工業(yè)視覺基礎(chǔ)知識

視覺基礎(chǔ)知識V1.0張超一、基礎(chǔ)學習第一節(jié)光源光源類型類型特點白熾燈鎢絲，色溫3000~3400k的連續(xù)光譜。優(yōu)點：相對較亮，可以低壓電工作；缺點：發(fā)熱嚴重，壽命短，不能用作閃光燈，老化快，亮度隨時間延遲而下降。氙燈氙氣，色溫5500~12000k白光。優(yōu)點：非常亮，可做成每秒200多次的閃光燈；缺點：供電復(fù)雜且昂貴，幾百萬次閃光后出現(xiàn)老化。熒光燈氣體放電光源，產(chǎn)生3000~6000k色溫可見光，交流電供電，與供電相同頻率的閃爍。優(yōu)點：價格便宜，照明面積大；缺點：壽命短，老化快，光譜分部不均勻，不能用作閃光燈。發(fā)光二極管（LED）通過電致發(fā)光的半導體，產(chǎn)生類似單色光的非常窄的光譜的光，亮度與電流相關(guān)，顏色取決于材料成分，也可以加上涂層。優(yōu)點：壽命長，可以用作閃光燈，響應(yīng)速度快，幾乎沒有老化現(xiàn)象，亮度容易控制，功耗小，發(fā)熱小。缺點：性能與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度越高性能越差壽命越短。光與被測物間相互作用現(xiàn)實中，鏡面反射幾乎不可能像鏡子一樣是理想的相反，鏡面反射在一定角度產(chǎn)生較強的波瓣型反射，如下圖。利用照明的光譜彩色物體反射了一部分光譜，其他部分被吸收使用合適的照明光源使其光譜范圍正好是希望看到波長范圍被物體反射，不希望看到的波長范圍被物體吸收紅色光源變亮變暗直接暗視場正面照明第二節(jié)鏡頭成像原理進光量小，必須通過非常長的曝光時間才能得到亮度足夠的圖像鏡片折射原理折射定律厚鏡片成像一般將鏡頭看作一個厚鏡片光闌、入瞳與出瞳D：可變光闌（俗稱光圈）基于孔徑光闌，定義鏡頭系統(tǒng)中兩個重要的虛擬光闌：入瞳（ENP）與出瞳（EXP）。入瞳決定鏡頭入口可以接收光線的面積。入瞳是孔徑光闌被其前面的光學系統(tǒng)在物方所成的像，通常為虛像。入瞳是物面上所有各點發(fā)出的光束的共同入口，通過入瞳的光線可以進入到鏡頭系統(tǒng)中，在鏡頭中傳播并通過鏡頭。同樣，出瞳是孔徑光闌被其后面的光學系統(tǒng)在像方所成的像，通常也為虛像。只有能通過出瞳的光線才能通過整個光學系統(tǒng)。景深固定放大率時：光圈縮?。ㄔ龃蠊馊χ担?，景深增大固定放大率時：光圈增大（減小光圈值），景深減小固定光圈值時：焦距越大（增大放大率），景深減小固定光圈值時：焦距越?。p小放大率），景深增大遠心鏡頭普通鏡頭：越近的物體所成的像越大遠心鏡頭：成像不產(chǎn)生形變鏡頭的像差之前都是假設(shè)在高斯光學中同心光束通過鏡頭后會聚于一點，而實際情況中通常是不會發(fā)生這種情況的，會有像差。引起像差的原因有好幾種，其中最根本的因素就是構(gòu)成相機鏡頭的光學鏡片是由球面的一部分制造出來的。由于是球面，鏡頭中心和周圍的入射光折射率就會不一樣，也就無法實現(xiàn)理想的成像。球面像差彗形像差像散像差像場彎曲畸變像差色像差常見像差：球面魄像差屋（球希差）球差假：焦溉點沒有剖全部款集中奴在光衣線軸夕上的莖一點場而出蟻現(xiàn)前公后偏納移的厲現(xiàn)象以鏡鞠頭是通球面圣構(gòu)成逼的觀遵點而閣言，舍這是鉆一種厘無可怨避免合的像艱差。驗通過勤鏡頭密中心蟻處的愈光線朵和通封過邊裁緣處猶的光線激（隨著思入射吃位置臣的差淡異）帥，由悅于光杰線前票后偏賺移而離聚焦復(fù)成焦瓶點，灘因此句就會悠將影槽像拍祝模糊稈。從去邊緣獵處所射入掃的光線攜會形看成光胖斑，全而出策現(xiàn)光短的擴嶼散。通過巖縮小賺光圈息的方呢式可枝以改庫善球輕面像根差的畏問題績，但柳當光演圈縮毫得太役小時央，有連時會稅引起附焦點熄移動交?；坌文窍癫睿ɑ鄄睿┗鄄钔疲盒惫馕揖€沒仍有集冤中在緩像面麥上的旬一點從光照軸外潛的傾膨斜方堂向所評進入裂的入抖射光越，沒耐有集竹中在屢像面浸的一丈點而敏拉出煮彗星稼尾巴燙般的吹擴散由現(xiàn)象住。由刑于在余畫面田邊緣掙部分掀很明蓋顯，學會使晚影像拴對比惰度降庫低。理就連簡受到西彗形震像差弱影響肺的失摔焦部靠分也帳會出某現(xiàn)彗只星狀斷的像刃差，爐而這辮也稱裝為彗猶形像少差。像散膏像差這是占指點注沒有樓以點襖的形詳狀來武成像盒的像粥差。錘點如醉果出蜂現(xiàn)在畝越是沿靠近愿畫面帽邊緣界的位墨置，漿就會粘在垂拼直方算向或氧水平扇方向商拍出絞偏離兵成類箭似線鳴狀的捆形狀款，而部偏離印方向翅會分侵成同扒心圓痛和果放射泡狀。丘當畫倡面四藏周如否果有勁很細邪的直沉線和拜橫線驗出現(xiàn)溜時，掘直線屬越清描楚則緊橫線務(wù)會變假得?？睾?；鴉而橫清線越朽清楚激的話伙則直些線會購變成飯模糊母，這紛就是椒像散控像差福。像場女彎曲這是棗指當磨對焦僚時的宗面以優(yōu)面的絕形狀笨被記澡錄下描來的輝時候禽，在饞這個小面所線引起朽焦點刷偏離狂的像勻差。獎由于減平面脊會被葬拍攝床成碗痕狀，冠所以帥，將猶焦點喜對準貢畫面飯的中集心處馬時，轉(zhuǎn)畫面鉗邊緣辛部分睛就會璃被拍紋成失瞞焦；軌而焦蘇點對快準畫耳面邊墳緣部夸分時莊，中撤心處艷就會愈被拍闖成失神焦。此像鏡差就環(huán)算縮測小光碧圈也競完全殊不會很有任槽何改桐善效擊果。畸變等像差四方光形的當平面基沒有孝形成那四方鎖形，炸即沒掃有形辣成相顆似形皂狀的坑像差廚。直片線會常拍成許曲線婆；正路方形繳的被除攝體照會形正成桶節(jié)狀或墊者是甩枕狀距的變鏡形。童鏡頭抱組合湖構(gòu)成版上，牢鏡片儲對稱侄的分洋置光放圈兩草側(cè)，猛畸變思像差徒比較姻少；剝非對格稱構(gòu)靈成的含鏡片籍，則牛經(jīng)常醬發(fā)生尼。色像差（梢色差棄）不同島色彩總的光今線波辯長也洽不一注樣，沾通過盞鏡頭光的折枝射率嚼也會元變得錯不同侮，導欠致焦菌點所境集結(jié)謹?shù)狞c丈錯開稈，這貝就是織色差賊。當出遞現(xiàn)色湯差后獅，成震像的竄性能弊不但并會變蝴差，府就連裝原本芳不該美有的鄰地方叉都會眼出現(xiàn)舌色彩逝。色爭像差暴分為轉(zhuǎn)“位付置色立像差膽”與顯“倍涂率色蛾像差悅”兩伴種。粗使用醋長焦方鏡頭怕時可鞠明顯銷發(fā)現(xiàn)諸位置它色像咐差；尚使用哈廣角危鏡頭華時可礙以明注顯發(fā)諒現(xiàn)倍調(diào)率色搖像差燦。改塌善色擔像差舒的方捐法之啟一是直要同周時使窄用性支質(zhì)（叛折射屠率等搞）不窗同的楊玻璃俊鏡片乖；另灑外一孩種是恩利用饑光線占分散壇率非近常少戀的特步殊玻色璃片啞。特爺殊低旬色散盟玻璃凳（ED鏡片貴）以頂及螢吊石鏡仁片貍等都彎是特耕殊鏡糕片。套隨著膚工藝倒的發(fā)王展，順非球利面鏡迷片、藍納米掃鍍膜妖等都妹使色株像差脾得到瞎了一屈定的癢改善誤，相始信未爺來技籌術(shù)的朽發(fā)展排也會賭使成逆像更賀趨于萬理想扯的狀鴿態(tài)。第三鮮節(jié)相機傳感判器種搞類CC追DCM丑OSCC佳DCC舍D的英四文全芝稱是膏“Ch解ar浪ge態(tài)-筋co察up葉le言dD爛ev筍ic精e”，中拿文全鑰稱是錄電行饑耦合竭元件技，通巷常稱狀為CC江D圖像狼傳感歸器。CC線D是一練種半宴導體惱器件體，能句夠把男光學臺影像享轉(zhuǎn)化蓬為數(shù)披字信尸號，CC涂D上植本入送的微絡(luò)小光滲敏物終質(zhì)稱肺作像素(P段ix附el魯)，一元塊CC燦O上包掛含的夾像素躁數(shù)越血多，息其提巖供的格畫面捐分辨胸率也巨就越兵高。CC騰D作用垮就像拉膠片嬌一樣凡，但云它是綁把圖叢像像薦素轉(zhuǎn)塊換成數(shù)限字信匆號，CC述D上有姨許多濟排列堅整齊盤的電記容，沙能感攝應(yīng)光秘線，蓬并將群影像條轉(zhuǎn)變由成數(shù)攏字信臣號。摘經(jīng)由顏外部展電路鄭的控嬌制，班每個基小電蟲容能跳將其鬼所帶描的電鉗行轉(zhuǎn)榜給它葵相鄰肺的電探容。CC脂D圖像傲傳感撒器可績直接衰將光存學信機號轉(zhuǎn)播換為菠模擬淡電流捎信號忠，電糠流信聞號經(jīng)怠過放惹大和進模數(shù)年轉(zhuǎn)換磚，實溜現(xiàn)圖旦像的考獲取.存儲茶、傳厲輸.處理渠和重現(xiàn)供。線陣CC歲D傳感以器光在申光電椅探測筍器中注轉(zhuǎn)換你為電小荷，劫轉(zhuǎn)移討至串門行讀槽出寄你存器寺并通守過電諒荷轉(zhuǎn)捏換器較和放養(yǎng)大器瓶讀出負。對功于線觀性傳感感器帝光電嶄探測覺器常臣為光慮電二仔極管炊。線陣敘傳感壓器只闖能生慢成高植度為1行的耐圖像飲。為攔了得朽到有惜效圖睛像，傍一般付需要庫被攝爭或者東相機嫩作相賴對運朵動。全幀計轉(zhuǎn)移型CC投D面陣傳感著器光在邁光電備探測傅器中教轉(zhuǎn)化孔為電如荷，葛電荷役按行樸的順序轉(zhuǎn)州移到擊串行未讀出鴉電路熄寄存蝴器，武然后耕轉(zhuǎn)換贏為視頻信眉號拖影：騾在讀賞出過艙程中鴿，光敢電傳保感器步在曝葵光，欣仍有睜電荷俱在積某累。園由于像上面沉的像驢素要檢經(jīng)過找下面繩的像倆素位準移出群去，宮因此療像素克積累啄的全炭部場超景就裂會產(chǎn)雨生拖影現(xiàn)象棋。為了旨避免翻出現(xiàn)衰拖影春，必抱須加規(guī)上機息械快巴門或論利用脫閃光關(guān)燈，井這是滴全幀什轉(zhuǎn)移典型面蓮陣傳史感器竟的最起大缺芝點。其最鈔大優(yōu)瞇點是驅(qū)填充雀因子貧（填術(shù)充因姿子是姜像素皂光敏躍感區(qū)蠅域與休整個巴靶面虧之比滴）可姿達10侍0%。這狠個填箭充因纏子使大得像煉素的巴光敏拜感度掃最大貝化并削使圖練像失伴真最扭小化小。幀轉(zhuǎn)應(yīng)移型CC貨D面陣傳感惜器為了折解決綠全幀鏡轉(zhuǎn)移胖型傳捧感器喘的拖麥影問梅題，欲全幀兼轉(zhuǎn)移衡型傳執(zhí)感器可加上盒另外倍的傳辦感器雄用于觸存儲鈴，在煉這個溉傳感四器上諷覆蓋劣有金瞇屬光帝屏蔽變層，派構(gòu)成謎幀轉(zhuǎn)弱移型姐面陣拘傳感莊器。由于兩個傳臉感器始間轉(zhuǎn)捐移速韻度很既快，辜通常珠小于50潮0u丟m，因陡此拖輔影可獵以大坐大減筐少。魔（并秒不是蒼完全例沒有炭）優(yōu)點半是填錫充因炸子可慘達10奪0%并且筋不需幻玉要機叔械快渴門或摘閃光忘燈。缺點氧是成橫本高隔列智轉(zhuǎn)移片型CC癢D傳感約器除光盡電探昂測器錫外，賀這種偵傳感油器還鍬有一雄個帶蘇有不本透明飯的金新屬屏鼠蔽層帽的垂響直轉(zhuǎn)醉移寄扮存器鏟。圖織像曝幼光后拳，累漁積到融的電戀荷通養(yǎng)過傳隆輸門巷電路療轉(zhuǎn)移喚到垂貌直傳客輸寄幼存器汁。這顯一過薄程通伐常在摟小于1u斯s內(nèi)完醒成。優(yōu)點析：圖寸像沒裁有拖暴影，抖不需罷要機賴械快布門和鼓閃光游燈。缺點腿：由葛于其誘傳輸秋寄存圾器需握要在赴傳感膊器上奧占用溜控件沿，所報以填床充因充子可細能低愧至20光%，圖濃像失莖真會絨增加兄。CC檢D讀出均模式隔行緊掃描兩次曝幅光之條間有佛移動倦就會孤出現(xiàn)孤鋸齒逐行董掃描CM上OS傳感各器CM詳OS狠(C筍om寺pe劣me藝nt亦ar棄yM遣et炭al幼Ox翅id賄eS洪em盲ic航on繞du斷ct緣瑞or進)指互澡補金將屬氧疑化物謊半導稍體，饑是電鍛壓控牧制的否一種勿放大非器件開，是魯組成CM糠OS數(shù)字癢集成繳電路斬的基停本單駕元。蛛在數(shù)喬字影華像領(lǐng)授域，CM帽O(jiān)S作為馳一種輕低成抱本的月感光士元件稍技術(shù)禁被發(fā)雞展出竿來，暴市面鑒上常斗見的駛數(shù)碼欄產(chǎn)品勿，其說感光峰元件這主要眼就是CC喉D或者CM晶OS，尤鉆其是己低端惕攝像業(yè)頭產(chǎn)便品，游而通薦常高挺端攝平像頭懂都是CC狡D感光投元件堵。CM玩OS制造橡工藝途被應(yīng)劑用于還制作講數(shù)碼案影像洪器材爸的感蜂光元想件，腐是將鞠純粹航邏輯辰運算辯的功拴能轉(zhuǎn)癢變成滔接收義外界歇光線盟后轉(zhuǎn)詞化為皆電能選，再負造過妻芯片布上的畏模一腔數(shù)轉(zhuǎn)續(xù)換器(A抄DC熟)將獲悉得的吐影像脆訊號應(yīng)轉(zhuǎn)變豎為數(shù)眾字信冠號輸輩出。CM甩OS傳感妙器CM意OS傳感滔器的泰每一獎行都使可以皆通過置行和喉列選患擇電香路直腦接選額擇并且讀出迎。CM罰OS傳感停器可碰以當閃作隨嶄機存柳取存伯儲器淚。CM款OS每個謎像素涌都有北一個姨自己杏的獨別立放對大器旱。填充烏因子錯很低板，常愚使用有微鏡智來增愿加填承充因煉子和也減少必圖像弱失真敢。讀出方式辱：全麥局曝窄光與頭行曝似光行曝容光全局辭曝光由于CM臭OS傳感民器每一默行都可以我獨立社讀出鄉(xiāng)豐，因寇此最崗簡單急得到煤一幅窮圖像隔的方僑式就切是一摟行一餐行曝男光并可讀出塞。對端于連殊續(xù)的趣行，父曝光慚時間俊和讀每出時弦間可縮慧以重沒疊，少這就沃是行秘曝光棉。這其種讀宜出方客式會蔥使圖乖像第民一行視和最塘后一頭行有孤很大雞的采堡集時夕差。全局梢曝光貞傳感增器對奧應(yīng)每稠個像碎素都純需要肌一個騾存儲凱區(qū)，豪因此統(tǒng)降低謎了填萌充因訪子。傳感辨器光蟻波感筑應(yīng)CC帶D和CM批OS傳感糖器對襲于近域紫外20牽0n跡m至可膠見光38俗0~觀78期0n雙m直至翼近紅駁外11方00丙nm波長學范圍稅都有狠響應(yīng)。彩色灘相機由于CC盛D和CM壁OS傳感般器對宋于整恨個可錦檢光淘波段撫全部廈都有輕響應(yīng)英，所俗以無昨法產(chǎn)藍生彩販色圖酒像。瞞為了潛產(chǎn)生處彩色辟圖像鄉(xiāng)豐，需擇要在創(chuàng)傳感揀器前軟面加惰上彩糕色濾胡鏡陣突列（CF災(zāi)A）使埋得一吳定范無圍的頃光到鋤達每退個光步電探史測器駐。由滾于這亦種傳陷感器充僅使曲用一擴個芯屯片得址到彩毒色信糞息，公所以買稱作餓單芯隸片攝擁像機袖。右圖頃：最滔常見榆的Ba憲ye澆r濾鏡放陣列慢。由愈于人巡壽眼對皺于綠弓色最仆敏感普，所季以濾帶鏡陣幸列中含綠色硬采樣虧頻率反是其雖他兩屑種的剝兩倍成。Ba洪ye土r彩色煩濾鏡尸陣列成像病對比黑白賣相機彩色耀相機看上鵝去有販毛刺使用賽白色奮背光報拍攝懂樣品貌表面墾后效偽果：三芯筒片相柏機通過凡鏡頭叨的光羊線被違分光洗器或日棱鏡蠶分為咳三束屯光然盲后到懸達三壤個傳貢感器治。每懷個傳減感器厭前有歷一個擇不同響的濾岸光片瀉。這貿(mào)種攝惜像機敘稱作涼三芯帝片攝憂像機伸。由于春使用嘉三個當傳感饒器，期并且催三個秒傳感速器需蓄要很徐仔細榮的調(diào)言整位柳置，杯因此子價格射比單季芯片魔攝像繡機貴懷很多樓。三芯片義攝像捎機傳感刷器尺包寸CC饞D和CM蘋OS有多達種生印產(chǎn)尺平寸，嬌常以幕英寸作表示昨。常見遍的傳吸感器奮尺寸莖見下迫表。一般聾選擇兄鏡頭鋼時，糞鏡頭險的像險面尺舍寸不孕應(yīng)小想于傳隸感器準尺寸脂。鏡頭場像面糧尺寸諷小于昌傳感抹器尺雅寸后落產(chǎn)生耀的黑叢圈相機-計算盟機接仔口模擬視頻信號數(shù)字視頻信號CameraLinkIEEE1394USB2.0GigabitEthernet千兆網(wǎng)26幀MD緒R連接天器，豎傳輸付效率歲非常烘高又叫火怕線，壘最早術(shù)是6幀接更插件4幀接魄插件以太供網(wǎng)，朱一般依需要績額外衛(wèi)供電二、瓣實例燦應(yīng)用第一暗節(jié)測量允類項閘目相欄機選摟型方都法客戶挺提出拘了精做度要記求，偉提供脆了樣去本以氏后，閱如何姨選擇倆工業(yè)峰相機寇？工業(yè)江相機礦選型宏六大阻參數(shù)參數(shù)說明影響分辨率相機每次采集圖像的像素點數(shù)（Pixels）圖片清晰度像素深度即每像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，常用的是8Bit測量精度最大幀率/行頻相機采集傳輸圖像的速率，面陣相機一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec），線陣相機為每秒采集的行數(shù)（Hz）固定時間內(nèi)的拍照數(shù)量（1秒鐘最多能拍多少張照片）曝光方式和快門速度線陣相機都是逐行曝光的方式；面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等常見方式?？扉T速度一般可到10us，高速相機可以更快曝光方式：運動中物體用面陣相機的時候一般使用幀曝光，如果使用滾動行曝光會產(chǎn)生形變快門速度：拍一張照片所需時間像元尺寸像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機靶面的大小視場的大小與形狀光譜響應(yīng)特性指像元傳感器對不同光波的敏感特性一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm其他挎可能快面臨體的選酬擇傳感碧器類融型：妖面陣帝、線膏陣芯片挪類型搶：CC旦D、CM僵OS色彩周類型崇：黑斥白、患彩色相機縣與鏡投頭口榆：C口、F口、CS口相機分辨和率選樹擇案瞧例（1）假設(shè)帖樣品單表面毅大小懇為10編mm胳*1志0m飲m，僅巧檢測艷該平龜面，噴不考強慮傾悠斜因革素假設(shè)摧客戶攀精度友要求似為0.貨01竿mm相機零分辨頂率選閑擇案例分析實際從視場舅必須脾包含貍整個咸樣品題表面餅，一期般為零樣品據(jù)表面塞的1.鞋5倍到2倍，故因此蔥實際為的視驗場可民以為15括mm*15濱mm到20吐mm*20師mm之間彼。（渡這里足選20艦mm螞*吹2盒0m傲m）現(xiàn)在寸的亞慈像素過精度江一般碑能達食到1/錯5左右里，1/粉3像素仍基本吸能夠室保證輕精度燦。（壤保守藝選擇1/涼3像素倆，即1個像雪素大匪小為0.馳03帆mm）每條邊的遣最小丑像素拔為20牢mm除以0.納03去mm詢/像素=京66表7像素相機川的分聾辨率婚必須象支持66恩7*66先7以上折，比錯如10燙24*76軟866林6P筆ix塔el66沒6P甜ix錘el10凍24比Pi期xe逢l76嫩8P扮ix羨el第二液節(jié)如何厘選擇擁鏡頭這么拍多怎跳么選夾？鏡頭喂選擇岸考慮旨因素優(yōu)先度考慮因素1波長、變焦與否2特殊要求優(yōu)先考慮3工作距離、焦距4像面大小和像質(zhì)5光圈和接口6成本和技術(shù)成熟度焦距容計算等公式焦距f度=芯片厲高度h*截物距D久/物體堤高度H焦距f飲=芯片鋼寬度v*團物距D夜/物體亞寬度V焦距f棕=成像酷放大喊倍率M*勤物距D扯/（1+碧M）鏡頭老選擇屆案例胃（2）要給等硬幣袋檢測作成像德系統(tǒng)騎選配斃工業(yè)鄭相機鏡頭約束負條件：相窮機CC護D欣2/有3英寸李，像泄素尺圈寸4.淹65綱μm，C口。曬工作噸距離既大于20毀0m禁m，系蜘統(tǒng)分超辨率0.伐05確mm。光源采用蚊白色LE教