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如果把工業(yè)相機(jī)比喻為人的眼睛，工業(yè)鏡頭就好比是眼球，它直接關(guān)系到監(jiān)看物體的遠(yuǎn)近、范圍和效果。工業(yè)鏡頭的選用應(yīng)考慮一下幾點(diǎn)：
1）工業(yè)鏡頭尺寸應(yīng)等于或大于工業(yè)相機(jī)成像面尺寸。例如：1/3″工業(yè)相機(jī)可選1/3″～1″整個(gè)范圍內(nèi)的工業(yè)鏡頭，但水平視角的大小都是一樣的。只是使用大于1/3″的工業(yè)鏡頭能夠更多地利用成形，更精確了工業(yè)鏡頭中心光路，所以可提高圖像質(zhì)量和分辨率。
?
2）選用合適的工業(yè)鏡頭焦距。焦距越大，監(jiān)看距離越遠(yuǎn)，水平視角越小，監(jiān)視范圍越窄；焦距越小，監(jiān)看距離越近，水平視角越大，監(jiān)視范圍越寬。工業(yè)鏡頭焦距可按照以下公式估算。
f=A×L/H
(f--鏡頭焦距；A--攝像機(jī)CCD垂向尺寸；L--被攝物體到鏡頭距離；H--被攝物體高度)
格式?1英寸??2/3英寸?1/2英寸?1/3英寸?1/4英寸?
CCD垂向尺寸??9.6㎜??6.6㎜?4.8㎜??3.6㎜?2.7㎜
3）考慮環(huán)境光線的變化,光線對(duì)圖像的采集效果起著十分重要的作用。一般來說，對(duì)于光線變化不明顯的環(huán)境，常選用手動(dòng)光圈鏡頭，將光圈手調(diào)到一個(gè)比較理想的數(shù)值后就可不動(dòng)了；如果光線變化較大，如室外24小時(shí)監(jiān)看，應(yīng)選用自動(dòng)光圈，能夠根據(jù)光線的明暗變化自動(dòng)調(diào)節(jié)光圈值的大小，保證圖像質(zhì)量。但需注意的是，如果光線照度不均勻，特別是監(jiān)視目標(biāo)與背景光反差較大時(shí)，采用自動(dòng)光圈鏡頭效果不理想。
4）考慮最佳監(jiān)看范圍。因?yàn)楣I(yè)鏡頭焦距和水平視角成反比，因此既想看得遠(yuǎn)，又想看得寬闊和清晰，這是無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)焦距的鏡頭都只能在一定范圍內(nèi)達(dá)到最佳的監(jiān)看效果，所以如果監(jiān)看的距離較遠(yuǎn)且范圍較大，最好是增加攝像機(jī)的數(shù)量，或采用電動(dòng)變焦鏡頭配合云臺(tái)安裝。
5）工業(yè)鏡頭接口與工業(yè)相機(jī)接口要一致?，F(xiàn)在的工業(yè)相機(jī)和工業(yè)鏡頭通常都是CS型接口，CS型攝像機(jī)可以和CS型、C型鏡頭配接，但和C型鏡頭接配時(shí)，必須在工業(yè)鏡頭和工業(yè)相機(jī)之間加接配環(huán)，否則可能碰壞CCD成像面的保護(hù)玻璃，造成CCD工業(yè)相機(jī)的損壞。C型工業(yè)相機(jī)不能和CS型工業(yè)鏡頭配接。
近年來利用影像量測(cè)物品尺寸已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。由于相機(jī)，影像軟件及照明組件等設(shè)備的進(jìn)步，讓影像量測(cè)物品尺寸的精準(zhǔn)度能媲美或更勝于手動(dòng)或雷射光的量測(cè)。
整合光學(xué)系統(tǒng)工程的應(yīng)用，我們可發(fā)現(xiàn)光學(xué)產(chǎn)品的優(yōu)劣決定了系統(tǒng)的品質(zhì)，而遠(yuǎn)心鏡頭能執(zhí)行各種形式的光學(xué)量測(cè)。
軟件工程需要具高分辨率、高對(duì)比性和低幾何變形特性的拍攝影像來判斷出精準(zhǔn)的量測(cè)數(shù)據(jù)。
除了光學(xué)設(shè)備本身的要求，視角的選擇也具相當(dāng)?shù)闹匾?，在不適當(dāng)?shù)挠^測(cè)點(diǎn)下量測(cè)物體，會(huì)造成物體拍攝影像的扭曲。
除了影像處理過程中會(huì)造成的干擾，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者也同時(shí)將光學(xué)配備本身會(huì)影響光學(xué)量測(cè)精準(zhǔn)性的幾個(gè)限制納入考慮：
1．由于物體擺放位置而造成的不正常放大
2．影像的變形
3．視角選擇而造成的誤差
4．低影像分辨率
5．不適當(dāng)光源干擾下造成邊界的不確定性
遠(yuǎn)心鏡頭能有效降低甚至消除以上的問題，因此遠(yuǎn)心鏡頭也成為精密光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)決定性的因素。
圖一：不同鏡頭的光學(xué)原理
接下來我們簡(jiǎn)要的介紹遠(yuǎn)心鏡頭是如何有效降低噪聲及變形等問題。
一、放大倍率的一致性
光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)通常會(huì)自物體正上方拍攝(不紀(jì)錄物體側(cè)面)以測(cè)量其直徑或直線距離。由于許多機(jī)械零組件無法精準(zhǔn)定位或具有高度差或厚度等問題，工程師需要可靠光學(xué)量測(cè)系統(tǒng)來判定影像與物體的實(shí)際間距。
左上圖為利用遠(yuǎn)心鏡頭拍攝圓柱形零件上的齒條；左下圖為利用普通鏡頭拍攝同樣對(duì)象的影像；右上圖為兩個(gè)同樣對(duì)象置于相距100 mm下利用遠(yuǎn)心鏡頭拍的影像；右下圖為同樣情形下利用普通鏡頭捕捉的影像。
在一般標(biāo)準(zhǔn)鏡頭下，物體的影像大小會(huì)因?yàn)榕c鏡頭的距離(標(biāo)記為“s”)不同而改變。同樣的，不同大小的對(duì)象可能會(huì)受距離的影響而看起來相同。
反觀遠(yuǎn)心鏡頭能容許一定程度的距離改變，在＂限定景深＂或＂遠(yuǎn)心度區(qū)間＂內(nèi)，影像不會(huì)因物體與鏡頭間距離的改變而放大或縮小。
此特性是由于在光學(xué)系統(tǒng)中，只有與光軸平行的光束會(huì)被接收，因此遠(yuǎn)心鏡頭必須大于或等于被攝物體的直徑。
“Telecentric”這個(gè)單字是來自于希臘前綴”tele-”(遙遠(yuǎn))以及字根”center”(中心，在此代表著光學(xué)系統(tǒng)的軸心)，代表此光學(xué)系統(tǒng)的入射光線在通過遠(yuǎn)心鏡頭時(shí)是與鏡頭的中央軸心平行，而成像點(diǎn)會(huì)在遠(yuǎn)心鏡頭的焦點(diǎn)平面上。
在遠(yuǎn)心系統(tǒng)內(nèi)，唯有與軸心平行或接近平行的光束會(huì)被接受。
在此我們舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子來說明兩種光學(xué)系統(tǒng)的差異性。
首先我們使用一個(gè)焦距為12毫米的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭 (f = 12 mm) 及以1/3吋的偵測(cè)器為接口來測(cè)定放置于200毫米 (s = 200 mm) 外的20毫米 (H = 20 mm) 對(duì)象。當(dāng)對(duì)象位移1毫米 (ds = 1mm)時(shí)，其成像大小將會(huì)有約略0.1毫米的差異(如以下公式)。
dH = (ds/s) x H = (1/200)x 20 mm = 0,1 mm
在telecentric光學(xué)系統(tǒng)下，成像的大小的變化取決于” telecentric 曲線”，一個(gè)高品質(zhì)遠(yuǎn)心鏡頭的曲線角度(theta)能趨近于0.1°(0,0017 rad)，代表當(dāng)物體同樣移動(dòng)1毫米 (ds = 1mm) 時(shí)，其成像將只會(huì)有0.0017毫米的改變。
dH = ds x theta= 1 x 0,0017 mm = 0,0017 mm
因此相較于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，遠(yuǎn)心鏡頭能將放大倍率的誤差縮小至1/10或甚至1/100。
上圖：遠(yuǎn)心曲線決定了物體被移動(dòng)時(shí)成像改變的倍率。
“Telecentric range”或是” telecentric depth”代表在維持放大倍率下能擺設(shè)物體的范圍。然而當(dāng)物體不在telecentric range中并不代表鏡頭功能就不具遠(yuǎn)心的特性，影像的變異程度主要是由鏡頭的”遠(yuǎn)心曲線” (由前文的” theta”所定出來的) 或 ”遠(yuǎn)心度”所決定，這個(gè)曲線決定了物體在移動(dòng)時(shí)造成的影像誤差大小，然而當(dāng)主要入射光束與光軸”平行”時(shí)，成像的大小就不會(huì)因物體置放的距離而影響。由于遠(yuǎn)心鏡頭必須接收與光軸平行的入射光源，遠(yuǎn)心鏡頭的尺寸必須比拍攝物體還大，因此遠(yuǎn)心鏡頭會(huì)比一般鏡頭大且厚重，成本也比一般鏡頭高。
二、低失真度 (Distortion)
影像的變形是限制光學(xué)量測(cè)準(zhǔn)確性的重要因素之一，再好的鏡頭都還是無法避免。然而有時(shí)候一或數(shù)個(gè)像素的錯(cuò)誤可能具決定性的影響。 失真度也可以說是影像與實(shí)際畫面的差異度。失真度是利用影像點(diǎn)與影像中心位置的距離和在標(biāo)準(zhǔn)影像(未失真影像)的實(shí)際距離之間的差異來計(jì)算。舉例來說，一個(gè)與畫面中心距離200像素的標(biāo)的在影像畫面中只有和中心點(diǎn)間隔198個(gè)像素，其失真度則為：
distortion = (198-200)/200 = -2/200 = 1%
正向放射性失真 (Positive radial distortion) 也被稱為 “pincushion” 性失真，負(fù)向放射性失真 (negative radial distortion) 可被另稱為 “barrel” distortion。此類的變形和影像中心的距離大小有絕對(duì)的關(guān)聯(lián)性。
“pincushion” type distortion “barrel” type distortion
影像的失真可被視作真實(shí)畫面經(jīng)過二維幾何性變形的結(jié)果，由于通常不是線性改變而是二或三度的多項(xiàng)式的變形，影像會(huì)被些許的拉扯及扭曲。
一般的鏡頭具有數(shù)度或數(shù)十度的失真度，不過由于大部分的影像鏡頭是用在一般監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或普通攝影中，些許的影像失真是能被容許的，但此瑕疵讓精密影像測(cè)量變的困難。
高品質(zhì)的遠(yuǎn)心鏡頭只具有低于0.1%失真度的特性，雖然這個(gè)數(shù)次聽起來很小，但在高分辨率的攝影機(jī)下仍能造成將近一個(gè)像素的誤差。因此許多失真的影像會(huì)利用軟件做校正：將校正用圖樣(此圖樣的精密度必須比)置于鏡頭下方拍攝，之后利用軟件計(jì)算影像校正公式，將失真影像做校正。由于影像的失真程度與物體和鏡頭的距離有極高的關(guān)聯(lián)性，因此必須格外留意物體在被攝影時(shí)與鏡頭的距離。
除了與遠(yuǎn)心鏡頭的距離以外，物體和遠(yuǎn)心鏡頭之間必須盡量保持垂直以避免” non-axially symmetric distortion effects”，所謂的梯形性失真(或稱” Keystone” or thin prism effect”) 是另一個(gè)影像測(cè)量系統(tǒng)中必須克服的問題，如果拍攝物體沒有被放置于中心點(diǎn)，此類的影像通常據(jù)非對(duì)稱性也很難利用軟件校正。
為一張使用遠(yuǎn)心鏡頭所拍攝的不失真影像；中圖為同一個(gè)畫面但具放射性變形的影像；右圖為同一個(gè)畫面但具有梯形性失真的影像。
三、視角誤差
使用一般光學(xué)鏡頭拍攝非平面物體時(shí)，物體的大小會(huì)因?yàn)榫嚯x而改變。因此拍攝管柱形物體時(shí)，管柱頂端與底端會(huì)成被拍攝成像為同心圓而非同樣的雙圓。而在遠(yuǎn)心鏡頭下，圓柱底端則會(huì)與柱頂?shù)膱A完全重疊。
為一般鏡頭下常見的視角誤差。右圖由遠(yuǎn)心鏡頭所拍攝的影像能不會(huì)出現(xiàn)此問題。
這個(gè)現(xiàn)象是因?yàn)楣馐窂降奶厥庑远斐傻?，在一般光學(xué)鏡頭下，沒有與光軸平行的縱向光束會(huì)在感光源件上投射成平行距離，然而只些接收平行光束的遠(yuǎn)心鏡頭則不會(huì)有同樣的問題。
一般鏡頭通常會(huì)將3D物體的立體影像(包括空間距離)轉(zhuǎn)換成2D影像，而遠(yuǎn)心鏡頭只會(huì)紀(jì)錄2D平面影像而不受物體的立體距離影響，這個(gè)特性在影像量測(cè)系統(tǒng)中具有極大的優(yōu)勢(shì)。
一般鏡頭會(huì)將光束(鏡頭左邊)的縱向距離投射成平行影像，而遠(yuǎn)心鏡頭不會(huì)有這種情形
四、高影像分辨率
影像的分辨率是利用CTF(contrast transfer function)將影像的對(duì)比清晰度量化。
使用不同分辨率鏡頭拍攝USAF test pattern的結(jié)果：左圖高分辨率影像，右圖低分辨率影像。
很多影像系統(tǒng)是利用多個(gè)低畫素相機(jī)搭配低分辨率的便宜鏡頭，因而只得到非常模糊的影像。而遠(yuǎn)心鏡頭的高分辨率讓它能搭配低像素高分辨率的相機(jī)而依然得到良好的影像品質(zhì)。
五、銳利的邊緣影像
影像拍攝時(shí)，背景光線常常會(huì)讓物體的輪廓變的難以界定(border effects)，主要是因?yàn)楸尘暗膹?qiáng)光會(huì)與物體邊緣的陰影重疊，除此之外，當(dāng)光線自不同角度投射于物體上時(shí)，某些光源被物體反射后仍然被鏡頭所接收(如下圖十一所示)，這種光線常常會(huì)被誤判來自物體背后，造成邊緣判定上的誤差，因此當(dāng)物體具有高度立體特性時(shí)容易會(huì)出現(xiàn)誤差。
在一般鏡頭下常見的Border effects能在遠(yuǎn)心鏡頭下有明顯的改善
這個(gè)問題在遠(yuǎn)心鏡頭下能被明顯的改善，當(dāng)光圈縮的夠小時(shí)，只有與光軸平行的光束能通過鏡頭，因此被物體反射的光線就不會(huì)被接收，影像的精準(zhǔn)性也就能明顯提升。
如果想要更進(jìn)一步的提升影像的品質(zhì)，可利用collimated (或稱 “telecentric”) 照明設(shè)備搭配遠(yuǎn)心鏡頭，在這種配備能讓相機(jī)與光源互相配合，讓所有自collimated光源發(fā)出的光都能是被鏡頭所接收的平行光束，讓噪聲與曝光時(shí)間都能大幅的降低。除此之外，邊緣定位的問題也因光源的控制而有明顯的改善。
Collimated (telecentric)光源設(shè)備只提供與光軸接近平行的光束。
一、對(duì)工業(yè)鏡頭的選擇，我們首先必須確定客戶需求：
?1、視野范圍、光學(xué)放大倍數(shù)及期望的工作距離：
在選擇工業(yè)鏡頭時(shí)，會(huì)選擇比被測(cè)物體視野稍大一點(diǎn)的工業(yè)鏡頭，以有利于運(yùn)動(dòng)控制。
?2、景深要求：
對(duì)于對(duì)景深有要求的項(xiàng)目，盡可能使用小的光圈；在選擇放大倍率的工業(yè)鏡頭時(shí)，在項(xiàng)目許可下盡可能選用低倍率工業(yè)鏡頭。如果項(xiàng)目要求比較苛刻時(shí)，傾向選擇高景深的尖端工業(yè)鏡頭。
?3、芯片大小和相機(jī)接口 ：
例如2/3”工業(yè)鏡頭支持最大的工業(yè)相機(jī)耙面為2/3”,它是不能支持1英寸以上的工業(yè)相機(jī)。
?4、注意與光源的配合，選配合適的工業(yè)鏡頭。
?5、可安裝空間：在方案可選擇情況下，讓客戶更改設(shè)備尺寸是不現(xiàn)實(shí)的。
二、典型案例：齒輪項(xiàng)目
?1、該項(xiàng)目的基本要求是：檢測(cè)齒輪滾軸的安裝質(zhì)量（缺失）和滾軸的直徑公差200微米。在線檢測(cè)速度為2個(gè)/秒。
?2、相機(jī)的選擇：
客戶需求200um，根據(jù)精度 = FOV / Resolution，測(cè)量齒輪實(shí)際大小為48mm，加上邊緣寬度，以60mm作為FOV(H)，以此數(shù)據(jù)算的相機(jī)Resolution=FOV(H)/精度=60/0.2=300, 故選擇640*480分辨率,曝光時(shí)間至少1/2 S的工業(yè)相機(jī)。
?3、工業(yè)鏡頭的選擇
由于這個(gè)項(xiàng)目上對(duì)檢測(cè)環(huán)境沒有特殊要求，人為設(shè)定WD=200mm，CCD Size根據(jù)相機(jī)參數(shù)1/4”(對(duì)角線長度),乘16轉(zhuǎn)換為4mm，再根據(jù)4:3的比例，勾股定理算出水平的直角邊為3.2mm。根據(jù)Focus level/WD=CCD Size / FOV
f=CCD Size*WD/FOV=3.2*200/60=10.6mm，故選擇12mm定焦可滿足需求。
綜上所述選擇640*480分辨率、曝光時(shí)間為1/10000 S到30 S的工業(yè)相機(jī)，12mm定焦CCTV鏡頭。
產(chǎn)地
鏡頭類型
?
施耐德Schneider?德國?定焦、遠(yuǎn)心?
卡爾蔡司Zeiss
?德國?定焦、遠(yuǎn)心?
μTron
?日本?定焦、定倍、遠(yuǎn)心、連續(xù)變倍?
Moritex?日本?定焦、定倍、遠(yuǎn)心、連續(xù)變倍?
SPACECOM
?日本?百萬像素定焦?
COMPUTAR?日本?百萬像素定焦?
賓得PENTAX
?日本?百萬像素定焦?
騰龍TAMRON?日本?百萬像素定焦?
精工
?日本?百萬像素定焦?
VST
?日本?定焦、定倍、遠(yuǎn)心、連續(xù)變倍?
KOWA
?日本?
百萬像素定焦
?
視清VICO
?日本?
遠(yuǎn)心、定倍、定焦、百萬像素定焦
?
1、遠(yuǎn)心鏡頭運(yùn)用目的
遠(yuǎn)心鏡頭目的就是消除由于被測(cè)物體（或CCD芯片）離鏡頭距離的遠(yuǎn)近不一致，造成放大倍率不一樣。分為：物方遠(yuǎn)心鏡頭、像方遠(yuǎn)心鏡頭和雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭。物方遠(yuǎn)心鏡頭，通過在像方焦平面上放置孔徑光闌，使物方主光線平行于光軸，從而雖然物距改變，但成像位置不變。像方遠(yuǎn)心鏡頭，通過在物方焦平面上放置孔徑光闌，使像方主光線平行于光軸，從而雖然CCD芯片的安裝位置有改變，在CCD芯片上投影成像大小不變。雙側(cè)遠(yuǎn)心鏡頭，則是兼有以上兩種特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。
Q:遠(yuǎn)心鏡頭為何價(jià)格高，有何優(yōu)點(diǎn)？
A: 遠(yuǎn)心鏡頭的設(shè)計(jì)是采Telecentric原理，低失真、無視角誤差，較適合工業(yè)上量測(cè)應(yīng)用，所以價(jià)位較一般CCTV鏡頭高。遠(yuǎn)心鏡頭另有同軸鏡頭設(shè)計(jì)，提供不同工作距離,不同放大倍率供選擇。
Q: 遠(yuǎn)心鏡頭為何低倍率鏡頭價(jià)格反而高？
A: 因?yàn)門elecentric鏡頭為了要減少失真，讓平行光進(jìn)入，所以鏡頭設(shè)計(jì)必須比被照體大，所以低倍率鏡頭通?？趶蕉己艽?，所需的鏡片材料成本較高，所以價(jià)格較高。
Q: 同軸光鏡頭打同軸光時(shí)，中間亮度較亮旁邊整暗，是何原因？如何補(bǔ)救？
A: 因?yàn)橥S光鏡頭的投射光線集中于中心5~6㎜左右，如果看的范圍較大，邊緣附近光線較暗，這是低倍率同軸光鏡頭常有的現(xiàn)象。可以外加環(huán)形光源來補(bǔ)足光線不夠地方。
Q: 遠(yuǎn)心鏡頭可否搭配CCTV用的2倍鏡使用？
A: 可以，但是影像質(zhì)量變差，所需光強(qiáng)度更強(qiáng)，不建議使用。
Q: 遠(yuǎn)心鏡頭規(guī)格上，標(biāo)示鏡頭分解能(解析力)是代表什么意思？
A: 鏡頭解析力的定義是鏡頭能看清楚最小物體邊緣的能力，如果低于此分解能，就無法看清楚了。須另外找解析力更高的鏡頭，如高倍顯微物鏡。
Q: 遠(yuǎn)心鏡頭景深為何不能很長？
A: 遠(yuǎn)心鏡頭設(shè)計(jì)時(shí)即考慮到景深、倍率、光圈、工作距離等參數(shù)取得最佳點(diǎn)，所以景深均為固定的數(shù)值，如要增長景深，而犧牲別的參數(shù)，會(huì)影響鏡頭質(zhì)量。
Q: 如果要看到1μm的物體可用何種鏡頭？
A: 要看到小于1μm以下物體，必須用高倍顯微物鏡，但工作距離變得很小(約7㎜)，景深變得很淺了。
Q: 用遠(yuǎn)心鏡頭所放大的影像到底是多少倍？
A: 影像實(shí)總際放大倍率是等于鏡頭光學(xué)倍率×Monitor放大倍率，Monitor放大倍率是Monitor對(duì)角線除上CCD Sensor對(duì)角線(1/3〞CCD Sensor投射到14吋Monitor是59.3倍)。
Q: 遠(yuǎn)心鏡頭除了C-mount之外，可否提供其它mount選擇？
A: 除了C-mount之外，還有直徑φ17㎜及直徑φ12㎜二種mount供選擇，這些mount是針對(duì)筆型CCD專用的鏡頭。
三、像方遠(yuǎn)心光路原理及作用
像方主光線平行于光軸主光線的會(huì)聚中心位于物方無限遠(yuǎn)，稱之為：像方遠(yuǎn)心光路
作用：可以消除像方調(diào)焦不準(zhǔn)引入的測(cè)量誤差，用途：大地測(cè)量儀器
四、雙側(cè)遠(yuǎn)心光路原理及作用
綜合了物方/像方遠(yuǎn)心的雙重作用。主要用于視覺測(cè)量檢測(cè)領(lǐng)域。
優(yōu)勢(shì)：
1、大景深；
2、景深范圍內(nèi)物像倍率不變
3、低畸變通常<1%（全幅畫面）
4、垂直成像時(shí)，無投影現(xiàn)象
劣勢(shì)：
1、體積大、重量沉，由于平行光路入射，鏡頭的口徑要大于被攝物體
2、焦距固定，變焦困難
3、工作距離相對(duì)較短
4、光闌小，需要更強(qiáng)的照明
在設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)時(shí)，使用工業(yè)數(shù)字相機(jī)還是工業(yè)模擬相機(jī)是最重要的決定之一。二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但歸根結(jié)底要根據(jù)成本和一些關(guān)鍵操作因素來選擇。如果考慮了這些因素，哪一項(xiàng)技術(shù)更有優(yōu)勢(shì)就會(huì)明朗化了。
機(jī)器視覺基礎(chǔ)
機(jī)器視覺被應(yīng)用于自動(dòng)質(zhì)量檢驗(yàn)、工藝控制、參數(shù)測(cè)量和自動(dòng)組裝等等許多領(lǐng)域。在這些系統(tǒng)中，相機(jī)是決定著成本、速度和精度的關(guān)鍵組件。工業(yè)模擬相機(jī)和工業(yè)數(shù)字相機(jī)都可以用在這些系統(tǒng)中，而了解工業(yè)相機(jī)的性能規(guī)格及其在各種視覺任務(wù)中的重要性，對(duì)于把機(jī)器視覺付諸工業(yè)控制是最基本的一步。
機(jī)器視覺系統(tǒng)包括三個(gè)主要部分：工業(yè)相機(jī)、采集卡和存儲(chǔ)并分析圖像以提取信息的計(jì)算機(jī)（或圖像處理器）。圖像處理器和采集卡屬于相對(duì)容易選擇的電子裝置，它們的主要參數(shù)是存儲(chǔ)能力和處理速度。
工業(yè)相機(jī)是這些系統(tǒng)中情況最為復(fù)雜的部分?，F(xiàn)代的工業(yè)模擬相機(jī)和工業(yè)數(shù)字相機(jī)采用電荷耦合器件（CCD）或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）芯片來捕獲圖像并生成電子信號(hào)發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。
CCD和CMOS成像器由一系列方形光電池組成，它們將收集到的光子轉(zhuǎn)化為電子，并將生成的電荷積蓄起來。在CCD中，當(dāng)從芯片中每次讀取一個(gè)像素時(shí)，電荷被轉(zhuǎn)換成電壓；而在CMOS中，每個(gè)光敏器件旁邊的電路將光能轉(zhuǎn)化成電壓。
二者在圖像質(zhì)量上沒有明顯的優(yōu)劣之分?；贑MOS的工業(yè)相機(jī)需要的部件較少，電耗較低，提供數(shù)據(jù)的速度也比基于CCD的相機(jī)快； 但CCD則是更為成熟的技術(shù)，能夠以較低的噪聲提供質(zhì)量更好的圖像，而弱點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，不太靈活，部件較多和電耗較高。
信號(hào)精度
CCD和CMOS芯片在內(nèi)部都生成模擬信號(hào)，因此，模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)之間的主要區(qū)別在于圖像是在哪里被數(shù)字化的。數(shù)字相機(jī)在相機(jī)里將信號(hào)數(shù)字化，并且通過串行總線接口（比如FireWire, USB, Camera Link, Gigabit Ethernet）將信號(hào)以數(shù)字方式傳輸給計(jì)算機(jī)（或圖像處理器）。而在另一方面，模擬相機(jī)系統(tǒng)并不是在其內(nèi)部將圖像信號(hào)數(shù)字化（數(shù)字化是由計(jì)算機(jī)完成的），所以，模擬信息是通過同軸電纜而進(jìn)行傳輸?shù)摹?/p>
盡管兩種方法都能夠有效地傳輸信號(hào)，但模擬信號(hào)可能會(huì)由于工廠內(nèi)其他設(shè)備（比如電動(dòng)機(jī)或高壓電纜）的電磁干擾而造成失真。隨著噪聲水平的提高，模擬相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍（原始信號(hào)與噪聲之比）會(huì)降低。動(dòng)態(tài)范圍決定了有多少信息能夠被從相機(jī)傳輸給計(jì)算機(jī)。
數(shù)字信號(hào)不受電噪聲影響，因此，數(shù)字相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍更高，能夠向計(jì)算機(jī)傳輸更精確的信號(hào)。數(shù)字相機(jī)的典型動(dòng)態(tài)范圍在55分貝到60分貝之間，而模擬相機(jī)則為45分貝到50分貝左右。
所用電纜的長度和類型也影響著信號(hào)的精度。模擬相機(jī)的電纜簡(jiǎn)單而且便宜，在電噪聲導(dǎo)致信號(hào)嚴(yán)重失真之前能夠?qū)⑿盘?hào)可靠地300米以上。由于數(shù)字相機(jī)傳輸?shù)氖歉邘捫盘?hào)，電纜的長度受電纜中信號(hào)良師衰減（損失）水平的限制。根據(jù)使用的通信協(xié)議的不同，電纜的典型長度如下：
· FireWire：大約10米到20米
· USB：大約10米到 20米
· Camera Link：大約10米
現(xiàn)在，市場(chǎng)上有了采用千兆位以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電纜的新系統(tǒng)。這些電纜能夠?qū)?shù)字圖像數(shù)據(jù)傳輸100米左右而不發(fā)生損失。
分辨率和捕獲速度
分辨率是描述相機(jī)性能的重要參數(shù)之一，它包括兩個(gè)方面：
· 陣列中傳感單元或稱像素的數(shù)量
· 每個(gè)傳感單元的大小
模擬相機(jī)通常是基于視頻圖形陣列（VGA）成像格式，分辨率被限制在大約640×480像素。這只是機(jī)器視覺系統(tǒng)要求的下限。而在另一方面，數(shù)字相機(jī)能夠達(dá)到80兆像素甚至更高。模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)典型的像素大小在3微米到20微米范圍內(nèi)。
第二個(gè)重要參數(shù)是幀速，或者說相機(jī)連續(xù)提供圖像的速度。幀速越高，在給定時(shí)間內(nèi)能夠完成的檢驗(yàn)、測(cè)量或識(shí)別工作就越多。像素?cái)?shù)和幀速之間存在著相互影響，所以，相機(jī)的像素?cái)?shù)越多，其幀速越低。但是，這并非是一成不變的規(guī)則，因?yàn)槌叽缭叫〉陌雽?dǎo)體轉(zhuǎn)換速度通常就越快，所以像素?cái)?shù)相同的兩臺(tái)相機(jī)可能具有差別很大的幀速。
640×480像素模擬相機(jī)的典型幀速為每秒30幀，而分辨率為2兆像素（1600×1200像素）的數(shù)字相機(jī)能夠達(dá)到相同的幀速。16兆像素的數(shù)字相機(jī)幀速約為每秒3幀。
另外，相機(jī)傳感器可采用多端口設(shè)計(jì)，將圖像分解成片段以同時(shí)讀出。還可以在軟件的控制下只讀取圖像中“感興趣”的部位而不是讀取全部傳感器陣列，同樣能夠縮短傳輸時(shí)間。
其他因素
除了分辨率和幀速，其他重要的設(shè)計(jì)因素還包括動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。
動(dòng)態(tài)范圍或圖像每個(gè)像素的字節(jié)數(shù)決定著采集卡需要的存儲(chǔ)容量以及圖像處理器需要的算法精度。它也影響著傳感器的曝光寬容度。每像素只有幾個(gè)字節(jié)的相機(jī)將無法像字節(jié)數(shù)更高的相機(jī)那樣滿足很寬的照明條件范圍。一般來說，數(shù)字相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)更好一些，因?yàn)樗鼈兊目乖肼曅阅芨谩?/p>
傳感器靈敏度也決定著可靠地使用相機(jī)所需要的照明條件。在光線不好或者為防止運(yùn)動(dòng)圖像模糊而提高快門速度的情況下，要求相機(jī)具有更高的靈敏度。
同波長有關(guān)的相機(jī)靈敏度也許非常重要。根據(jù)應(yīng)用的不同，可能需要采用發(fā)光二極管甚至紅外或紫外照明，相機(jī)的波長靈敏度也應(yīng)當(dāng)匹配。最后，相機(jī)生成彩色或者單色圖像的能力也十分重要。
關(guān)于總成本的考慮
各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)共同影響著相機(jī)的成本。典型情況下，由于傳感器尺寸的原因，像素?cái)?shù)越高的相機(jī)就越昂貴。與此類似，在一定的分辨率下，幀速提高，成本也趨向于增加。同時(shí)提高幀速和分辨率通常要求相機(jī)具有多端口讀出，這使系統(tǒng)的復(fù)雜程度增加，因而提高了成本。
從上世紀(jì)七十年代起，許多供應(yīng)商都開始提供基于CCD和CMOS技術(shù)的模擬相機(jī)。典型的價(jià)位在200美元左右。模擬相機(jī)采集卡的價(jià)位也在200美元左右。
相比之下，數(shù)字相機(jī)的價(jià)位在1,000美元到20,000美元范圍內(nèi)大幅度變化，數(shù)字相機(jī)采集卡的價(jià)位在1,000美元到2,000美元之間。但是，隨著數(shù)字相機(jī)和采集卡變得越來越普及，它們的價(jià)位也在逐漸降低。
在對(duì)成本進(jìn)行比較時(shí)，設(shè)備的價(jià)格還只是問題的一個(gè)方面。設(shè)計(jì)人員還必須考慮軟件、硬件、安裝、維護(hù)和升級(jí)等方面的成本，還有，給定的相機(jī)技術(shù)是否能夠達(dá)到要求的性能。
完成特定任務(wù)所需要的工業(yè)相機(jī)數(shù)量在安裝成本中占到了一定比例。舉例來說，從1毫米見方的檢驗(yàn)區(qū)域中解析出1微米見方的片段，可能需要用到5臺(tái)模擬相機(jī)和采集卡，而這些制備必須保持同步以獲得清晰的圖像。
只使用1臺(tái)百萬像素的工業(yè)數(shù)字相機(jī)和采集卡就可以解析同樣大小的區(qū)域，而且無需在計(jì)算機(jī)中同步處理多幅圖像。例如，一家汽車制造商的保險(xiǎn)杠檢驗(yàn)系統(tǒng)需要12臺(tái)模擬相機(jī)、12片采集卡12套軟件和3臺(tái)計(jì)算機(jī)。公司發(fā)現(xiàn)，就算可能，使所有相機(jī)的圖像同步化以獲得一幅保險(xiǎn)杠的可靠圖像也是難度相當(dāng)大的。用1臺(tái)百萬像素的數(shù)字相機(jī)、1片采集卡和1臺(tái)計(jì)算機(jī)取代了這個(gè)相機(jī)陣列后，系統(tǒng)的安裝和維護(hù)都變得十分簡(jiǎn)單和方便。
一般來說，典型的數(shù)字相機(jī)需要更長的時(shí)間進(jìn)行安裝和設(shè)定，但對(duì)于前述應(yīng)用實(shí)例而言，需要的數(shù)字相機(jī)數(shù)量大為減少。因此，維護(hù)成本也將大幅度降低。另外，數(shù)字相機(jī)的功能性和靈活性都更強(qiáng)，能夠快速重新編程，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中即可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)固件升級(jí)。而相比之下，模擬相機(jī)則必須被送回制造廠才能進(jìn)行性能升級(jí)。
最后一項(xiàng)成本因素是功率消耗。典型的模擬相機(jī)需要5瓦到10瓦操作功率，而分辨率指標(biāo)相當(dāng)?shù)臄?shù)字相機(jī)則不到1瓦。
應(yīng)用要求
對(duì)于一項(xiàng)應(yīng)用，選擇什么樣的工業(yè)相機(jī)合適，取決于機(jī)器視覺系統(tǒng)想要達(dá)到什么目標(biāo)。視覺檢驗(yàn)、非接觸式測(cè)量、物體識(shí)別和定位是三個(gè)常見的應(yīng)用，每一個(gè)都有不同的要求。
典型的檢驗(yàn)系統(tǒng)將圖像同模板或者“已知合格品”圖像進(jìn)行對(duì)比以檢查偏差。高質(zhì)量的圖像一般需要用圖像處理器來進(jìn)行可靠的對(duì)比。這意味著，工業(yè)相機(jī)必須同時(shí)具有高分辨率和每像素足夠的字節(jié)數(shù)。可能也需要彩色成像能力。
非接觸式測(cè)量計(jì)算一個(gè)物體占據(jù)的像素?cái)?shù)量，并將計(jì)數(shù)結(jié)果轉(zhuǎn)化成尺寸數(shù)值。這樣的系統(tǒng)可能需要高分辨率，而每像素的字節(jié)數(shù)要求可能不必太高。圖像處理器通常只提取圖像的邊緣或外形輪廓信息，所以，一般并沒有很高的動(dòng)態(tài)范圍和彩色能力要求。
物體識(shí)別和定位有各種各樣的要求。在許多情況下，圖像處理系統(tǒng)在圖像中搜尋以識(shí)別出基準(zhǔn)特征。需要的分辨率取決于這些特征相對(duì)于整個(gè)圖像尺寸的大小。識(shí)別系統(tǒng)可能會(huì)需要彩色成像能力。
為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇相機(jī)時(shí)要認(rèn)真考慮工業(yè)相機(jī)的性能和成本。雖然工業(yè)模擬相機(jī)遠(yuǎn)比工業(yè)數(shù)字相機(jī)便宜，但它們的分辨率和圖像質(zhì)量較低，所以可能會(huì)被局限在要求不太高的應(yīng)用中。數(shù)字相機(jī)比模擬相機(jī)昂貴，但它們的高成本可能值得為要求高速度、高準(zhǔn)確度和高精度的應(yīng)用而付出。
四種工業(yè)相機(jī)接口技術(shù)的比較
接口技術(shù)
GigE
Firewire
USB
Camera Link
?
標(biāo)準(zhǔn)類型
Commercial
Consumer
Consumer
Commercial
?
連接方式
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或LAN link
(Cat 5 TP - RJ45)
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)
– 共享總線
主/從
– 共享總線
點(diǎn)對(duì)點(diǎn)
– (MDR 26 pin)
?
帶寬
<1000Mb/s
連續(xù)模式
<400Mb/s
連續(xù)模式
<12Mb/s USB1 <480Mb/s USB2 突發(fā)模式
<2380Mb/s (base) <7140Mb/s (full)
連續(xù)模式
?
距離:
-max w/switch
-max w/fiber
<100m(no switch)
No Limit
No Limit
<4.5m
72m
200m
<5m
30m
<10m
?
可連接設(shè)備數(shù)量
Unlimited
63
127
1
?
PC Interface
GigE NIC
PCI card
PCI card
PCI Frame grabber
?
1、模擬相機(jī)&&數(shù)字相機(jī)
模擬相機(jī)必須帶數(shù)字采集卡，標(biāo)準(zhǔn)的模擬相機(jī)分辨率很低，另外幀率也是固定的。這個(gè)要根據(jù)實(shí)際需求來選擇。另外模擬相機(jī)采集到的是模擬信號(hào)，經(jīng)數(shù)字采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸存儲(chǔ)。模擬信號(hào)可能會(huì)由于工廠內(nèi)其他設(shè)備（比如電動(dòng)機(jī)或高壓電纜）的電磁干擾而造成失真。隨著噪聲水平的提高，模擬相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍（原始信號(hào)與噪聲之比）會(huì)降低。動(dòng)態(tài)范圍決定了有多少信息能夠被從相機(jī)傳輸給計(jì)算機(jī)。數(shù)字相機(jī)采集到的是數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)不受電噪聲影響，因此，數(shù)字相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍更高，能夠向計(jì)算機(jī)傳輸更精確的信號(hào)。
2、相機(jī)分辨率
根據(jù)系統(tǒng)的需求來選擇相機(jī)分辨率的大小，下面以一個(gè)應(yīng)用案例來分析。
應(yīng)用案例：假設(shè)檢測(cè)一個(gè)物體的表面劃痕，要求拍攝的物體大小為10*8mm,要求的檢測(cè)精度是0.01mm。首先假設(shè)我們要拍攝的視野范圍在12*10mm,那么相機(jī)的最低分辨率應(yīng)該選擇在：(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,約為120萬像素的相機(jī)，也就是說一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)檢測(cè)的缺陷的話，那么最低分辨率必須不少于120萬像素，但市面上常見的是130萬像素的相機(jī)，因此一般而言是選用130萬像素的相機(jī)。但實(shí)際問題是，如果一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)缺陷的話，那么這樣的系統(tǒng)一定會(huì)極不穩(wěn)定，因?yàn)殡S便的一個(gè)干擾像素點(diǎn)都可能被誤認(rèn)為缺陷，所以我們?yōu)榱颂岣呦到y(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，最好取缺陷的面積在3到4個(gè)像素以上，這樣我們選擇的相機(jī)也就在130萬乘3以上，即最低不能少于300萬像素，通常采用300萬像素的相機(jī)為最佳(我見過最多的人抱著亞像素不放說要做到零點(diǎn)幾的亞像素，那么就不用這么高分辨率的相機(jī)了。比如他們說如果做到0.1個(gè)像素，就是一個(gè)缺陷對(duì)應(yīng)0.1個(gè)像素，缺陷的大小是由像素點(diǎn)個(gè)數(shù)來計(jì)算的，試問0.1個(gè)像素的面積怎么來表示？這些人以亞像素來忽悠人，往往說明了他們的沒有常識(shí)性)。換言之，我們僅僅是用來做測(cè)量用，那么采用亞像素算法，130萬像素的相機(jī)也能基本上滿足需求，但有時(shí)因?yàn)檫吘壡逦鹊挠绊?，在提取邊緣的時(shí)候，隨便偏移一個(gè)像素，那么精度就受到了極大的影響。故我們選擇300萬的相機(jī)的話，還可以允許提取的邊緣偏離3個(gè)像素左右，這就很好的保證了測(cè)量的精度。
3、CCD&CMOS
如果要求拍攝的物體是運(yùn)動(dòng)的，要處理的對(duì)象也是實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的物體，那么當(dāng)然選擇CCD芯片的相機(jī)為最適宜。但有的廠商生產(chǎn)的CMOS相機(jī)如果采用幀曝光的方式的話，也可以當(dāng)作CCD來使用的。又假如物體運(yùn)動(dòng)的速度很慢，在我們?cè)O(shè)定的相機(jī)曝光時(shí)間范圍內(nèi)，物體運(yùn)動(dòng)的距離很小，換算成像素大小也就在一兩個(gè)像素內(nèi)，那么選擇CMOS相機(jī)也是合適的。因?yàn)樵谄毓鈺r(shí)間內(nèi)，一兩個(gè)像素的偏差人眼根本看不出來(如果不是做測(cè)量用的話)，但超過2個(gè)像素的偏差，物體拍出來的圖像就有拖影，這樣就不能選擇CMOS相機(jī)了。
4、彩色&黑白
如果要處理的是與圖像顏色有關(guān)，那當(dāng)然是采用彩色相機(jī)，否則建議你用黑白的，因?yàn)楹诎椎耐瑯臃直媛实南鄼C(jī)，精度比彩色高，尤其是在看圖像邊緣的時(shí)候，黑白的效果更好。
5、幀率
根據(jù)要檢測(cè)的速度，選擇相機(jī)的幀率一定要大于或等于檢測(cè)速度，等于的情況就是你處理圖像的時(shí)間一定要快，一定要在相機(jī)的曝光和傳輸?shù)臅r(shí)間內(nèi)完成。
6、線陣&面陣
對(duì)于檢測(cè)精度要求很高，面陣相機(jī)的分辨率達(dá)不到要求的情況下，當(dāng)然線陣相機(jī)是必然的一個(gè)選擇。
7、傳輸接口
根據(jù)傳輸?shù)木嚯x、穩(wěn)定性、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小（帶寬）選擇USB、1394、Camerlink、百兆/千兆網(wǎng)接口的相機(jī)。
8、CCD靶面
靶面尺寸的大小會(huì)影響到鏡頭焦距的長短，在相同視角下，靶面尺寸越大，焦距越長。在選擇相機(jī)時(shí)，特別是對(duì)拍攝角度有比較嚴(yán)格要求的時(shí)候，CCD靶面的大小，CCD與鏡頭的配合情況將直接影響視場(chǎng)角的大小和圖像的清晰度。因此在選擇CCD尺寸時(shí)，要結(jié)合鏡頭的焦距、視場(chǎng)角一起選擇，一般而言，選擇CCD靶面要結(jié)合物理安裝的空間來決定鏡頭的工作距離是否在安裝空間范圍內(nèi)，要求鏡頭的尺寸一定要大于或等于相機(jī)的靶面尺寸。
9、相機(jī)的價(jià)格
同樣參數(shù)的相機(jī)，不同的廠家價(jià)格各不相同，這就靠大家與廠家溝通和協(xié)商了。一般說來，如果你有量的話，整體價(jià)格跟你單買一個(gè)的價(jià)格是差別很大的。
工業(yè)相機(jī)到傳感器對(duì)應(yīng)放大倍率
工業(yè)相機(jī)像幅
傳感器尺寸( 對(duì)角線 )
?
9’’
12’’
13’’
20’’
27’’
?
1/4’’
57.2x
76.2x
82.6x
127x
171.5x
?
1/3’’
38.1x
50.7x
55.0x
84.6x
114.1x
?
1/2’’
28.6x
38.1x
41.3x
63.5x
85.7x
?
2/3’’
20.8x
27.7x
30.0x
46.2x
62.3x
?
1’’
14.3x
22.2x
23.8x
31.8x
42.9x
?
1. 什么是CCD攝像機(jī)？
CCD是Charge Coupled Device(電荷耦合器件)的縮寫，它是一種半導(dǎo)體成像器件，因而具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。
2. CCD攝像機(jī)的工作方式
被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號(hào)輸出。視頻信號(hào)連接到監(jiān)視器或電視機(jī)的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。
3. 分辨率的選擇
評(píng)估攝像機(jī)分辨率的指標(biāo)是水平分辨率，其單位為線對(duì)，即成像后可以分辨的黑白線對(duì)的數(shù)目。常用的黑白攝像機(jī)的分辨率一般為380-600，彩色為380-480，其數(shù)值越大成像越清晰。一般的監(jiān)視場(chǎng)合，用400線左右的黑白攝像機(jī)就可以滿足要求。而對(duì)于醫(yī)療、圖像處理等特殊場(chǎng)合，用600線的攝像機(jī)能得到更清晰的圖像。
4. 成像靈敏度
通常用最低環(huán)境照度要求來表明攝像機(jī)靈敏度，黑白攝像機(jī)的靈敏度大約是0.02-0.5Lux(勒克斯)，彩色攝像機(jī)多在1Lux以上。0.1Lux的攝像機(jī)用于普通的監(jiān)視場(chǎng)合；在夜間使用或環(huán)境光線較弱時(shí)，推薦使用0.02Lux的攝像機(jī)。與近紅外燈配合使用時(shí)， 也必須使用低照度的攝像機(jī)。另外攝像的靈敏度還與鏡頭有關(guān)，0.97Lux/F0.75相當(dāng)于2.5Lux/F1.2相當(dāng)于3.4Lux/F1.
5. 參考環(huán)境照度：
夏日陽光下 100000Lux 陰天室外 10000Lux
電視臺(tái)演播室 1000Lux 距60W臺(tái)燈60cm桌面 300Lux
室內(nèi)日光燈 100Lux 黃昏室內(nèi) 10Lux
20cm處燭光 10-15Lux 夜間路燈 0.1Lux
6. 電子快門
電子快門的時(shí)間在1/50-1/100000秒之間， 攝像機(jī)的電子快門一般設(shè)置為自動(dòng)電子快門方式，可根據(jù)環(huán)境的亮暗自動(dòng)調(diào)節(jié)快門時(shí)間，得到清晰的圖像。有些攝像機(jī)允許用戶自行手動(dòng)調(diào)節(jié)快門時(shí)間，以適應(yīng)某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合。
7. 外同步與外觸發(fā)
外同步是指不同的視頻設(shè)備之間用同一同步信號(hào)來保證視頻信號(hào)的同步，它可保證不同的設(shè)備輸出的視頻信號(hào)具有相同的幀、行的起止時(shí)間。為了實(shí)現(xiàn)外同步，需要給攝像機(jī)輸入一個(gè)復(fù)合同步信號(hào)(C-sync)或復(fù)合視頻信號(hào)。外同步并不能保證用戶從指定時(shí)刻得到完整的連續(xù)的一幀圖像，要實(shí)現(xiàn)這種功能，必須使用一些特殊的具有外觸發(fā)功能的攝像機(jī)。
8. 光譜響應(yīng)特性
CCD器件由硅材料制成，對(duì)近紅外比較敏感，光譜響應(yīng)可延伸至1.0um左右。其響應(yīng)峰值為綠光(550nm)。夜間隱蔽監(jiān)視時(shí)，可以用近紅外燈照明，人眼看不清環(huán)境情況，在監(jiān)視器上卻可以清晰成像。由于CCD傳感器表面有一層吸收紫外的透明電極，所以CCD對(duì)紫外不敏感。彩色攝像機(jī)的成像單元上有紅、綠、蘭三色濾光條，所以彩色攝像機(jī)對(duì)紅外、紫外均不敏感。
9. CCD芯片的尺寸
CCD的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等， 成像尺寸越小的攝像機(jī)的體積可以做得更小些。在相同學(xué)鏡頭下，成像尺寸越大，視場(chǎng)角越大。
機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分為CMOS攝像頭和CCD攝像頭兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。
在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，包含獨(dú)立的工業(yè)攝像頭，采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的電氣接口，如火線IEEE1394接口攝像頭、USB接口攝像頭或千兆以太網(wǎng)GigE攝像頭(GigE Vision interface)等。機(jī)器視覺攝像頭的典型應(yīng)用可分為離線處理功能的攝像頭和在線處理功能的攝像頭。
離線處理功能的攝像頭可單獨(dú)對(duì)攝像頭供電，并可通過電氣接口將原始數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)。視頻傳輸既可以是連續(xù)幀，也可以是單幀數(shù)據(jù)，具體取決于應(yīng)用的需要。單幀捕獲與視頻傳輸被稱作觸發(fā)模式，需要外部系統(tǒng)通常以CMOS級(jí)向攝像頭系統(tǒng)發(fā)送電子脈沖。攝像頭邏輯將啟動(dòng)一個(gè)幀集成，并通過電氣接口將掃描的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)。在某些情況下，原始數(shù)據(jù)通過總線與同步信號(hào)、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)一起發(fā)送給幀接收器等終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。幀接收器在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，隨后可由主機(jī)應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存取以處理和控制。
離線處理的一大優(yōu)勢(shì)在于，單靠一個(gè)主機(jī)就能滿足攝像頭操控與系統(tǒng)控制兩者之需。但是由于視頻數(shù)據(jù)從攝像頭每幀傳輸存在一定的延遲，因此這種處理方式不適用于實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用，比如器件生產(chǎn)過程中傳送帶上的產(chǎn)品檢查。
由于近來DSP處理器發(fā)展非常快，已經(jīng)具備實(shí)時(shí)執(zhí)行復(fù)雜算法的計(jì)算功能，因此也使得攝像頭的在線處理成為可能。在線處理功能的攝像頭包括感應(yīng)器與DSP處理器，二者可通過非粘接邏輯、也可通過某種粘接邏輯連接。DMA 將感應(yīng)器掃描的視頻直接發(fā)送至DSP 存儲(chǔ)器，并進(jìn)行逐幀處理。控制函數(shù)的最終結(jié)果由處理器在被控制的系統(tǒng)中直接啟動(dòng)，或在主機(jī)上作為命令啟動(dòng)。
在線處理功能的攝像頭進(jìn)行視頻處理的優(yōu)勢(shì)在于，數(shù)據(jù)處理可實(shí)時(shí)進(jìn)行，而且在火線、USB 或千兆以太網(wǎng)接口上沒有分組處理的負(fù)擔(dān)?？刹捎米止?jié)優(yōu)化型匯編代碼，在時(shí)鐘頻率超過300 MHz的DSP處理器上加快實(shí)時(shí)處理速度。
圖像算法的實(shí)時(shí)處理對(duì)檢查應(yīng)用至關(guān)重要，例如，能夠檢查出傳送帶上移動(dòng)過快的的器件。一個(gè)幀圖像的計(jì)算完成并采取相應(yīng)行動(dòng)后，才可以繼續(xù)向系統(tǒng)傳輸下一個(gè)圖像幀。
在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)依據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境來選擇攝像頭，不管是離線處理功能的攝像頭還是在線處理功能的攝像頭，都具有各自的技術(shù)特點(diǎn)，選擇合適合理的攝像頭才能更好的體現(xiàn)出機(jī)器視覺系統(tǒng)的優(yōu)越性。
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互補(bǔ)式金屬氧化物半導(dǎo)體的英文縮寫，它將NMOS和PMOS二個(gè)相反極性的MOS半導(dǎo)體串起來，形成了集成電路中廣泛使用的一個(gè)基本單元。例如計(jì)算機(jī)中用量最大的內(nèi)存——?jiǎng)討B(tài)存儲(chǔ)器，就是用CMOS工藝制造的。
CMOS的攝像機(jī)并不比CCD攝像機(jī)出現(xiàn)的時(shí)間晚多少，CCD在六十年代末，而CMOS在七十年代初相繼開發(fā)出來，后來之所以CCD占了統(tǒng)治地位，是因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)的工藝制造技術(shù)條件下，CMOS的圖像質(zhì)量太差了。直至1990年，新工藝的發(fā)展，使開發(fā)人員再一次對(duì)CMOS產(chǎn)生了興趣，主要是看到了CMOS的低功耗、高集成(整個(gè)攝像機(jī)集成在一片晶體內(nèi))、低制造成本(基于不需重新建立新的生產(chǎn)線，可以在已有的主流的邏輯和存儲(chǔ)器CMOS流水線中進(jìn)行)。經(jīng)過大量的投入和努力，CMOS攝像機(jī)在近幾年已獲得了極大的成功，已形成了對(duì)CCD的強(qiáng)大挑戰(zhàn)。形成了CCD和CMOS二個(gè)激烈競(jìng)爭(zhēng)的發(fā)展方向和陣營。
在過去，CMOS圖像傳感器給人的印象是低端產(chǎn)品，例如商務(wù)用傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀，到今日，以娛樂為主的攝像機(jī)、手機(jī)拍攝組件，直至大紫大紅的網(wǎng)上攝像機(jī)也多為CMOS傳感器。同時(shí)，CMOS攝像機(jī)在圖像質(zhì)量上已取得長足的進(jìn)步，即使在對(duì)圖像質(zhì)量要求較高的投影儀上也獲得了使用。
無論是CMOS還是CCD，它們都是用光敏像元陣列將入射的光圖像轉(zhuǎn)換成像元內(nèi)的電荷，所不同的是將這些像元中的電荷取出，并轉(zhuǎn)換成電壓的方式和途徑不同。CCD是用電荷量來載荷圖像信息的，而CMOS是用電壓量來載荷圖像信息的。
CMOS和CCD的工作過程如下圖所示，從圖可以看出，CCD像元將光轉(zhuǎn)換為電荷后，用電荷耦合的方法，將電荷逐點(diǎn)、逐行地用電荷移位寄存器移出，直至電荷/電壓轉(zhuǎn)換器，圖像信息用電荷的形式在芯片內(nèi)移動(dòng)輸出；而CMOS則以完全不同的方式將圖像信息送出像元陣列，從圖(b)可以看出，每一個(gè)像元光敏單元都有一個(gè)電荷/電壓轉(zhuǎn)換單元與之相伴，所以像元電荷馬上轉(zhuǎn)換成為電壓，再通過與之對(duì)應(yīng)的矩陣開關(guān)，將電壓送出陣列，所以CMOS的圖像信息是以電壓的形式傳送輸出的。由于這種完全不同的結(jié)構(gòu)，為它們帶來了各自的長處和短處。
CCD和CMOS工作過程示意圖
CMOS攝像機(jī)有超強(qiáng)的集成度、低功耗和小尺寸的優(yōu)勢(shì)；但在圖像質(zhì)量，特別在低照度下和靈活性方面就要遜色多了。所以CMOS適合于批量大、有空間和重量限制，而圖像質(zhì)量要求不是太高的領(lǐng)域，例如保安、生物測(cè)量儀等領(lǐng)域使用，包括機(jī)器視覺系統(tǒng)中對(duì)圖像質(zhì)量要求不嚴(yán)的場(chǎng)合，例如數(shù)字或文學(xué)識(shí)別、易區(qū)分的缺陷檢測(cè)、簡(jiǎn)單物體幾何分類、簡(jiǎn)單場(chǎng)景自動(dòng)導(dǎo)航等等。
機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。
由于機(jī)器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動(dòng)處理，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)過程中，人們將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。
半導(dǎo)體行業(yè)是最先利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的行業(yè)，其他行業(yè)也隨之而來。作為生產(chǎn)機(jī)械的OEM的設(shè)計(jì)工程師，最基本的問題就是：“我是要檢測(cè)這個(gè)部件還是整個(gè)這個(gè)產(chǎn)品”。檢測(cè)可以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，但是也會(huì)有這樣的事實(shí)存在：檢測(cè)成本或者產(chǎn)品質(zhì)量要求并不需要這樣的檢測(cè)。比如說牙簽，假設(shè)在一個(gè)裝有500個(gè)牙簽的盒子里有一兩個(gè)不合格，大多數(shù)人都不會(huì)怎么擔(dān)心。但是對(duì)于很多產(chǎn)品，假如前面的盒子里裝的不是牙簽，而是針頭，試想不合格品可能會(huì)帶來什么樣的后果，所以產(chǎn)品功能性的檢測(cè)都是不可缺少的，即使只是外觀檢測(cè)，要證明內(nèi)在的品質(zhì)也必須要做到無缺陷。因此，為了達(dá)到這個(gè)目的，許多OEM將機(jī)器視覺應(yīng)用到他們將要賣給用戶的系統(tǒng)中。機(jī)器視覺能夠?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)增值，表現(xiàn)在三個(gè)方面：提高生產(chǎn)效率，提高制造過程的精確性，減少成本。
那么，對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)工程師來說，怎么樣才能知道機(jī)器視覺是否適合他的系統(tǒng)呢？盡管最早的最基本的機(jī)器視覺系統(tǒng)在20世紀(jì)70年代引入，工業(yè)就將其視為主流應(yīng)用。這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)工程師要考慮它是否合適他們的應(yīng)用，同時(shí)要考慮利用機(jī)器視覺檢測(cè)的成本與其所能帶來的利潤。
高復(fù)雜度產(chǎn)品行業(yè)，比如說半導(dǎo)體行業(yè)和電子行業(yè)，由于它們的復(fù)雜性和小型化，從傳統(tǒng)上推動(dòng)著機(jī)器視覺市場(chǎng)的發(fā)展。但是如今，所有產(chǎn)業(yè)，包括自動(dòng)化、制藥、造紙等等都依靠機(jī)器視覺系統(tǒng)檢測(cè)產(chǎn)品以提高產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)專家們預(yù)言：在未來的20年到50年，機(jī)器視覺將成為橫跨所有行業(yè)的通用性技術(shù)，幾乎所有出產(chǎn)的產(chǎn)品都會(huì)由機(jī)器視覺系統(tǒng)來檢測(cè)。
使用機(jī)器視覺系統(tǒng)有以下五個(gè)主要原因：
精確性——由于人眼有物理?xiàng)l件的限制，在精確性上機(jī)器有明顯的優(yōu)點(diǎn)。即使人眼依靠放大鏡或顯微鏡來檢測(cè)產(chǎn)品，機(jī)器仍然會(huì)更加精確，因?yàn)樗木饶軌蜻_(dá)到千分之一英寸。
重復(fù)性——機(jī)器可以以相同的方法一次一次的完成檢測(cè)工作而不會(huì)感到疲倦。與此相反，人眼每次檢測(cè)產(chǎn)品時(shí)都會(huì)有細(xì)微的不同，即使產(chǎn)品時(shí)完全相同的。
速度——機(jī)器能夠更快的檢測(cè)產(chǎn)品。特別是當(dāng)檢測(cè)高速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)，比如說生產(chǎn)線上，機(jī)器能夠提高生產(chǎn)效率。
客觀性——人眼檢測(cè)還有一個(gè)致命的缺陷，就是情緒帶來的主觀性，檢測(cè)結(jié)果會(huì)隨工人心情的好壞產(chǎn)生變化，而機(jī)器沒有喜怒哀樂，檢測(cè)的結(jié)果自然非常可觀可靠。
成本——由于機(jī)器比人快，一臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)機(jī)器能夠承擔(dān)好幾個(gè)人的任務(wù)。而且機(jī)器不需要停頓、不會(huì)生病、能夠連續(xù)工作，所以能夠極大的提高生產(chǎn)效率。
一旦工程師決定使用機(jī)器視覺系統(tǒng)，就需要建立這個(gè)系統(tǒng)。其中要素包括：照明光源、工件放置（夾具）、工業(yè)鏡頭、工業(yè)相機(jī)、位置傳感器、控制邏輯、以及圖像采集卡，圖像處理軟件、技術(shù)支持。由于大多數(shù)廠商在這個(gè)領(lǐng)域都沒有經(jīng)驗(yàn)，機(jī)會(huì)來了。所以，尋找一個(gè)既了解核心技術(shù)又能為其提供系統(tǒng)所需產(chǎn)品的供應(yīng)商就成為關(guān)鍵問題。
圖1.1.1 基于PC的視覺系統(tǒng)基本組成
典型的基于PC的視覺系統(tǒng)通常由如圖1.1.1所示的幾部分組成：
①工業(yè)相機(jī)與工業(yè)鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統(tǒng)都是由一套或者多套這樣的成像系統(tǒng)組成，如果有多路相機(jī)，可能由圖像卡切換來獲取圖像數(shù)據(jù)，也可能由同步控制同時(shí)獲取多相機(jī)通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用的需要相機(jī)可能是輸出標(biāo)準(zhǔn)的單色視頻（RS-170/CCIR）、復(fù)合信號(hào)（Y/C）、RGB信號(hào)，也可能是非標(biāo)準(zhǔn)的逐行掃描信號(hào)、線掃描信號(hào)、高分辨率信號(hào)等。
②光源——作為輔助成像器件，對(duì)成像質(zhì)量的好壞往往能起到至關(guān)重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)舻榷既菀椎玫健?br /> ③傳感器——通常以光纖開關(guān)、接近開關(guān)等的形式出現(xiàn)，用以判斷被測(cè)對(duì)象的位置和狀態(tài)，告知圖像傳感器進(jìn)行正確的采集。
④圖像采集卡——通常以插入卡的形式安裝在PC中，圖像采集卡的主要工作是把相機(jī)輸出的圖像輸送給電腦主機(jī)。它將來自相機(jī)的模擬或數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流，同時(shí)它可以控制相機(jī)的一些參數(shù)，比如觸發(fā)信號(hào)，曝光/積分時(shí)間，快門速度等。圖像采集卡通常有不同的硬件結(jié)構(gòu)以針對(duì)不同類型的相機(jī)，同時(shí)也有不同的總線形式，比如PCI、PCI64、Compact PCI，PC104，ISA等。
⑤PC平臺(tái)——電腦是一個(gè)PC式視覺系統(tǒng)的核心，在這里完成圖像數(shù)據(jù)的處理和絕大部分的控制邏輯，對(duì)于檢測(cè)類型的應(yīng)用，通常都需要較高頻率的CPU，這樣可以減少處理的時(shí)間。同時(shí)，為了減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁、振動(dòng)、灰塵、溫度等的干擾，必須選擇工業(yè)級(jí)的電腦。
⑥視覺處理軟件——機(jī)器視覺軟件用來完成輸入的圖像數(shù)據(jù)的處理，然后通過一定的運(yùn)算得出結(jié)果，這個(gè)輸出的結(jié)果可能是PASS/FAIL信號(hào)、坐標(biāo)位置、字符串等。常見的機(jī)器視覺軟件以C/C++圖像庫，ActiveX控件，圖形式編程環(huán)境等形式出現(xiàn)，可以是專用功能的（比如僅僅用于LCD檢測(cè)，BGA檢測(cè)，模版對(duì)準(zhǔn)等），也可以是通用目的的（包括定位、測(cè)量、條碼/字符識(shí)別、斑點(diǎn)檢測(cè)等）。
⑦控制單元（包含I/O、運(yùn)動(dòng)控制、電平轉(zhuǎn)化單元等）——一旦視覺軟件完成圖像分析（除非僅用于監(jiān)控），緊接著需要和外部單元進(jìn)行通信以完成對(duì)生產(chǎn)過程的控制。簡(jiǎn)單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O，相對(duì)復(fù)雜的邏輯/運(yùn)動(dòng)控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元/運(yùn)動(dòng)控制卡來實(shí)現(xiàn)必要的動(dòng)作。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論