機(jī)器視覺(jué)鏡頭的基本參數(shù)和選用原則

基本參數(shù)

鏡頭的主要參數(shù)有焦距、分辨率、工作距離、景深、視野范圍、畸變量等。

分辨率：指在像面處鏡頭在單位毫米內(nèi)能夠分辨的黑白相間的條紋對(duì)數(shù)，受鏡頭結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工精度等因素的影響。下圖的分辨率為1/2d，其中，d為線寬。分辨率的單位為lp/mm（線對(duì)/毫米）。鏡頭和相機(jī)的分辨率影響最終成像的質(zhì)量。

工作距離：一般指鏡頭前端到被測(cè)物體的距離，小于最小工作距離、大于最大工作距離的系統(tǒng)一般不能清晰成像。

景深：以鏡頭最佳聚焦時(shí)的工作距離為中心，前后存在一個(gè)范圍，在此范圍內(nèi)鏡頭都可以清晰成像。景深受焦距和光圈的影響：鏡頭的焦距越短，景深的范圍就越大，光圈越小，景深就越大

視野范圍：圖像采集設(shè)備所能夠覆蓋的范圍，即和靶面上的圖像所對(duì)應(yīng)的物平面的尺寸。

焦距：鏡頭焦距與凸透鏡的焦距概念略有不同，因?yàn)殓R頭是多個(gè)凸透鏡組合而成的。焦距是從鏡頭的中心點(diǎn)到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離。根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩大類。

畸變量：因凸透鏡的固有特性造成的成像失真，無(wú)法完全消除。畸變像差只影響成像的幾何形狀，而不影響成像的清晰度。

選用原則

在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，鏡頭的主要作用是將成像目標(biāo)在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直影響到機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的整體性能，合理地選擇和安裝鏡頭，是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

第一步選擇合適的鏡頭接口

常用的鏡頭接口類型有C口、CS口、F口等，在選用鏡頭時(shí)要首先確定鏡頭的接口類型。

第二步確定焦距

焦距是相機(jī)最主要的參數(shù)之一，一般先考慮焦距是否能夠滿足需求。根據(jù)系統(tǒng)的整體尺寸和工作距離，結(jié)合靶面尺寸和待測(cè)范圍的比值可以計(jì)算出鏡頭的焦距。

第三步確定靶面尺寸

鏡頭的靶面尺寸要大于相機(jī)的靶面尺寸，否則進(jìn)光量可能會(huì)導(dǎo)致圖像信息的缺損。

第四步根據(jù)項(xiàng)目需求，綜合考慮分辨率、畸變、景深等參數(shù)，根據(jù)光照環(huán)境確定光圈。

機(jī)器視覺(jué)硬件中的光源

光源選用

1.形狀自由度高，可以組合成各種形狀、尺寸，能夠自由調(diào)整照射角度，可以根據(jù)客戶需要定制；

2.可以根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時(shí)調(diào)整亮度；

3.光源散熱性好，光亮度穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)，可連續(xù)使用約數(shù)萬(wàn)小時(shí)；

4.反應(yīng)快捷，可在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大亮度；

5.運(yùn)行成本低，性價(jià)比較高。

明場(chǎng)照明與暗場(chǎng)照明

明場(chǎng)照明指光線反射后進(jìn)入照相機(jī)，而暗場(chǎng)照明為光線反射后未進(jìn)入照相機(jī)。通常明場(chǎng)照明用直射光來(lái)觀察對(duì)象物整體(散亂光呈黒色)，對(duì)形成高對(duì)比度有益，但反光表面會(huì)生成鏡面反射。暗場(chǎng)照明用散亂光來(lái)觀察對(duì)象物整體(直射光呈白色)，漫射光被反射進(jìn)入照相機(jī)但鏡面反射光線被反射離開(kāi)。

在缺陷檢測(cè)中，明場(chǎng)照明主要用于散射和吸收光線缺陷類型的檢測(cè),在大多數(shù)明場(chǎng)照明圖像中，背景亮，缺陷暗。暗場(chǎng)照明主要用于光滑工件表面上含有散射光的缺陷類型檢測(cè)。在大多數(shù)暗場(chǎng)照明采集的圖像中，背景暗，僅僅缺陷可見(jiàn)。暗場(chǎng)照明常被用于檢測(cè)表面污垢和表面突起的特征。

背向照明和前向照明

背向照明是將光源置于物體的后面，這種照明方式能夠突出不透明物體的陰影或觀察透明物體的內(nèi)部。背向照明能夠?qū)⒈粶y(cè)物的邊緣輪廓清晰地勾勒出來(lái)，在圖像中，被擋物體的部分為黑色，未被遮擋的部分為白色，因此形成黑白分明的圖像。前向照明與背向照明相反，燈源置于被測(cè)物和相機(jī)之間，根據(jù)角度的不同又可以分為“低角度”（小于25度）和“高角度”（75度以上）。

輔助光學(xué)配件

偏振片：偏振片的作用是限制特定的光波通過(guò)，使用偏振片可以消除光反射產(chǎn)生的影響從而突出表面的細(xì)節(jié)，偏振片一般安裝在鏡頭上或者光源的一側(cè)。

防外亂光濾鏡：防外亂光濾鏡的作用是消減外界環(huán)境光對(duì)系統(tǒng)光源的影響，使用光濾鏡能夠?qū)⑾到y(tǒng)外部的漫射光過(guò)濾掉。

漫射板：漫射板的作用是使光變的均勻。漫射板是玻璃的一個(gè)表面通過(guò)金剛砂打磨成凹凸不平后制作出的一種玻璃，光線通過(guò)漫射板折射后向四面八方射出去，這樣光線就變的均勻了。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)相機(jī)解析

CCD相機(jī)參數(shù)

（1）分辨率：相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)，對(duì)于數(shù)字相機(jī)一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對(duì)應(yīng)的，對(duì)于模擬相機(jī)則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480。

空間分辨率指在遙感影像上，能識(shí)別的兩個(gè)相鄰物體的最小距離。對(duì)于攝像影像，一般用單位長(zhǎng)度內(nèi)包含可分辨的黑白線的對(duì)數(shù)（單位：線對(duì)/毫米）。空間分辨率是評(píng)價(jià)傳感器性能的重要指標(biāo)。

（2）像素深度：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit等

（3）最大幀率/行頻：相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)，對(duì)于線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)。

（4）曝光方式和快門(mén)速度：對(duì)于線陣相機(jī)都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時(shí)間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間；面陣相機(jī)有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見(jiàn)方式，數(shù)字相機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能。快門(mén)速度一般可到10微秒，高速相機(jī)還可以更快。

（5）像元尺寸：像元大小和像元數(shù)共同決定了相機(jī)靶面的大小。目前數(shù)字相機(jī)像元尺寸一般為3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。

（6）光譜響應(yīng)特性：是指該像元傳感器對(duì)不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350-1000nm，一些相機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對(duì)紅外感光時(shí)可去掉該濾鏡。

工業(yè)相機(jī)優(yōu)點(diǎn)

（1）性能穩(wěn)定，易于安裝，其結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實(shí)，不易損害，在較差的工業(yè)環(huán)境下，也可以應(yīng)用。

（2）快門(mén)時(shí)間非常短，可以抓拍高速運(yùn)動(dòng)的物體。

（3）工業(yè)相機(jī)的幀率比普通相機(jī)大很多。工業(yè)相機(jī)每秒可以拍攝10幅到幾百幅圖片，而普通相機(jī)一般只有2、3幅左右，相差較大。

（4）工業(yè)相機(jī)可以長(zhǎng)時(shí)間工作，比如每天工作24小時(shí)、連續(xù)工作6個(gè)月，而普通相機(jī)則不行。

（5）工業(yè)相機(jī)可實(shí)現(xiàn)編程控制，可以設(shè)置任意時(shí)間、任意時(shí)間間隔等進(jìn)行拍攝。

審核編輯：湯梓紅