chap02 機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)

機(jī)器視覺MachineVision

武漢工程大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院任課教師王海暉基本概念分類成像原理及參數(shù)間關(guān)系第一節(jié)工業(yè)鏡頭內(nèi)容提要第二章機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)一、鏡頭基本概念(1)成象面工作距離（WD）景深（DOV）視野（FOV）后焦面距離第一節(jié)工業(yè)鏡頭一、鏡頭基本概念（2）

視野(FOV)

圖像采集設(shè)備所能夠覆蓋的范圍，它可以是在監(jiān)視器上可以見到的范圍，也可以使設(shè)備所輸出的數(shù)字圖像所能覆蓋的最大范圍。最大/最小工作距離（WorkDistance）

從物鏡到被檢測物體的距離的范圍，小于最小工作距離大于最大工作距離系統(tǒng)均不能正確成像。景深（DepthOfField）

在某個(gè)調(diào)焦位置上，景深內(nèi)的物體都可以清晰成像。一、鏡頭基本概念（3）畸變幾何畸變指的是由于鏡頭方面的原因?qū)е碌膱D像范圍內(nèi)不同位置上的放大率存在的差異。幾何畸變主要包括徑向畸變和切向畸變。如枕形或桶形失真。一、鏡頭基本概念（4）鏡頭接口C-MOUNT

鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)接口之一，鏡頭的接口螺紋參數(shù)：直徑：1“螺距：32牙CS－Mount是C－Mount的一個(gè)變種，區(qū)別僅僅在于鏡頭定位面到圖像傳感器光敏面的距離的不同，C－Mount是17.5mm，CS－Mount是12.5mm。C/CS能夠匹配的最大的圖像傳感器的尺寸不超過1“。一、鏡頭基本概念（5）成像面可以在鏡頭的像面上清晰成像的物方平面光圈與F值 光圈是一個(gè)用來控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達(dá)光圈大小我們是用F值，如f1.4，f2，f2.8etc。焦距 焦距是像方主面到像方焦點(diǎn)的距離。如16mm，25mm一、鏡頭基本概念（6）分辨率

測量系統(tǒng)能夠重現(xiàn)的最小的細(xì)節(jié)的尺寸常常用每毫米線對來表示，也就是根據(jù)這個(gè)鏡頭能夠分辨一毫米內(nèi)多少對直線。選擇鏡頭的時(shí)候必須注意廠商給出的分辨率的定義方式。lp/mm(linepairpermm)lp/mm是表征分辨率的最簡單的指標(biāo)，但不是最佳指標(biāo)，最佳的指標(biāo)是鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF。一、鏡頭基本概念（7）鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF一、鏡頭基本概念（8）鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF一、鏡頭基本概念（9）鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFMTF能夠同時(shí)表征系統(tǒng)重現(xiàn)物方空間的幾何和灰度細(xì)節(jié)能力，是衡量成像系統(tǒng)性能的最佳方式。

對于一個(gè)實(shí)際的成像系統(tǒng)，細(xì)節(jié)密集地方的對比度要小于細(xì)節(jié)稀疏位置的對比度成像系統(tǒng)中的每個(gè)環(huán)節(jié)都對系統(tǒng)最終的MTF產(chǎn)生影像，包括濾色片，鏡頭，圖像傳感器，后期處理電路等等。一、鏡頭基本概念（10）系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF二、鏡頭的分類（1）按照等效焦距分為廣角鏡頭等效焦距小于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭（等效焦距為50mm）的鏡頭。特點(diǎn)是最小工作距離短，景深大，視角大。常常表現(xiàn)為桶形畸變。中焦距鏡頭焦距介于廣角鏡頭和長焦鏡頭之間的鏡頭。通常情況下畸變校正較好。長焦距鏡頭等效焦距超過200mm的鏡頭。工作距離長，放大比大，畸變常常表現(xiàn)為枕形狀畸變。等效焦距計(jì)算方法：

實(shí)際焦距×43mm

鏡頭成像圓的直徑二、鏡頭的分類（2）按照功能分變焦距鏡頭

鏡頭的焦距可以調(diào)節(jié)，鏡頭的視角，視野可變定焦距鏡頭鏡頭的焦距不能調(diào)節(jié)，鏡頭視角固定。聚焦位置和光圈可以調(diào)節(jié)定光圈鏡頭光圈不能調(diào)節(jié)，通常情況下聚焦也不能調(diào)節(jié)。二、鏡頭的分類（3）按照用途分微距鏡頭（或者成為顯微鏡頭）用于拍攝較小的目標(biāo)具有很大的放大比遠(yuǎn)心鏡頭包括物方遠(yuǎn)心鏡頭和像方遠(yuǎn)心鏡頭以及雙邊遠(yuǎn)心鏡頭。二、鏡頭各個(gè)參數(shù)間關(guān)系（1）光圈大通光能力大，光圈小通光能力??；光圈小則景深大，光圈大則景深??；二、鏡頭各個(gè)參數(shù)間關(guān)系（2）光圈大通光能力大，光圈小通光能力小光圈小則景深大，光圈大則景深小基本概念基本結(jié)構(gòu)成像原理分類與發(fā)展趨勢內(nèi)容提要第二章機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)第二節(jié)工業(yè)相機(jī)一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（1）傳感器的尺寸圖像傳感器感光區(qū)域的面積大小。這個(gè)尺寸直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數(shù)模擬相機(jī)的傳感器的長寬比例是4：3(H：V)，數(shù)字相機(jī)的長寬比例則包括多種：1：1，16：9，3：2etc。一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（2）物理放大率傳感器感光面積于視野的比值，整個(gè)參數(shù)基本取決于鏡頭系統(tǒng)放大率最后顯示環(huán)節(jié)上目標(biāo)的尺寸于實(shí)際目標(biāo)尺寸的比值。系統(tǒng)放大率取決于物理放大率和顯示系統(tǒng)的闡述。對于自動(dòng)測量和檢測系統(tǒng)而言，物理放大率具有關(guān)鍵的意義。系統(tǒng)放大率僅僅對于需要人機(jī)交互進(jìn)行檢測的系統(tǒng)有意義像素（Pixel=picture+element）傳感器感光面上最小感光單位。第二章機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（3）分辨率(Resolution)

模擬制式相機(jī)的分辨率取決于傳感器上像素的數(shù)目以及后期處理電路的質(zhì)量，數(shù)字相機(jī)的傳分辨率則直接取決與傳感器上像素的數(shù)目。480768640480760574美制RS–170Norm歐制CCIR-Norm第二章機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（4）像素長寬比指傳感器上像素水平和垂直方向節(jié)距的比值，對于正方形的象素來說，其比值為1：1。此參數(shù)，對于系統(tǒng)的標(biāo)定有直接影響?？扉T速度（ShutterSpeed）

CCD/CMOS相機(jī)多數(shù)采用電子快門，通過電信號(hào)脈沖的寬度來控制傳感器的光積分（曝光）時(shí)間。對于一般性能的的相機(jī)快門速度可以達(dá)到1/10000-1/100000秒。幀頻率（FrameRate）相機(jī)每秒中能夠輸出圖像的幀數(shù)，對于模擬制式相機(jī)，這個(gè)頻率是固定值，對于數(shù)字相機(jī)，是個(gè)可變的值。像素速率（PixelRate）相機(jī)每秒中能夠輸出像素的個(gè)數(shù)，僅僅對于數(shù)字相機(jī)有意義。第二章機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（5）卷簾快門（RollingShutter）多數(shù)CMOS圖像傳感器上使用的快門，其特征是逐行曝光，每一行的曝光時(shí)間不一致。

全局快門（GlobalShutter）

CCD傳感器和極少數(shù)CMOS傳感器采用的快門，傳感器上所有像素同時(shí)刻曝光。第二章機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（6）相機(jī)掃描方式隔行掃描（Interlace）35246第二章機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（7）相機(jī)掃描方式逐行掃描（Progressivescan）35241一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（8）

異步觸發(fā)通常情況下相機(jī)是一幀一幀拍攝的，所以進(jìn)行高速拍攝的時(shí)候最高的同步精度不可能超過一幀圖像的周期，對于某些支持異步觸發(fā)的相機(jī)，可以在當(dāng)前幀掃描尚未完成的情況下，將當(dāng)前幀拋棄，直接開始新一幀圖像的掃描，可以使得高速拍攝的同步精度達(dá)到一行的掃描周期。最低照度又稱靈敏度，衡量相機(jī)對光線敏感程度的指標(biāo)。通常情況下是指相機(jī)獲得30％最大輸出值時(shí)候所需的照度。單位是Lux。局部掃描多數(shù)數(shù)字相機(jī)支持僅僅輸出傳感器上某一部分像素，這些像素位于某個(gè)矩形窗口內(nèi)。通過具備掃描可以獲得更高的楨頻率。一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（9）傳感器的光譜下面是一個(gè)典型的CCD圖像傳感器對于不同光譜的響應(yīng)曲線。一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（10）信號(hào)格式

模擬圖像信號(hào)的格式包括：復(fù)合視頻信號(hào)，Y/C分離信號(hào)，RGB分量信號(hào)。絕大多數(shù)周邊設(shè)備都能夠兼容這些信號(hào)格式。通常情況下對于彩色視頻信號(hào)，Y/C分離傳輸?shù)姆绞絻?yōu)于復(fù)合視頻傳輸?shù)姆绞?，RGB分量傳輸?shù)姆绞接謨?yōu)于Y/C分離傳輸方式。數(shù)字相機(jī)的信號(hào)傳輸格式更為復(fù)雜，目前普遍應(yīng)用的包括：*LVDS*IEEE-1394(FireWire)*USB2.0*CameraLink*Ethernet，包括傳輸未經(jīng)壓縮影像的千兆協(xié)議和傳輸經(jīng)過壓縮影像的百兆協(xié)議。上述數(shù)字相機(jī)的傳輸方式無論是在機(jī)械上還是在電氣上都是不兼容的。二、工業(yè)相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)DigitalImageProcessingModuleLensMountIRFilterImageSensorDriveCircuitTransmittingControllerVideoSignalChanneltocontrolthecamera三、工業(yè)相機(jī)的基本原理1圖像傳感器（Imagesensor）：是一個(gè)由N行及M列感光單元（CCDPixel）組成的矩陣。CCD的基本工作原理：當(dāng)光子撞擊到硅原子上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自由電子，再將這些自由電子收集在一起形成信號(hào)。感光單元(CCDPixcel)工作原理三、工業(yè)相機(jī)的基本原理2CCD的電荷存儲(chǔ)器：能夠存儲(chǔ)一定量的電子。將電子釋放出來之后所形成的電流，便可以量化地代表感光面上某點(diǎn)的明暗信息。CCD成象的“溢出”（Blooming）問題：當(dāng)CCD象素接收到過多的光子，存儲(chǔ)器中所收集的自由電子就會(huì)向周邊的象素“溢出”。致使整個(gè)區(qū)域成象變亮。光子CCD象素自由電子溢出三、工業(yè)相機(jī)的基本原理3相機(jī)拍照時(shí)間示意圖電子快門時(shí)間可由用戶自己設(shè)置。但相機(jī)傳輸速率（Framerate）是相對固定的。因此，傳輸速率是相機(jī)的成像速度的“瓶頸”。例：電子快門速度可達(dá)1/1000秒，但成像卻只能達(dá)到60幀/秒。電子快門時(shí)間圖像傳輸時(shí)間單幀圖像完整拍照時(shí)間按照圖像傳感器區(qū)分CCD相機(jī)：使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機(jī)CMOS相機(jī)：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機(jī)按照輸出圖像顏色區(qū)分：單色相機(jī)：輸出圖像為單色圖像的相機(jī)。彩色相機(jī)：輸出圖像為彩色圖像的相機(jī)。四、工業(yè)相機(jī)分類（1）按照傳感器類型區(qū)分面掃描相機(jī)傳感器上像素呈面狀分布的相機(jī)，其所成圖像為二維“面”圖像。

線掃描相機(jī)傳感器上呈線狀（一行或三行）分布的相機(jī)，其所成圖像為一維“線”圖像。四、工業(yè)相機(jī)分類（2）按輸出信號(hào)區(qū)分

模擬信號(hào)相機(jī)從傳感器中傳出的信號(hào)，被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，即普通視頻信號(hào)，后再傳到圖像采集卡中。

數(shù)字信號(hào)相機(jī)信號(hào)自傳感器中的像素輸出后，在相機(jī)內(nèi)部直接數(shù)字化并輸出。四、工業(yè)相機(jī)分類（3）四、工業(yè)相機(jī)分類（5）彩色VS黑白黑白相機(jī)的每個(gè)像素僅僅采集亮度信號(hào)，對于彩色相機(jī)，則是借助于一個(gè)Bayer濾色片讓每個(gè)像素來采集圖像特定的色彩分量，然后利用后期的電路再重建出真是色彩，所以黑白相機(jī)的分辨率通常比具有同樣像素?cái)?shù)目和同級(jí)別后期處理電路的彩色相機(jī)高出10－20％（inTVL)。此外由于沒有覆蓋Bayer濾色片，黑白相機(jī)在弱光下面的靈敏度也更好一些。但是彩色相機(jī)在檢測那些具有色彩敏感信息的目標(biāo)的時(shí)候具有突出的優(yōu)勢。當(dāng)然黑白相機(jī)也可以通過對光源色彩的控制實(shí)現(xiàn)這一功能。如果需要更高質(zhì)量的彩色視頻，就需要采用3－CCD技術(shù)的彩色相機(jī)。四、工業(yè)相機(jī)分類（6）模擬相機(jī)VS

數(shù)字相機(jī)

相對來說模擬相機(jī)的價(jià)格比較低廉，使用比較簡單。但是模擬相機(jī)存在一個(gè)分辨率和幀頻率的上限，而且對于傳輸過程中的噪聲和損耗也較為敏感。數(shù)字相機(jī)，通常具有更高的分辨率，當(dāng)然價(jià)格也更昂貴，而且牽涉到比較復(fù)雜的按照調(diào)試工作，即使這個(gè)系統(tǒng)只需要最簡單的功能，數(shù)字相機(jī)的傳輸距離通常較模擬相機(jī)短。數(shù)字相機(jī)最終將取代傳統(tǒng)模擬相機(jī)CMOS芯片最終將取代傳統(tǒng)CCD芯片CAMERALINK數(shù)字接口技術(shù)將流行FIREWIRE數(shù)字接口采集卡將被廣泛使用專業(yè)的機(jī)器視覺專用相機(jī)將成為發(fā)展趨勢五、工業(yè)相機(jī)的發(fā)展趨勢基本概念基本原理成像原理板卡分類發(fā)展趨勢內(nèi)容提要第三節(jié)板卡硬件第二章機(jī)器視覺中的圖像采集技術(shù)一、圖像采集卡的基本概念（1）圖像采集卡（FrameGraber）圖像采集卡是圖像采集部分和處理部分的接口。圖像經(jīng)過采樣、量化以后轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像并輸入、存儲(chǔ)到幀存儲(chǔ)器的過程，叫做采集、數(shù)字化。A/D轉(zhuǎn)換視頻量化處理是指將相機(jī)所輸出的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為PC所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)的過程，即A/D轉(zhuǎn)換。視頻信號(hào)的量化處理是圖像采集處理的重要組成部分。

A/D轉(zhuǎn)換過程一、圖像采集卡的基本概念（2）傳輸通道數(shù)（Channel）采集卡同時(shí)對多個(gè)相機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換的能力。如：2通道、4通道。分辨率采集卡能支持的最大點(diǎn)陣反映了其分辨率的性能。即，其所能支持的相機(jī)最大分辨率。采樣頻率采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進(jìn)行高速圖像采集時(shí)，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。一、圖像采集卡的基本概念（3）傳輸速率指圖像由采集卡到達(dá)內(nèi)存的速度。主流圖像采集卡與主板間都采用PCI接口，其理論傳輸速度為132MB/S。

圖像格式（像素格式）

黑白圖像：通常情況下，圖像灰度等級(jí)可分為256級(jí)，即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時(shí)，可用10位，12位等來表示。

彩色圖像：彩色圖像可由RGB（YUV）3種色彩組合而成，根據(jù)其亮度級(jí)別的不同有8－8－8，10－10－10等格式。一、圖像采集卡的基本概念（4）圖像采集卡基本結(jié)構(gòu)圖像采集卡附加功能相機(jī)觸發(fā)功能燈源控制功能基本I/O