工业视觉基础知识课件

视觉基础知识V1.0一、基础学习第一节光源光与被测物间相互作用现实中，镜面反射几乎不可能像镜子一样是理想的相反，镜面反射在一定角度产生较强的波瓣型反射，如下图。利用照明的光谱彩色物体反射了一部分光谱，其他部分被吸收使用合适的照明光源使其光谱范围正好是希望看到波长范围被物体反射，不希望看到的波长范围被物体吸收红色光源变亮变暗第二节镜头成像原理进光量小，必须通过非常长的曝光时间才能得到亮度足够的图像镜片折射原理折射定律厚镜片成像一般将镜头看作一个厚镜片景深固定放大率时：光圈缩小（增大光圈值），景深增大固定放大率时：光圈增大（减小光圈值），景深减小固定光圈值时：焦距越大（增大放大率），景深减小固定光圈值时：焦距越小（减小放大率），景深增大远心镜头普通镜头：越近的物体所成的像越大远心镜头：成像不产生形变镜头的像差之前都是假设在高斯光学中同心光束通过镜头后会聚于一点，而实际情况中通常是不会发生这种情况的，会有像差。引起像差的原因有好几种，其中最根本的因素就是构成相机镜头的光学镜片是由球面的一部分制造出来的。由于是球面，镜头中心和周围的入射光折射率就会不一样，也就无法实现理想的成像。常见像差：慧形像差（慧差）慧差：斜光线没有集中在像面上的一点从光轴外的倾斜方向所进入的入射光，没有集中在像面的一点而拉出彗星尾巴般的扩散现象。由于在画面边缘部分很明显，会使影像对比度降低。就连受到彗形像差影响的失焦部分也会出现彗星状的像差，而这也称为彗形像差。像散像差这是指点没有以点的形状来成像的像差。点如果出现在越是靠近画面边缘的位置，就会在垂直方向或水平方向拍出偏离成类似线状的形状，而偏离方向会分成同心圆和放射状。当画面四周如果有很细的直线和横线出现时，直线越清楚则横线会变得模糊；而横线越清楚的话则直线会变成模糊，这就是像散像差。像场弯曲这是指当对焦时的面以面的形状被记录下来的时候，在这个面所引起焦点偏离的像差。由于平面会被拍摄成碗状，所以，将焦点对准画面的中心处时，画面边缘部分就会被拍成失焦；而焦点对准画面边缘部分时，中心处就会被拍成失焦。此像差就算缩小光圈也完全不会有任何改善效果。色像差（色差）不同色彩的光线波长也不一样，通过镜头的折射率也会变得不同，导致焦点所集结的点错开，这就是色差。当出现色差后，成像的性能不但会变差，就连原本不该有的地方都会出现色彩。色像差分为“位置色像差”与“倍率色像差”两种。使用长焦镜头时可明显发现位置色像差；使用广角镜头时可以明显发现倍率色像差。改善色像差的方法之一是要同时使用性质（折射率等）不同的玻璃镜片；另外一种是利用光线分散率非常少的特殊玻璃片。特殊低色散玻璃（ED镜片）以及萤石镜片等都是特殊镜片。随着工艺的发展，非球面镜片、纳米镀膜等都使色像差得到了一定的改善，相信未来技术的发展也会使成像更趋于理想的状态。第三节相机传感器种类CCDCMOS线阵CCD传感器光在光电探测器中转换为电荷，转移至串行读出寄存器并通过电荷转换器和放大器读出。对于线性传感器光电探测器常为光电二极管。线阵传感器只能生成高度为1行的图像。为了得到有效图像，一般需要被摄或者相机作相对运动。全帧转移型CCD面阵传感器光在光电探测器中转化为电荷，电荷按行的顺序转移到串行读出电路寄存器，然后转换为视频信号拖影：在读出过程中，光电传感器在曝光，仍有电荷在积累。由于上面的像素要经过下面的像素位移出去，因此像素积累的全部场景就会产生拖影现象。为了避免出现拖影，必须加上机械快门或利用闪光灯，这是全帧转移型面阵传感器的最大缺点。其最大优点是填充因子（填充因子是像素光敏感区域与整个靶面之比）可达100%。这个填充因子使得像素的光敏感度最大化并使图像失真最小化。CCD读出模式隔行扫描两次曝光之间有移动就会出现锯齿逐行扫描CMOS传感器CMOS(CompementaryMetalOxideSemiconductor)指互补金属氧化物半导体，是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来，市面上常见的数码产品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端摄像头产品，而通常高端摄像头都是CCD感光元件。CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件，是将纯粹逻辑运算的功能转变成接收外界光线后转化为电能，再造过芯片上的模一数转换器(ADC)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。CMOS传感器CMOS传感器的每一行都可以通过行和列选择电路直接选择并读出。CMOS传感器可以当作随机存取存储器。CMOS每个像素都有一个自己的独立放大器。填充因子很低，常使用微镜来增加填充因子和减少图像失真。读出方式：全局曝光与行曝光行曝光全局曝光由于CMOS传感器每一行都可以独立读出，因此最简单得到一幅图像的方式就是一行一行曝光并读出。对于连续的行，曝光时间和读出时间可以重叠，这就是行曝光。这种读出方式会使图像第一行和最后一行有很大的采集时差。全局曝光传感器对应每个像素都需要一个存储区，因此降低了填充因子。传感器光波感应CCD和CMOS传感器对于近紫外200nm至可见光380~780nm直至近红外1100nm波长范围都有响应。彩色相机由于CCD和CMOS传感器对于整个可检光波段全部都有响应，所以无法产生彩色图像。为了产生彩色图像，需要在传感器前面加上彩色滤镜阵列（CFA）使得一定范围的光到达每个光电探测器。由于这种传感器仅使用一个芯片得到彩色信息，所以称作单芯片摄像机。右图：最常见的Bayer滤镜阵列。由于人眼对于绿色最敏感，所以滤镜阵列中绿色采样频率是其他两种的两倍。Bayer彩色滤镜阵列成像对比黑白相机彩色相机看上去有毛刺使用白色背光拍摄样品表面后效果：三芯片相机通过镜头的光线被分光器或棱镜分为三束光然后到达三个传感器。每个传感器前有一个不同的滤光片。这种摄像机称作三芯片摄像机。由于使用三个传感器，并且三个传感器需要很仔细的调整位置，因此价格比单芯片摄像机贵很多。三芯片摄像机传感器尺寸CCD和CMOS有多种生产尺寸，常以英寸表示。常见的传感器尺寸见下表。一般选择镜头时，镜头的像面尺寸不应小于传感器尺寸。镜头像面尺寸小于传感器尺寸后产生的黑圈相机-计算机接口模拟视频信号数字视频信号CameraLinkIEEE1394USB2.0GigabitEthernet千兆网26帧MDR连接器，传输效率非常高又叫火线，最早是6帧接插件4帧接插件以太网，一般需要额外供电二、实例应用第一节测量类项目相机选型方法客户提出了精度要求，提供了样本以后，如何选择工业相机？工业相机选型六大参数参数说明影响分辨率相机每次采集图像的像素点数（Pixels）图片清晰度像素深度即每像素数据的位数，常用的是8Bit测量精度最大帧率/行频相机采集传输图像的速率，面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec），线阵相机为每秒采集的行数（Hz）固定时间内的拍照数量（1秒钟最多能拍多少张照片）曝光方式和快门速度线阵相机都是逐行曝光的方式；面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等常见方式。快门速度一般可到10us，高速相机可以更快曝光方式：运动中物体用面阵相机的时候一般使用帧曝光，如果使用滚动行曝光会产生形变快门速度：拍一张照片所需时间像元尺寸像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小视场的大小与形状光谱响应特性指像元传感器对不同光波的敏感特性一般响应范围是350nm－1000nm其他可能面临的选择传感器类型：面阵、线阵芯片类型：CCD、CMOS色彩类型：黑白、彩色相机与镜头口：C口、F口、CS口相机分辨率选择案例（1）假设样品表面大小为10mm*10mm，仅检测该平面，不考虑倾斜因素假设客户精度要求为0.01mm相机分辨率选择案例分析实际视场必须包含整个样品表面，一般为样品表面的1.5倍到2倍，因此实际的视场可以为15mm*15mm到20mm*20mm之间。（这里选20mm*20mm）现在的亚像素精度一般能达到1/5左右，1/3像素基本能够保证精度。（保守选择1/3像素，即1个像素大小为0.03mm）每条边的最小像素为20mm除以0.03mm/像素=667像素相机的分辨率必须支持667*667以上，比如1024*768666Pixel666Pixel1024Pixel768Pixel第二节如何选择镜头这么多怎么选？镜头选择考虑因素优先度考虑因素1波长、变焦与否2特殊要求优先考虑3工作距离、焦距4像面大小和像质5光圈和接口6成本和技术成熟度焦距计算公式焦距f=芯片高度h*物距D/物体高度H焦距f=芯片宽度v*物距D/物体宽度V焦距f=成像放大倍率M*物距D/（1+M）镜头选择案例（2）要给硬币检测成像系统选配工业相机镜头约束条件：相机CCD2/3英寸，像素尺寸4.65μm，C口。工作距离大于200mm，系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源镜头选择案例分析1.与白色LED光源配合使用的，镜头应该是可见光波段。没有变焦要求，选择定焦镜头就可以了。2.用于工业检测，其中带有测量功能，所以所选镜头的畸变要求小。3.工作距离和焦距成像的放大率M=4.65/（0.05x1000）=0.093焦距f’=L*M/（M+1）=200*0.093/1.093=17mm物距要求大于200mm，则选择的镜头要求焦距应该大于17mm。4.选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸，即至少2/3英寸。5.镜头的接口要求是C口，能配合相机使用。光圈暂无要求。镜头选择案例结论从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的“轮廓”：焦距大于17mm，定焦，可见光波段，C口，至