)足夠。其次看工業(yè)相機的輸出，若是體式觀察或機器軟件分析識別，分辨率高是有幫助的；若是VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴于顯示器的分辨率，工業(yè)相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；利用存儲卡或拍照功能，工業(yè)相機的

8、分辨率高也是有幫助的。3、與鏡頭的匹配傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配(或者增加轉(zhuǎn)接口)；4、相機幀數(shù)選擇當被測物體有運動要求時，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機。但一般來說分辨率越高，幀數(shù)越低。鏡頭篇鏡頭的基本功能就是實現(xiàn)光束變換（調(diào)制），在機器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的主要作 用是將成像目標在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直影響到機器視覺系統(tǒng)的整體性能， 合理地選擇和安裝鏡頭，是機器視覺系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)。基礎知識： 鏡頭匹配 大家如何選擇合適鏡頭，鏡頭選配時需要選擇與攝像機接口和CCD的尺寸相匹配的鏡頭。鏡頭C和CS的接口方式占主流。小型的安防用的CS接口攝像機得到普及、FA

9、行業(yè)則大部分是C接口的攝像機與鏡頭的組合。對應的CCD尺寸、市場上一般根據(jù)用途使用2/3寸到1/3寸的產(chǎn)品。CCDCCD尺寸水平：H垂直：V對角：D1型12.89.616.02/3型8.86.611.01/2型6.44.88.01/3型4.83.66.01/4型3.62.74.535mm膠片36.024.043.3互換性C接口鏡頭可以與C接口攝像機、CS接口攝像機互用；CS接口鏡頭不可以應用在 C接口攝像機，只可以應用在 CS接口攝像機。KERARE攝像機如果使用配備小 CCD尺寸的鏡頭，那么周邊沒有攝取到圖像的部分呈現(xiàn)出黑色，我們稱其為KERARE。鏡頭的作用：將折射率不同的各種硝材通過研磨

10、， 加工成高精度的曲面、 把這些鏡頭進行組合， 就是設計 鏡頭。從伽利略時代開始使用的普遍技術是其基本原理。為得到更清晰的圖像， 一直在研究開發(fā)試制新的硝材和非球面鏡片。焦距鏡頭通光量鏡頭的明亮度與口徑和焦距的變化有關。一般用F值表示鏡頭的明亮度，另外鏡頭里有用于調(diào)整亮度的光圈構件，可根據(jù)使用條件來調(diào)整通光量。鏡頭計算公式Y=f*tan By:像的大小f:焦距0:半畫角0 =2tan-1*y/2f例：1/2寸攝像機配12.5mm鏡頭時畫面橫向的視場面是：0 =2tarM*6.4/2*12.5=28.72鏡頭的景深物體和鏡頭之間距離(W.D )雖然變化，介在前后一定范圍內(nèi)所成像仍然感覺清晰，這個

11、距 離范圍補稱為景深。 相反的，對應于確定的物平面，成像面和鏡頭之間的距離不同，但在一 定的范圍內(nèi)圖像仍感覺清晰，稱為焦深。計算方式：景深=F* *( 1/ 3容許彌散園參數(shù) 2/3=0.02、1/2=0.015、1/3=0.01、3 倍率。工業(yè)鏡頭選擇不同工業(yè)鏡頭的成像質(zhì)量有著有著千差萬別，就算是同一類型的工業(yè)鏡頭也是如此，這主要是由于材質(zhì)、加工精度和鏡片結構的不同等因素造成的，同時也導致不同檔次的工業(yè)鏡頭鏡頭價格從幾百元到幾萬元的巨大差異。比較著名的如四片三組式天塞鏡頭、六片四組式雙高斯鏡頭。對于鏡頭設計及生產(chǎn)廠家，一般用光學傳遞函數(shù)OTF (OpticalTransfer Functio

12、n)來綜合評價鏡頭成像質(zhì)量，光學系統(tǒng)傳遞的是亮度沿空間分布的信息， 光學系統(tǒng)在傳遞被攝景物信息時，被傳遞之各空間頻率的正弦波信號，其調(diào)制度和位相在成實際像時的變化，均為空間頻率的函數(shù)，此函數(shù)稱為光學傳遞函數(shù)。OTF 般由調(diào)制傳遞函數(shù) MTF(ModulationTransfer Function)與位相傳遞函數(shù) PTF(Phase Transfer Function )兩部分組成。像差是影響圖像質(zhì)量的重要方面，常見的像差有如下六種：球差：由主軸上某一物點向光學系統(tǒng)發(fā)出的單色圓錐形光束，經(jīng)該光學系列折射后， 若原光束不同孔徑角的各光線， 不能交于主軸上的同一位置， 以至在主軸上的理想像平面處，

13、形成 一彌散光斑(俗稱模糊圈)，則此光學系統(tǒng)的成像誤差稱為球差。慧差：由位于主軸外的某一軸外物點， 向光學系統(tǒng)發(fā)出的單色圓錐形光束，經(jīng)該光學系列折射后，若在理想像平面處不能結成清晰點，而是結成拖著明亮尾巴的慧星形光斑，則此光學系統(tǒng)的成像誤差稱為慧差。像散：由位于主軸外的某一軸外物點，向光學系統(tǒng)發(fā)出的斜射單色圓錐形光束，經(jīng)該光學系列折射后，不能結成一個清晰像點，而只能結成一彌散光斑，則此光學系統(tǒng)的成像誤差稱為像散。場曲：垂直于主軸的平面物體經(jīng)光學系統(tǒng)所結成的清晰影像，若不在一垂直于主軸的像平面內(nèi)，而在一以主軸為對稱的彎曲表面上， 即最佳像面為一曲面， 則此光學系統(tǒng)的成像誤差稱 為場曲。當調(diào)焦至畫

14、面中央處的影像清晰時，畫面四周的影像模糊；而當調(diào)焦至畫面四周處的影像清晰時，畫面中央處的影像又開始模糊。色差：由白色物體向光學系統(tǒng)發(fā)出一束白光，經(jīng)光學系統(tǒng)折射后，各色光不能會聚于一點上，而形成一彩色像斑，稱為色差。色差產(chǎn)生的原因是同一光學玻璃對不同波長的光線的折射率 不同，短波光折射率大，長波光折射率小?；儯罕粩z物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€， 則此光學系統(tǒng)的成像誤差 稱為畸變。畸變像差只影響影像的幾何形狀， 而不影響影像的清晰度。這是畸變與球差、慧 差、像散、場曲之間的根本區(qū)別。在評價工業(yè)鏡頭質(zhì)量時一般還會從分辨率、明銳度和景深等幾個實用參數(shù)判斷：1. 分辨率(Resolu

15、tion)：又稱鑒別率、解像力，指鏡頭清晰分辨被攝景物纖維細節(jié)的能力，制約工業(yè)鏡頭分辨率的原因是光的衍射現(xiàn)象，即衍射光斑(愛里斑)。分辨率的單位是 線對/毫米(Ip/mm)。2. 明銳度(Acutanee):也稱對比度，是指圖像中最亮和最暗的部分的對比度。3. 景深(DOF):在景物空間中，位于調(diào)焦物平面前后一定距離內(nèi)的景物，還能夠結成相對清晰的影像。上述位于調(diào)焦物平面前后的能結成相對清晰影像的景物間之縱深距離，也就是能在實際像平面上獲得相對清晰影像的景物空間深度范圍，稱為景深。4. 最大相對孔徑與光圈系數(shù)：相對孔徑，是指該工業(yè)鏡頭的入射光孔直徑(用D表示)與焦距(用f表示)之比，即：相對孔徑

16、 =D/ f。相對孔徑的倒數(shù)稱為光圈系數(shù)(aperture scale)，又稱為f/制光圈系數(shù)或光孔號碼。一般鏡頭的相對孔徑是可以調(diào)節(jié)的，其最大相對孔徑或光圈系數(shù)往往標示在工業(yè)鏡頭上，如1:1.2或f/1.2。如果拍攝現(xiàn)場的光線較暗或曝光時間很短，則需要盡量選擇最大相對孔徑較大的工業(yè)鏡頭。工業(yè)鏡頭各參數(shù)間的相互影響關系一支好的工業(yè)鏡頭，在分辨率、明銳度、景深等方面都有很好的體現(xiàn)，對各種像差的校正也 比較好，但同時其價格也會幾倍甚至上百倍的提高。如果我們掌握一些規(guī)律和經(jīng)驗，就可以使用同檔次的工業(yè)鏡頭達到更好的效果。1. 焦距大小的影響情況焦距越小，景深越大；焦距越小，畸變越大 ；焦距越小，漸暈現(xiàn)

17、象越嚴重，使像差邊緣的照度降低；2. 光圈大小的影響情況光圈越大，圖像亮度越高 ；光圈越大，景深越小 ；光圈越大，分辨率越高；3. 像場中央與邊緣一般像場中心較邊緣分辨率高 一般像場中心較邊緣光場照度高4. 光波長度的影響光源篇機器視覺系統(tǒng)中最關鍵的一個方面就是選擇正確的照明，機器視覺光源直接影響到圖像的質(zhì)量，進而影響到系統(tǒng)的性能。所以我們說光源起到的作用:就是獲得對比鮮明的圖像。為什么要用光源？機器視覺系統(tǒng)的核心是圖像米集和處理。所有信息均來源于圖像之中，圖像本身的質(zhì)量對整個視覺系統(tǒng)極為關鍵。而光源則是影響機器視覺系統(tǒng)圖像水平的重要因素，疑問它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少 30%的應用效果通

18、過適當?shù)墓庠凑彰髟O計，使圖像中的目標信息與背景信息得到最佳分離，可以大大降低圖像處理算法分割、識別的難度，同時提高系統(tǒng)的定位、測量精度，使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高。反之，如果光源設計不當， 會導致在圖像處理算法設計和成像系統(tǒng)設計中事倍 功半。因此，光源及光學系統(tǒng)設計的成敗是決定系統(tǒng)成敗的首要因素。在機器視覺系統(tǒng)中， 光源的作用至少有以下幾種：1.照亮目標，提高目標亮度；2.形成最有利于圖像處理的成像效果；3.克服環(huán)境光干擾，保證圖像的穩(wěn)定性；4.用作測量的工具或參照；由于沒有通用的機器視覺照明設備，所以針對每個特定的應用實例，要設計形影的照明裝置， 以達到最佳效果。機器視覺系統(tǒng)的光源的價

19、值也正在于此。圖像的質(zhì)量好壞，也就是看圖像邊緣是否的銳利，具體來說：1、將感興趣部分和其他部分的灰度值差異加大2、盡量消隱不感興趣部分3、提高信噪比，利于圖像處理4、減少因材質(zhì)、照射角度對成像的影響常用的有LED光源、鹵素燈（光纖光源）、高頻熒光燈。目前LED光源最常用，主要有如下幾個特點：可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度；可根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時調(diào)節(jié)亮度；通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩(wěn)定；使用壽命長；反應快捷，可在10微秒或更短的時間內(nèi)達到最大亮度；電源帶有外觸發(fā)，可以通過計算機控制，起動速度快，可以用作頻閃燈；運行成本低、壽命長的 LED，會在綜合成本和性能方面體現(xiàn)出更

20、大的優(yōu)勢；可根據(jù)客戶的需要，進行特殊設計。LED光源按形狀通?？煞譃橐韵聨最悾?、環(huán)形光源環(huán)形光源提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維信息；高密度LED陣列， 高亮度；多種緊湊設計，節(jié)省安裝空間；解決對角照射陰影問題；可選配漫射板導光，光線均勻擴散。應用領域：PCB基板檢測，IC元件檢測，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測， 集成電路印字檢查2、背光源用高密度LED陣列面提供高強度背光照明，能突出物體。的外形輪廓特征，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。紅白兩用背光源、紅藍多用背光源，能調(diào)配出不同顏色，滿足不同被測物多色要求。應用領域：機械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片污

21、點檢測，透明物體劃痕檢測等。3、條形光源條形光源是較大方形結構被測物的首選光源；顏色可根據(jù)需求搭配，自由組合；照射角度與安裝隨意可調(diào)。應用領域：金屬表面檢查，圖像掃描，表面裂縫檢測，LCD面板檢測等。4、同軸光源同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾；部分采用分光鏡設計， 減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應用領域：系列光源最適宜用于反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，芯片和硅晶片的破損檢測，Mark點定位，包裝條碼識別。5、AOI專用光源不同角度的三色光照明，照射凸顯焊錫三維信息； 外加漫射板導光，減少反光；不同角度組合；應用領域：用于電路板焊錫檢測。6、球積分光源具有積分效果的半球面內(nèi)壁，均勻反射從底部360度發(fā)射出的光線，使整個圖像的照度十分均勻。應用領域：合于曲面，表面凹凸，弧形表面檢測，或金屬、玻璃表面反光較強的物 體表面檢測。7、線形光源超高亮度，采用柱面透鏡聚光，適用于各種流水線連續(xù)檢測場合。應用領域：陣相機照明專用，AOI專用。&點光源大功率LED，體積小，發(fā)光強度高；光纖鹵素燈的替代品，尤其適合作為鏡頭的同軸光源 等；高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應用領域：適合遠心鏡頭使用，用于芯片檢測，Mark點定位，晶片及液晶玻璃底