機(jī)器視覺需要鏡頭的選擇和分析和其優(yōu)點

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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：

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,光線對圖像的采集效果起著十分重要的作用。一般來說，對于光線變化不明顯的環(huán)境，常選用手動光圈鏡頭，將光圈手調(diào)到一個比較理想的數(shù)值后就可不動了；如果光線變化較大，如室外24小時監(jiān)看，應(yīng)選用自動光圈，能夠根據(jù)光線的明暗變化自動調(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，采用自動光圈鏡頭效果不理想。

4）考慮最佳監(jiān)看范圍。因為工業(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，這是無法同時實現(xiàn)的。每個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，或采用電動變焦鏡頭配合云臺安裝。

5）工業(yè)鏡頭接口與工業(yè)相機(jī)接口要一致。現(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，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物品尺寸已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的趨勢。由于相機(jī)，影像軟件及照明組件等設(shè)備的進(jìn)步，讓影像量測物品尺寸的精準(zhǔn)度能媲美或更勝于手動或雷射光的量測。

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。

軟件工程需要具高分辨率、高對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^測點下量測物體，會造成物體拍攝影像的扭曲。

除了影像處理過程中會造成的干擾，系統(tǒng)設(shè)計者也同時將光學(xué)配備本身會影響光學(xué)量測精準(zhǔn)性的幾個限制納入考慮：

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)量測系統(tǒng)通常會自物體正上方拍攝(不紀(jì)錄物體側(cè)面)以測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)量測系統(tǒng)來判定影像與物體的實際間距。

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象的影像；右上圖為兩個同樣對象置于相距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。

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在一般標(biāo)準(zhǔn)鏡頭下，物體的影像大小會因為與鏡頭的距離(標(biāo)記為“s”)不同而改變。同樣的，不同大小的對象可能會受距離的影響而看起來相同。

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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)心鏡頭時是與鏡頭的中央軸心平行，而成像點會在遠(yuǎn)心鏡頭的焦點平面上。

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被接受。

在此我們舉個簡單的例子來說明兩種光學(xué)系統(tǒng)的差異性。
首先我們使用一個焦距為12毫米的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭 (f = 12 mm) 及以1/3吋的偵測器為接口來測定放置于200毫米 (s = 200 mm) 外的20毫米 (H = 20 mm) 對象。當(dāng)對象位移1毫米 (ds = 1mm)時，其成像大小將會有約略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1毫米 (ds = 1mm) 時，其成像將只會有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。

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上圖：遠(yuǎn)心曲線決定了物體被移動時成像改變的倍率。

“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，這個曲線決定了物體在移動時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，成像的大小就不會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。然而有時候一或數(shù)個像素的錯誤可能具決定性的影響。 失真度也可以說是影像與實際畫面的差異度。失真度是利用影像點與影像中心位置的距離和在標(biāo)準(zhǔn)影像(未失真影像)的實際距離之間的差異來計算。舉例來說，一個與畫面中心距離200像素的標(biāo)的在影像畫面中只有和中心點間隔198個像素，其失真度則為：
distortion = (198-200)/200 = -2/200 = 1%

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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的關(guān)聯(lián)性。
“pincushion” type distortion “barrel” type distortion

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影像的失真可被視作真實畫面經(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式的變形，影像會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像素的誤差。因此許多失真的影像會利用軟件做校正：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”) 是另一個影像測量系統(tǒng)中必須克服的問題，如果拍攝物體沒有被放置于中心點，此類的影像通常據(jù)非對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；中圖為同一個畫面但具放射性變形的影像；右圖為同一個畫面但具有梯形性失真的影像。

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三、視角誤差

使用一般光學(xué)鏡頭拍攝非平面物體時，物體的大小會因為距離而改變。因此拍攝管柱形物體時，管柱頂端與底端會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出現(xiàn)此問題。

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這個現(xiàn)象是因為光束路徑的特殊性而造成的，在一般光學(xué)鏡頭下，沒有與光軸平行的縱向光束會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)心鏡頭則不會有同樣的問題。

一般鏡頭通常會將3D物體的立體影像(包括空間距離)轉(zhuǎn)換成2D影像，而遠(yuǎn)心鏡頭只會紀(jì)錄2D平面影像而不受物體的立體距離影響，這個特性在影像量測系統(tǒng)中具有極大的優(yōu)勢。

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一般鏡頭會將光束(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。

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很多影像系統(tǒng)是利用多個低畫素相機(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，背景光線常常會讓物體的輪廓變的難以界定(border effects)，主要是因為背景的強(qiáng)光會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，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容易會出現(xiàn)誤差。

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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，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，會選擇比被測物體視野稍大一點的工業(yè)鏡頭，以有利于運動控制。