chap02 機器視覺中的圖像采集技術(shù)

機器視覺MachineVision

武漢工程大學計算機科學與工程學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

鏡頭的標準接口之一，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 光圈是一個用來控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達光圈大小我們是用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)的最小的細節(jié)的尺寸常常用每毫米線對來表示，也就是根據(jù)這個鏡頭能夠分辨一毫米內(nèi)多少對直線。選擇鏡頭的時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，但不是最佳指標，最佳的指標是鏡頭的調(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能夠同時表征系統(tǒng)重現(xiàn)物方空間的幾何和灰度細節(jié)能力，是衡量成像系統(tǒng)性能的最佳方式。

對于一個實際的成像系統(tǒng)，細節(jié)密集地方的對比度要小于細節(jié)稀疏位置的對比度成像系統(tǒng)中的每個環(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準鏡頭（等效焦距為50mm）的鏡頭。特點是最小工作距離短，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。等效焦距計算方法：

實際焦距×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具有很大的放大比遠心鏡頭包括物方遠心鏡頭和像方遠心鏡頭以及雙邊遠心鏡頭。二、鏡頭各個參數(shù)間關(guān)系（1）光圈大通光能力大，光圈小通光能力?。还馊πt景深大，光圈大則景深?。欢?、鏡頭各個參數(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)容提要第二章機器視覺中的圖像采集技術(shù)第二節(jié)工業(yè)相機一、工業(yè)相機的基本概念（1）傳感器的尺寸圖像傳感器感光區(qū)域的面積大小。這個尺寸直接決定了整個系統(tǒng)的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數(shù)模擬相機的傳感器的長寬比例是4：3(H：V)，數(shù)字相機的長寬比例則包括多種：1：1，16：9，3：2etc。一、工業(yè)相機的基本概念（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)上目標的尺寸于實際目標尺寸的比值。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交互進行檢測的系統(tǒng)有意義像素（Pixel=picture+element）傳感器感光面上最小感光單位。第二章機器視覺中的圖像采集技術(shù)一、工業(yè)相機的基本概念（3）分辨率(Resolution)

模擬制式相機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第二章機器視覺中的圖像采集技術(shù)一、工業(yè)相機的基本概念（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)的標定有直接影響。快門速度（ShutterSpeed）

CCD/CMOS相機多數(shù)采用電子快門，通過電信號脈沖的寬度來控制傳感器的光積分（曝光）時間。對于一般性能的的相機快門速度可以達到1/10000-1/100000秒。幀頻率（FrameRate）相機每秒中能夠輸出圖像的幀數(shù)，對于模擬制式相機，這個頻率是固定值，對于數(shù)字相機，是個可變的值。像素速率（PixelRate）相機每秒中能夠輸出像素的個數(shù)，僅僅對于數(shù)字相機有意義。第二章機器視覺中的圖像采集技術(shù)一、工業(yè)相機的基本概念（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刻曝光。第二章機器視覺中的圖像采集技術(shù)一、工業(yè)相機的基本概念（6）相機掃描方式隔行掃描（Interlace）35246第二章機器視覺中的圖像采集技術(shù)一、工業(yè)相機的基本概念（7）相機掃描方式逐行掃描（Progressivescan）35241一、工業(yè)相機的基本概念（8）

異步觸發(fā)通常情況下相機是一幀一幀拍攝的，所以進行高速拍攝的時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，可以在當前幀掃描尚未完成的情況下，將當前幀拋棄，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到一行的掃描周期。最低照度又稱靈敏度，衡量相機對光線敏感程度的指標。通常情況下是指相機獲得30％最大輸出值時候所需的照度。單位是Lux。局部掃描多數(shù)數(shù)字相機支持僅僅輸出傳感器上某一部分像素，這些像素位于某個矩形窗口內(nèi)。通過具備掃描可以獲得更高的楨頻率。一、工業(yè)相機的基本概念（9）傳感器的光譜下面是一個典型的CCD圖像傳感器對于不同光譜的響應(yīng)曲線。一、工業(yè)相機的基本概念（10）信號格式

模擬圖像信號的格式包括：復合視頻信號，Y/C分離信號，RGB分量信號。絕大多數(shù)周邊設(shè)備都能夠兼容這些信號格式。通常情況下對于彩色視頻信號，Y/C分離傳輸?shù)姆绞絻?yōu)于復合視頻傳輸?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)字相機的信號傳輸格式更為復雜，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)字相機的傳輸方式無論是在機械上還是在電氣上都是不兼容的。二、工業(yè)相機的基本結(jié)構(gòu)DigitalImageProcessingModuleLensMountIRFilterImageSensorDriveCircuitTransmittingControllerVideoSignalChanneltocontrolthecamera三、工業(yè)相機的基本原理1圖像傳感器（Imagesensor）：是一個由N行及M列感光單元（CCDPixel）組成的矩陣。CCD的基本工作原理：當光子撞擊到硅原子上時，會產(chǎn)生自由電子，再將這些自由電子收集在一起形成信號。感光單元(CCDPixcel)工作原理三、工業(yè)相機的基本原理2CCD的電荷存儲器：能夠存儲一定量的電子。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的明暗信息。CCD成象的“溢出”（Blooming）問題：當CCD象素接收到過多的光子，存儲器中所收集的自由電子就會向周邊的象素“溢出”。致使整個區(qū)域成象變亮。光子CCD象素自由電子溢出三、工業(yè)相機的基本原理3相機拍照時間示意圖電子快門時間可由用戶自己設(shè)置。但相機傳輸速率（Framerate）是相對固定的。因此，傳輸速率是相機的成像速度的“瓶頸”。例：電子快門速度可達1/1000秒，但成像卻只能達到60幀/秒。電子快門時間圖像傳輸時間單幀圖像完整拍照時間按照圖像傳感器區(qū)分CCD相機：使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機CMOS相機：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機按照輸出圖像顏色區(qū)分：單色相機：輸出圖像為單色圖像的相機。彩色相機：輸出圖像為彩色圖像的相機。四、工業(yè)相機分類（1）按照傳感器類型區(qū)分面掃描相機傳感器上像素呈面狀分布的相機，其所成圖像為二維“面”圖像。

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

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

數(shù)字信號相機信號自傳感器中的像素輸出后，在相機內(nèi)部直接數(shù)字化并輸出。四、工業(yè)相機分類（3）四、工業(yè)相機分類（5）彩色VS黑白黑白相機的每個像素僅僅采集亮度信號，對于彩色相機，則是借助于一個Bayer濾色片讓每個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，所以黑白相機的分辨率通常比具有同樣像素數(shù)目和同級別后期處理電路的彩色相機高出10－20％（inTVL)。此外由于沒有覆蓋Bayer濾色片，黑白相機在弱光下面的靈敏度也更好一些。但是彩色相機在檢測那些具有色彩敏感信息的目標的時候具有突出的優(yōu)勢。當然黑白相機也可以通過對光源色彩的控制實現(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。四、工業(yè)相機分類（6）模擬相機VS

數(shù)字相機

相對來說模擬相機的價格比較低廉，使用比較簡單。但是模擬相機存在一個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，通常具有更高的分辨率，當然價格也更昂貴，而且牽涉到比較復雜的按照調(diào)試工作，即使這個系統(tǒng)只需要最簡單的功能，數(shù)字相機的傳輸距離通常較模擬相機短。數(shù)字相機最終將取代傳統(tǒng)模擬相機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)的機器視覺專用相機將成為發(fā)展趨勢五、工業(yè)相機的發(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、存儲到幀存儲器的過程，叫做采集、數(shù)字化。A/D轉(zhuǎn)換視頻量化處理是指將相機所輸出的模擬視頻信號轉(zhuǎn)換為PC所能識別的數(shù)字信號的過程，即A/D轉(zhuǎn)換。視頻信號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）采集卡同時對多個相機進行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陣反映了其分辨率的性能。即，其所能支持的相機最大分辨率。采樣頻率采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進行高速圖像采集時，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，圖像灰度等級可分為256級，即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時，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觸發(fā)功能燈源控制功能基本I/O