工业视觉系统应用技术 课件 第四章 视觉成像

工业视觉系统应用技术

第四章视觉成像

学习目标掌握镜头成像原理，理解焦距、光圈、景深、视场角等工业镜头的关键技术参数；掌握工业相机的基本结构和工作原理，理解CCD和CMOS传感器的成像机制；能够根据应用需求，进行核心成像参数的计算与选型。自主创新是民族企业发展的必由之路1建设制造强国，必须牢牢把握战略机遇，坚持创新驱动发展，勇立时代潮头。大疆创新以自主创新为引领，主导制定消费级无人机国际标准，首创飞行视觉系统安全规范，用颠覆性视觉技术重塑行业格局。实践深刻证明，唯有将自主创新融入发展基因，将产业报国铸就精神内核，民族企业才能实现从“追赶者”到“领跑者”的历史性跨越。我们要汇聚全社会创新合力，加快推动中国制造向中国创造转型、中国速度向中国质量升级、中国产品向中国品牌跃迁，奋力谱写制造强国建设的崭新篇章。2光学镜头及其参数工业镜头一般是由多个不同的光学元件组成的复杂系统，包括透镜组、光圈与焦距调节机构、固定部件和连接机构等，通过特定的排列和光路设计完成对光线的处理，聚焦光线并形成图像。对焦装置用于调整透镜组中的光学元件的位置，从而改变焦点的位置，以便在不同距离上实现清晰聚焦，确保物体在图像传感器上形成清晰的成像。光圈环是用于控制镜头光圈开口大小的一个可旋转环，光圈的大小直接影响镜头的曝光量和成像景深。镜头接环是镜头连接到相机机身的连接件，镜头接环的主要作用是机械连接、光学对准和兼容扩展。镜头滤光片是安装在镜头前端或内部，可以精确控制进入相机的光线波长，旨在控制和优化通过镜头到达图像传感器的光线的光学元件。常见的滤光片类型有：UV滤光片（紫外线滤光片），能够阻挡紫外线光，减少紫外线造成的图像质量下降；IR滤光片（红外线滤光片），能阻挡红外线光，防止红外线干扰图像传感器，导致成像失真；偏振光滤光片，仅允许特定方向的偏振光通过，减少反光面（如金属、玻璃、水面等）的散射光和反射光，提高图像对比度和清晰度。镜头外壳和框架等支撑部件在镜头的整体结构中也发挥着至关重要的作用。它们不仅提供机械稳定性和耐久性，还能起到保护内部的光学元件和电子组件的作用。镜头类型镜头通常是使用折射率不同的各种硝材经研磨、抛光和镀膜等工艺，加工成高精度的曲面镜片，并把这些镜片进行组合。（1）标准工业镜头工业镜头是专门设计用于工业应用中的光学成像和检测任务的镜头，通常具有较高的光学精度和分辨率，旨在确保在复杂、多变和高要求的工业环境中提供高精度、高可靠性和高质量的成像和检测服务。（2）长焦镜头工业长焦镜头是专门为满足工业领域中远距离、高精度成像需求而设计的。长焦镜头具有高放大倍率，支持较长的工作距离（WD），能在不干扰目标物体的前提下进行远距离成像。（3）广角镜头广角镜头是指具有较大的视角（视场角），通常具有90度以上的视角，一些甚至能达到180度，可以覆盖更大的工作区域，减少盲点，特别适用于需要大范围监控和检测的场景。（4）微距镜头微距镜头专为近距离拍摄设计，能够在非常近的距离拍摄对象，捕捉微小细节，适合于微小物体的高精度成像。（5）鱼眼镜头工业鱼眼镜头是一种特殊用途的广角镜头，能够提供极宽广的视角，在需要广域监控和全景成像的工业领域应用中发挥着重要作用。镜头参数（1）工业镜头接口类型镜头的接口也称镜头安装规格，是指镜头与摄像设备（如相机、摄像机等）之间的连接方式和物理接口标准。常见的工业视觉标准接口包括C接口（C-Mount）、CS接口（CS-Mount）、F接口（F-Mount）、M42/12接口（M42/12-Mount）等多种安装类型等。镜头接口不仅是机械连接，现代镜头接口有些还提供电子接点，可用于实现电子光圈控制、自动对焦和镜头数据传输等功能。（2）焦距工业镜头的焦距是指从镜头主光学中心到成像平面的距离，是衡量光学系统汇聚或发散光线能力强弱程度的度量方式。短焦镜头视场角大，适合大范围的监控、需要涵盖大面积或多个目标的检测任务；长焦镜头适合于拍摄远距离场景或特定细节，可以对远距离的物体进行细致、高分辨率的观察和分析。（3）工作距离工业视觉领域一般将镜头组中心到被测对象的距离称为工作距离（WD）。不同的镜头在不同工作距离上的成像效果不同，正确的工作距离能够确保光线通过镜头后正确会聚在成像传感器上，从而形成清晰的图像。镜头的工作距离、视野、焦距和适配的相机CCD尺寸是成像系统中的关键参数，它们之间彼此关联，共同影响成像质量和系统性能。工作距离、视野、焦距和适配的相机CCD尺寸符合以下比例公式：（4）视野视野是镜头可以捕捉到的实际空间范围，工业视觉应用中常用视场角或视角来描述视野范围。（5）镜头倍率镜头倍率也称为镜头光学倍率，是指被测对象的实际大小（通常也指拍摄的视野范围）与光学系统的成像大小（所使用相机的传感器尺寸）的比值。（6）光圈光圈用于控制照射光线透过镜头进入相机感光面的总体光通量，调节光圈可以控制光路系统能够接收的光线能量，影响成像的明暗效果；同时，光圈也是决定镜头景深的关键参数。3工业相机成像工业相机是一种专门为工业检测和监控应用而设计及的高性能相机，以CCD或CMOS图像传感器为核心部件，集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。相机成像原理相机是获取图像的前端采集设备，主要依赖于CCD（电荷耦合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器。（1）像元像元，或称为像素（Pixel），有时也称为光敏元，是组成图像传感器的最小感光图像单元。（2）CCD与COMSCCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合器件）和CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）是两种主要的图像传感器技术，集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD通过光电二极管将光转换为电荷，通过电荷耦合方式将这些电荷逐行传输到一个读出放大器进行信号处理。CMOS传感器同样通过光电二极管将光转换为电荷，但每个像素内包含一个单独的放大器，允许直接访问和读取每个像素的电压信号。CCD传感器由于采用的是电荷逐行传输的方式，色彩一致性较好，噪声水平较低；CMOS传感器能够支持高帧率拍摄，而且CMOS传感器可以集成更多的功能，如图像处理电路和模数转换器（ADC），这也减少了外部组件的需求，简化了设计并降低了成本。相机参数（1）分辨率分辨率又称为解析度或解像度，主要用于描述相机对被摄物的分辨能力，通常以

（两个方向上的像素数）来表示。如1280×720，其分辨率就是921600像素，也就是常说的100万像素。主流工业线阵相机包含2k，4k以及8k分辨率，能够满足多样化的市场需求。（2）帧率帧率也成为帧速，即相机每秒能够捕捉的图像数量，用以衡量相机采集和传输图像的速率，通常以帧数FPS（FramesPerSecond）表示。在工业自动化产线检测中，视觉系统必须能够快速采集相机视野范围内移动的工件，因此在应用中要根据视觉项目检测要求选择适合的帧率。（3）像元尺寸像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，通常以微米（μm）表示。像元尺寸越大，单个像元能够接收到的光子就越多，该芯片的感光性能也就越强。（4）像素位深像素位深是指用多少位数据来描述每个像元的图像信息。一般常用的有8位、10位、12位和16位等，如像素位深8位表示能够输出的图像数据位是2的8次幂，即0-255共256级。像素位深越高，其表达的图像数据细节就越精细，但是像元位深越大，其图像采集和运算处理时间也越长。（5）快门类型快门是一种用于控制感光元件或胶片曝光时间的机械开合装置，在快门开启与闭合的时间内，让通过镜头的光线使相机内的感光元件或胶片获得正确的曝光。（6）接口类型相机与计算机或其他设备的连接方式，常见接口包括USB、GigE、CameraLink等，选择时需考虑数据传输速度和传输距离。视觉成像系统搭建在确定视觉系统整体方案前，先要确定项目检测的方向，属于测量、检测还是识别定位等类别，不同的检测方向对镜头和相机等硬件的需求是不同的。确定检测内容所需的工作空间、系统精度等参数，再根据项目精度要求及工作空间，并综合考虑硬件成本等完成视觉系统设计选型。4工业视觉系统选型案例1.项目需求现有一工业包装产线缺陷检测项目，客户要求检测区域内方块产品表面有无有无脏污；不区分颜色；产品视野范围大小约为

；单像素精度为0.1mm；相机成像靶面要求不小于

（英寸）；被测产品放置于低速流水线传送状态，最高需要在一秒内拍10张图片；产品检测装置可安装在产线上方

范围内，无空间限制或其他特殊需求。2.选型方案该项目测试的是固定视野大小的产品，用于污渍缺陷检测，无色彩要求，产品检测速度为低速流水线传送，所以可以选择全局曝光方式的黑白面阵相机。计算相机所需的最小分辨率为：选定2448×2048（500万）像素工业标准相机MV-CS050-10GM为备选型号根据检测内容和现场环境设定工作距离为150mm，目标视野高度方向尺寸为90mm，CMOS相机传感器在该方向的尺寸为

2048*3.45/1000=7.0656mm则适配镜头的焦距=150*7.0656/90（mm），经计算焦距约为

。选择MVL-MF1224M-5MPE工业镜头做为相机的配套镜头。视觉系统的光源