一个完整的机器视觉系统通常由光源、镜头、相机、计算机、执行器五部分组成，如图 1-1 所示，其中计算机需要安装图像采集卡和 IO 控制卡。 图 1-1 机器视觉系统基本组成 图 1-1 所示的系统中，光源产生的光线照射到待检物体表面使其产生特定的图像或增强其 特征，通常使用特定波长的光源，并对光源中发光器件排列方式进行设计达到均匀的照射效果。 有时光源系统与被测物体会被整合在一个系统中如显微成像系统，这样的系统可用于进行细胞 计数或是基于干涉条纹进行高精度的加工精度测量，如图 1-2 所示。图像采集卡的作用是将摄 像机采集的模拟信号转换为数字图像，图像采集卡的接口通常为 PCI，可以直接插在计算机的 主板上，也有少量支持 USB 接口的图像采集设备。图像处理算法在计算机中运行，将采集到的 图像处理为有意义的结果，根据这些结果通过 IO 控制卡驱动执行器进行操作。计算机通常采用 满足工业现场作业防尘、电磁屏蔽等要求的工控计算机机型，操作系统通常为 Linux 或 Windows CE，也有使用 Windows 2000 或 Embedded XP 系统的，Linux 系统相对稳定，适合于需要持续工 作的场合，而基于 Windows 平台的程序开发实现周期短，用户可以根据需要选择开发平台。 图 1-2 细胞计数（左）与利用干涉条纹测量隐形眼镜厚度（右） 光源 待检物体 摄像机 计算机 图像采集卡 执行器 镜头 IO 控制卡
在一些要求更为苛刻的场合，如需要极高的实时处理速度而算法也适合用并行处理方式 实现时，可以采用图 1-3 的系统结构，即 DSP 和 FPGA 相结合。早期的 DSP 芯片非常昂贵， 主要应用于军事领域，除利用 GPS 系统定位外，在导弹导航中经常使用实时的地形图片与卫 星图片对比以确定导弹的实际坐标。如今 DSP 芯片已经广泛应用于各个行业，DSP 和 FPGA 可以组成所谓的片上系统（SoC）来替代传统方案中的计算机，这种基于硬件的实现方式由于 集成度高，因此可靠性可以大大提高。此外在这种结构下，可以将摄像机中的成像部分的电路 集成至 SoC 中，这样免除了摄像机中的数模转换和采用图像采集卡进行的模数转换，减少了 信息损耗，组成的系统由于自身具有图像处理功能被称为智能相机，但这种架构的缺点是开发 周期较长，因为 DSP 只支持使用汇编语言和 C 语言，而且 DSP 强大的并行处理能力也需要有 一定的编程经验才能充分提高效率。 图 1-3 基于 DSP 和 FPGA 的机器视觉系统 以上是对机器视觉系统的组成结构的介绍，下面将结合一些具体应用场合对组成结构中 涉及的器件选型问题进行分析。
1.1 光源选型
光源是机器视觉系统关键组成部分之一，因为其直接影响到输入信号的质量，故重要性 不言而喻。良好的光源照明设计可以使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，从而改善 整个系统的分辨率，大大降低图像处理的算法难度，同时提高系统的精度和可靠性。 机器视觉系统中的光源主要有以下作用： （1）照亮目标，提高亮度。 （2）形成有利于图像处理的成像效果。 （3）克服环境光干扰，保证图像稳定性。 （4）用作测量的工具或参照物。 目前工业中使用的光源大部分以 LED 二极管作为发光器件，二极管发光能耗低，且其可 以近似为点光源，体积小巧方便，能以各种形式组合。图 1-4 所示为几种典型光源，面阵光源 光源 待检物体 摄像机 DSP 执行器 镜头 FPGA IO通常用作背光；高角度入射光源指光线入射角度和被检测表面的夹角接近垂直，光源中心的圆 孔用于放置相机；同轴光源中 LED 产生的光线经过了过滤，其光线的方向基本都是平行同轴 的，在某些场合使用同轴光可以明显提高获取的数字图像质量。 图 1-4 面阵光源（左）、高角度入射光源（中）与同轴光源（右）* 下面根据光源产生光线的传播方式和色谱的不同，分别对各种光源的应用进行介绍。 1.1.1 光线传播方式 根据光源中光线的传播路径可以将光源分类为直射光和漫射光，如图 1-5 所示。直射光指 发光器件的发射光线直接照射物体表面，漫射光需要在发光器件前放置中间介质来实现，如毛 玻璃可以达到更为均匀的照射效果，采用这种方式可以避免在被检测表面形成局部高亮点，如 形成会成为最终数字图像中的干扰噪声。在直射光源中，入射光的角度——高角度、低角度可 以实现不同的照射效果。 图 1-5 直射光（左）与漫射光（右） 漫反射背光源是最常用的照射方式，在透明体表面、透明体内部不透明异物、脏污检测、 透明体和半透明体突变型和部分渐变缺陷、镂空打标检测等方面应用广泛。图 1-6 所示为使用 背光源的部分案例，其中图（a）为检测圆形器件的缺陷曲线；图（b）为检测平板上的裂纹； 图（c）为对封装好的袋中螺钉数目进行计数；图（d）为对齿轮的磨损程度进行评估。 注：标*的图片由东莞市奥普特自动化科技有限公司（OPT）提供。
（a）缺陷检测 （b）裂纹检测 （c）计数检测 （d）磨损程度检测 图 1-6 漫反射背光源案例* 在某些情况下漫反射背光源可能会使所成图像的边缘发虚，图 1-7 左图显示了边缘发虚的 原因，被照射的物体带有倒角或是圆角边缘时容易发生这种现象。这种情况下，采用平行光源 配合相应的镜头可以有效解决边缘发虚的问题。 图 1-7 漫反射背光源的失效与解决办法
有时需要利用被检测物体本身的透射性质达到较好的成像效果，图 1-8 所示为两个利用透 射的案例。 （a）瓶口碰伤检测 （b）玻璃管检测 图 1-8 利用透射性质进行检测* 在表面平整性检测中，可以通过平面光源加上栅格造影的方法，发现表面的凹凸点，并 对其不平整程度进行评估，如图 1-9 所示为该方法的示意图。 图 1-9 表面平整度检测方法* 无影光技术很早就应用在外科手术中，在机器视觉行业中，漫射无影光可用于需要光学 字符识别（OCR）的场合，可以有效去除表面的眩光，使字符清晰显现。图 1-10 所示为使用 漫射无影光获取字符图像的案例。
图 1-10 漫射无影光用于 OCR* 如果物体表面的字符是通过刻蚀或是铸压的方式形成的，此时光线的入射角度不同产生 的图像会截然不同。图 1-11 对比了不同的光线入射角度对最终的成像效果的影响。 （a）高入射角度 （b）低入射角度 图 1-11 不同入射角度对成像质量的影响* 在某些特定应用场合中需要根据实际情况调整光线的入射角度以达到期望的效果，图 1-12 所示为对一圆柱体表面进行字符成像，通过低角度圆柱两头打光，直接反光无法进入镜头，但 表面的异常（字符、划伤）由于反光程度不一样，可以呈现与背景不同的灰度，其入射光的角 度与圆柱体表面弯曲度相关。 图 1-13 所示为一胶圈缺陷检测的光源设计案例，胶圈反光角度连续大范围变化，单方向 照光图像均匀性很差，改用多角度独立控制组合光源，可以调出比较理想的效果，缺陷也比较 明显。
图 1-12 圆柱体表面检测* 图 1-13 胶圈缺陷检测* 偏振光是一种特殊的光源，它在传播过程中相对于传播方向具有不对称性，如图 1-14 所 示，左图为普通光，右图为偏振光。偏振光最常见的应用是 3D 电影，分别给左右眼提供具有 视差的图像，使用不同方向的偏振光同时投影到屏幕上，不戴眼镜看到屏幕上的图像是有重影 的。而戴上由偏振片组成的 3D 眼镜后，屏幕反射回的光线振动方向和镜片匹配的可以通过， 不同的被阻挡，这样左右眼看到的是不同的图像，从而产生立体感。 图 1-14 偏振光传播方式
在机器视觉领域中，通常也是组合不同的偏振片以达到期望的成像效果，首先要产生偏 振光，这一过程称为起偏，将偏振片放置在没有偏振特性的光源前，经过偏振片过滤得到的就 是偏振光，偏振光照射到被检表面，反射后的光线用偏振片检测光强变化，这一过程称为检偏， 一般基于偏振光的机器视觉系统都要设计起偏部分和检偏部分。 图 1-15 所示为利用偏振光去除钢丝反光的案例，其中通过线偏振片起偏，而用圆偏振片 检偏，能有效抑制钢丝上的高亮点获得较好的成像效果。 图 1-15 利用偏振片去除钢丝反光
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1.1.2 光线频谱 除了利用光线本身的传播性质可以取得不同效果外，光线本身的光谱性质对所成图像也有 决定性影响。图 1-16 所示为不同波段对应的光波名称，表 1-1 中详细列出了这些波段的属性。 图 1-16 常用光波名称及对应波段 表 1-1 波段名称与属性 范围 名称 缩写 波长（nm） 真空紫外 UV-V 100-200 远紫外 UV-C 200-280 中紫外 UV-B 280-315 紫外 近紫外 UV-A 315-380 电磁波 远红外 近红外 红外 可见光 紫外 射线 X 射线 103 106 109 1012 1015 1018 1021 1024 f/Hz续表 范围 名称 缩写 波长（nm） 蓝紫 BP 380-430 蓝 B 430-480 绿蓝 GB 480-490 蓝绿 BG 490-510 绿 G 510-530 黄绿 YG 530-570 黄 Y 570-580 橙 O 580-600 红 R 600-720 可见光 红紫 RP 720-780 近红外 IR-A 780-1400 中红外 IR-B 1400-3000 3000-50000 红外 远红外 IR-C 50000-1000000 常用的颜色空间有 RGB、CIE、HSL、YIQ 等。其中 RGB 模型也称为加色法混色模型，它 是以 RGB 三色光互相叠加来实现混色的方法，因而适合于显示器等发光体的显示。CIE 模型包 括一系列颜色模型，这些颜色模型是由国际照明委员会提出的，是基于人的眼睛对 RGB 的反应， 被用于精确表示对色彩的接收。HSL 模型是工业界的一种颜色标准，是通过对色调（H）、饱和 度（S）、亮度（L）三个颜色通道的变化以及它们相互之间的叠加来得到各式各样的颜色的。图 1-17 是几种颜色空间的结构图。各种颜色模型的相互关系将在第三章中进行说明。 （a）RGB 图 1-17 不同的颜色空间模型
（b）CIE （c）HSL 图 1-17 不同的颜色空间模型（续图） 在 RGB 颜色空间模型中，位于立方体两个相对顶点的色光是互补色，如黄光和蓝光互补， 混合后为白光。利用这种原理，可以使用互补色照射强化被检图案。图 1-18 左图中为使用红 光照射 PCB 板的成像结果，由于其背景色为绿色，与红光互补，因此标记点非常清晰。有时 则需要利用和背景中某些图案相同的色光来消除干扰，如图 1-18 右图为检测瓶盖上的黑色数 字，利用绿色光源消除背景中绿色图案。 图 1-18 利用同色（左）和互补色（右）改善成像质量* 某些特殊应用场合需要综合使用不同色光，图 1-19 所示为利用多角度三色组合检测焊点 焊接质量的案例，其中光源采用了由红蓝绿组成的光源，三种色光从不同角度入射，根据焊接 处斜面反射情况的不同，从而对于不同焊接质量可以呈现出不同的图案，如图 1-19（b）所示。 不同的焊接材料对各色光的反射率不同，在应用中可以根据被测表面的背景和待检对象 在反射率上的差异，选择合适的色光。图 1-20 左右两图分别为使用蓝色同轴光与红色光检测 焊点焊盘的成像结果，可以看出使用合适的色光可以使焊点焊盘与背景对比明显改善。图 1-21
为不同金属表面对不同波长的光波反射率。 （a）检测原理 （b）对应特征 图 1-19 利用多角度色光组合检测焊接质量* 图 1-20 根据反射率不同选择色光* 从光学知识可以知道，测量时使用的光线波长越短，可测的精度越高，蓝色光由于波长 较短，因此可以在图像中捕获微小的划痕，如前所述，漫射光容易使被检对象的边缘模糊，因 此通常使用蓝色同轴光检测物体表面划痕。图 1-22 所示为检测的案例图片。
图 1-21 不同金属表面对不同波长的光波反射率 图 1-22 蓝色同轴光检测塑料表面划痕* 而红外光由于波长较长，穿透性好，因此可用于一些需要能够透射塑料的场合。图 1-23 所示为两个例子，（a）中需要能显现瓶盖和瓶颈之间的缝隙，（b）中需要透视塑料包装袋，两 组图中左边的图像是在普通可见光下获得的成像效果。 （a）瓶盖高度检测 （b）颗粒度检测 图 1-23 红外光适用场合* 除了上述情况，红外光在虹膜、人脸图像采集方面也有广泛应用，交通视频监控中普遍 使用红外光源与红外相机，也是利用了其穿透雾、雨等的能力较强且能昼夜连续工作的特点。 图 1-24 所示为红外热成像相机及其监控效果。
图 1-24 红外相机在交通中的应用 紫外光是频率高于可见光的光波。通常紫外线可用于激发被检物体发出荧光，从而能够 拍摄到可见光不能照射出的特征，如人民币上的荧光特征或是暗室二维码。一些化学制剂对特 定波长的紫外线有反应，而对其他波长的光线无效。图 1-25 左图为利用 365nm 紫外线检测测 孕试纸，作为对比右图为普通可见光拍摄。 图 1-25 365nm 紫外线检测测孕试纸* 一般在使用有色光源，特别是单色光源时都会采用滤光片，这样只有大部分光源发出的 光线进入镜头，而环境光基本被滤除。
1.2 相机与镜头选型
1.2.1 相机选型 目前在机器视觉领域使用的相机的核心部件都是数字成像芯片，按照其工作原理的不同， 可以分为 CCD 和 CMOS 两类。 CCD 的英文全称是 Charge-Coupled Device，对应中文名为电荷耦合元件，它利用排列整 齐的电容阵列感应光线，并将影像转变成数字信号。图 1-26 所示为 CCD 相机的成像原理，其 成像过程如下[1]： （1）用相机拍摄景物时，景物反射的光线通过镜头透射到 CCD 上。（2）当 CCD 曝光后，光电二极管受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由 此产生。 （3）CCD 控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制， 由电流传输电路输出，CCD 会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器。 （4）经过放大和滤波后的电信号被送到 A/D，由 A/D 将电信号（此时为模拟信号）转换为 数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高低成正比。这些数值其实就是图像的数据。 （5）不过单靠第（4）步得到的图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处 理器（DSP）。在 DSP 中，对这些图像数据进行色彩校正、白平衡处理（视用户在相机中的设 置而定）等后期处理，编码为相机所支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后才会被存储为 图像文件。 （6）最后，图像文件被写入到存储器上（内置或外置存储器）。 ①镜头；②电容阵列；③控制电路；④AD 转换；⑤DSP；⑥存储器 图 1-26 CCD 成像原理 在第（2）步中产生的信号是以行为单位的电流信号，控制电路也是用于控制各行信号的 汇总与输出。
CMOS 是 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor 的缩写，其中文译名为互补金属氧化 物半导体，早期主要应用于微处理器、闪存和特定用途集成电路（ASIC）等方面，后来发现 其制造工艺加以变化也可以用于成像。CMOS 主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体， 通过 CMOS 上带负电和带正电的晶体管来完成基础功能，这两个互补效应所产生的电流即可 被处理芯片记录和解读成影像。如图 1-27 所示，其中信号传输晶体管所起的作用是放大信号。 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥
早期的 CMOS 信噪比差，敏感度方面也远不及 CCD，只能用在低端产品上，但是在能耗生产 成本等方面与 CCD 相比却具有明显优势。近年来在佳能等大牌厂商的推动下，随着偏面消除 噪点等技术的使用，CMOS 的噪点问题已经得到了较好的控制，在一些高像素的数码相机中 已经越来越多使用 CMOS 作为核心成像芯片。 图 1-27 CMOS 成像原理示意图 CCD 和 CMOS 的主要差异在于，CCD 传感器每一行中每一个像素的电荷数据都会依次 传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在 CMOS 传感器中每个像素都会邻接一个放大器及 A/D 转换电路，用类似内存电路的方式将 数据输出。 造成这种差异的原因在于：CCD 的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像 素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而 CMOS 工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声， 因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。 这些差异也造成了 CCD 与 CMOS 传感器由于数据传送方式不同，因此在效能与应用上也 有诸多差异，这些差异包括[2]： （1）灵敏度差异：由于 CMOS 传感器的每个像素由四个晶体管与一个感光二极管构成（含 放大器与 A/D 转换电路），使得每个像素的感光区域远小于像素本身的表面积，因此在像素尺 寸相同的情况下，CMOS 传感器的灵敏度要低于 CCD 传感器。 （2）成本差异：由于 CMOS 传感器采用一般半导体电路最常用的 CMOS 工艺，可以轻 易地将周边电路（如 AGC、CDS、Timing generator 或 DSP 等）集成到传感器芯片中，因此可 以节省外围芯片的成本；除此之外，由于 CCD 采用电荷传递的方式传送数据，只要其中有一 个像素不能运行，就会导致一整排的数据不能传送，因此控制 CCD 传感器的成品率比 CMOS 传感器要困难许多，即使有经验的厂商也很难在产品问世的半年内突破 50%的水平，因此， CCD 传感器的成本会高于 CMOS 传感器。
（3）分辨率差异：如上所述，CMOS 传感器的每个像素都比 CCD 传感器复杂，其像素 尺寸很难达到 CCD 传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的 CCD 与 CMOS 传感器时， CCD 传感器的分辨率通常会优于 CMOS 传感器。例如，目前市面上 CMOS 传感器最高可达到 210 万像素的水平（OmniVision 的 OV2610，2002 年 6 月推出），其尺寸为 1/2 英寸，像素尺 寸为 4.25μm；但 Sony 在 2002 年 12 月推出了 ICX452，其尺寸与 OV2610 相差不多（1/1.8 英 寸），但分辨率却能高达 513 万像素，像素尺寸也只有 2.78μm 的水平。 （4）噪声差异：由于 CMOS 传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属 于模拟电路，很难让每个放大器得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的 CCD 传感器相比，CMOS 传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质。 （5）功耗差异：CMOS 传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直 接由晶体管放大输出，但 CCD 传感器为被动式采集，需外加电压让每个像素中的电荷移动， 而此外加电压通常需要达到 12V-18V；因此，CCD 传感器除了在电源管理电路设计上的难度 更高之外（需外加 power IC），高驱动电压更使其功耗远高于 CMOS 传感器。举例来说， OmniVision 近期推出的 OV7640（1/4 英寸、VGA），在 30 fps 的速度下运行，功耗仅为 40mW； 而致力于低功耗 CCD 传感器研制的 Sanyo 公司去年推出了 1/7 英寸、CIF 等级的产品，其功 耗却仍保持在 90mW 以上，虽然该公司近期将推出 35mW 的新产品，但仍与 CMOS 传感器存 在差距，且仍处于样品阶段。 由于 CCD 相机发展较早，因此相对更为成熟，一些大型的相机生产厂商都针对工业用途 设计了不同的 CCD 相机，包括线性 CCD 和矩阵式 CCD。 线性 CCD 是用于高分辨率的静态照相机，每次只拍摄图像的一条线，与平板扫描仪扫描 照片的方法相同。线性 CCD 精度高、速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯， 因此在很多场合不适用。 矩阵式 CCD 的每一个光敏元件代表图像中的一个像素，当快门打开时，整个图像一次同 时曝光。矩阵式 CCD 用来处理色彩的方法有两种。一种是在记录照片的过程中，相机内部的 微处理器从每个像素获得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间曝光，微 处理器能运算得非常快。大多数数码相机 CCD 即采用这种方式。但由于不同颜色的感受单元 实际上不是位于同一像素点，所以图像不够锐利。另一种处理方式可以弥补这个缺点，通过三 棱镜将从镜头射入的光分成三束，每束光都由不同的内置光栅过滤出某一种原色，然后使用三 块 CCD 分别感光，最后将这些图像再合成出一个高分辨率、色彩精确的图像，显然这样的系 统对于无论光学或是电子器件的整体要求都很高，因此价格十分昂贵。 CMOS 相机由于成像原理与 CCD 不同，因此没有线性 CMOS 相机。对于矩阵式成像，一 般来说工业 CCD 相机的成像质量要好于 CMOS 相机，因此在对成本不敏感的情况下，还是应 该尽量选择 CCD 相机，不过 CMOS 相机近年来发展迅速，将来完全有可能在大部分中低端应
用中取代 CCD 相机。
相机有分辨率、像素深度等参数，需要根据实际情况进行选择：
（1）分辨率（Resolution）：相机每次采集图像的像素点数（Pixels）。对于数字工业相机， 一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机，则是取决于视频制式，PAL 制为 768*576，NTSC 制为 640*480。
（2）像素深度（Pixel Depth）：即每像素数据的位数。一般常用的是 8bit，对于数字工业 相机一般还会有 10bit、12bit 等。
（3）最大帧率（Frame Rate）/行频（Line Rate）：相机采集传输图像的速率。对于面阵相 机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec），对于线阵相机为每秒采集的行数（Hz）。 （4）曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）：对于线阵相机都是逐行曝光的方式， 可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固 定的时间；面阵工业相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字工业相机一般 都提供外触发采集图像的功能。快门速度一般可到 10μs，高速工业相机还可以更快。 （5）像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。 目前数字工业相机像元尺寸一般为 3μm-10μm，像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越 不容易提高。 （6）光谱响应特性（Spectral Range）：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般 响应范围是 350nm-1000nm。一些相机在靶面前加了滤镜以滤除红外光线，如果系统需要对红 外感光时可去掉该滤镜。 工业相机的常用接口如表 1-2 所示，在交通和安全领域通常使用模拟信息传输方式，因为 在这种情况下信号需要传输非常长的距离。传输工业现场应视所需的处理速度和采集图像分辨 率选择相应的接口。 表 1-2 工业相机接口一览表
USB2.0 IEEE 1394a IEEE 1394b GigE Vision Camera Link 模拟 电缆 长度 5m（加转发器可 达 20m） 10m（加转发器可 达 72m） 4.5m（加转发器可 达 72m） 100m 可达 15m（取 决于带宽） 可 达 100m 以上或更长 带宽 60MB/s 32MB/s 64MB/s 100MB/s 255MB/s -680MB/s — 传输率 480MB/s 400MB/s 800MB/s 1000MB/s >2000MB/s — 标准 USB2.0 标准 IEEE 1394 贸易联 合会 DCAM 标准 IEEE 1394 贸易联 合会 DCAM 标准 GigE Vision 标准 AIA Camera Link 标准 多种 视频信 号标准
续表 USB2.0 IEEE 1394a IEEE 1394b GigE Vision Camera Link 模拟 接口/ 板卡 主板自 USB2.0 或 USB2.0 板卡 普通 IEEE 1394A 板卡 普通 IEEE 1394B 板卡 千 兆 以太 网 板卡 图像采集卡 图像采集卡 相机最 大数量 8 16（DCAM） 16（DCAM） 无限 2（每 个帧抓 取器） 16（ 取决于 帧抓取器） 即插即 用功能 有 有 有 有 无 无 1.2.2 镜头选型 通常镜头可以用简单的凸透镜模型来近似，因此在测算时可以使用如下成像公式，其中 f 代表焦距，u 和 v 分别代表物距和相距： 1 1 1 f uv （1-1） 半画角 的计算公式如下，其中 y 为像的大小： 1 2 tan y/ 2f （1-2） 在实际应用中，可以将 CCD 靶平面尺寸带入公式来计算视场面。 通常镜头与 CCD 的靶平面尺寸是配合使用的，表 1-3 列出了常见靶平面尺寸即 CCD 芯片 尺寸的规格。 表 1-3 芯片尺寸规格表 规格（in） 1 2/3 1/2 1/3 1/4 高度（mm） 9.6 6.6 4.8 3.6 2.4 宽度（mm） 12.8 8.8 6.4 4.8 3.2 摄像机镜头规格应视摄像机的 CCD 尺寸而定，二者应一一对应，如 1/2in 的靶面对应 1/2in 的镜头，1/3in 的靶面对应 1/3in 的镜头等。 如果镜头尺寸比摄像机 CCD 靶面尺寸大时，将使图像视野比镜头视野小，即不能很好地 利用镜头的视野；如果镜头尺寸比摄像机 CCD 靶面尺寸小时，将发生“隧道效应”，即图像 有圆形的黑框，像在隧道里拍的一样。图 1-28 显示了一个采用鱼眼镜头的隧道效应例子。 监控相机的靶面尺寸一般都比较小，甚至小于 1/3in；工业相机稍微大一些，一般 1/2in 到 1in 不等；传统的 135 相机底片比当前的一般感光芯片都大，为 36mm×24mm（1.4in×0.9in）， 画面对角线长度为 43mm，即 1.7in；120 中幅相机，其感光面尺寸有三种：45×60mm、60×60mm 和 90×60mm。
图 1-28 “隧道效应”实例 所有摄像机镜头均是螺纹口的，CCD 摄像机的镜头安装有两种工业标准，即 C 安装座和 CS 安装座。二者螺纹部分相同，但从镜头到感光表面的距离不同。 C 安装座：从镜头安装基准面到焦点的距离是 17.526mm。 CS 安装座：特种 C 安装，此时应将摄像机前部的垫圈取下，再安装镜头。其镜头安 装基准面到焦点的距离是 12.5mm。如果要将一个 C 安装座镜头安装到一个 CS 安装 座摄像机上时，则需要加装一个 5mm 厚的垫圈。
从光学角度衡量镜头的质量，通常用光学传递函数（Optical Transfer Function，OTF）来 综合评价镜头成像质量，光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息。光学系统在传递被摄景物 信息时，各空间频率的正弦波信号的调制度和相位在成实际像时的变化，均为空间频率的函数， 此函数称为光学传递函数。OTF 一般由调制传递函数（Modulation Transfer Function，MTF） 与相位传递函数（Phase Transfer Function，PTF）两部分组成。不同的传递函数会导致不同的 像差，像差包含以下六种： （1）球差：由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系统折射后， 若原光束不同孔径角的各光线不能交于主轴上的同一位置，以至在主轴上的理想像平面处形成 弥散光斑（俗称模糊圈），则此光学系统的成像误差称为球差。 （2）慧差：由位于主轴外的某一轴外物点向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学 系统折射后，若在理想像平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的彗星形光斑，则此 光学系统的成像误差称为慧差。 （3）像散：由位于主轴外的某一轴外物点向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束，经该 光学系统折射后，不能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则此光学系统的成像误差
称为像散。 （4）场曲：垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像，若不在一垂直于主轴 的像平面内，而在一以主轴为对称的弯曲表面上，即最佳像面为一曲面，则此光学系统的成像 误差称为场曲。当调焦至画面中央处的影像清晰时，画面四周的影像模糊；而当调焦至画面四 周处的影像清晰时，画面中央处的影像又开始模糊。 （5）色差：由白色物体向光学系统发出一束白光，经光学系统折射后，各色光不能会聚 于一点上，而形成一彩色像斑，称为色差。色差产生的原因是同一光学玻璃对不同波长的光线 的折射率不同，短波光折射率大，长波光折射率小。 （6）畸变：被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的 成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。 不同工业镜头的成像质量千差万别，即使同一类型的工业镜头也是如此，一般来说，像 差较大的镜头价格便宜，像差越小镜头的价格越昂贵，并呈指数上升趋势，因为高精度的镜头 需要材质、加工精度和镜片结构各方面的有效配合，镜头的价格从几百元到几万元不等。常见 的结构有著名的四片三组式天塞镜头和六片四组式双高斯镜头等。在应用中一般是依据分辨 率、明锐度和景深几个实用参数进行选型：分辨率（Resolution）：又称鉴别率、解像力，指镜 头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力，制约工业镜头分辨率的原因是光的衍射现象，即衍射光 斑（爱里斑），分辨率的单位是“线对/毫米”（lp/mm）；明锐度（Acutance）：也称对比度，是 指图像中最亮和最暗的部分的对比度；景深（DOF）：在景物空间中，位于调焦物平面前后一 定距离内的景物，还能够结成相对清晰的影像。上述位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影 像的景物间之纵深距离，也就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围，称 为景深。 机器视觉中的镜头根据用途不同可以分为远心镜头、微距镜头、CCTV 镜头等，表 1-4 列 出了这些镜头的用途。 表 1-4 不同用途工业镜头 说明 优点 缺点 远心镜头 镜头的主光线与镜头的光轴平 行，必须要使用同轴入射光源 被摄物体精度高，无透视误 差 镜头体积大，价高 微距镜头 用于接近摄影 低失真，小型，轻量，耐振 性能好 只适合一定视野范围，倍 率限定 CCTV 镜头 可以无限聚焦，聚焦调整以及 螺丝调整简单 视野范围可以任意调节，低 价位，适合于大视野 周边可能出现失真。周围 尺寸可能变动 线扫描镜头 主要用于线感应 低失真，阴影小。抗震好 尺寸大，笨重 变焦镜头 可以改变放大倍率而不改变工 作距离和摄像机位置 可根据需要随时变换焦距， 无需更换镜头 焦段跨度大的不如焦段较 近的成像质量好，体积大
其中远心镜头主要应用于精密测量。普通光学镜头在精密测量中存在很多不利因素影响 结果的精确度，如影像的变形、视角选择造成的误差、不适当光源干扰下造成边界的不确定性 等问题，如前所述漫反射光源引起的边缘发虚问题可以通过平行光源加上远心镜头来解决。 除了选择焦距和镜头类型外，镜头光圈大小是镜头的另一重要参数，它通过控制镜头通 光量的大小满足成像所需的合适照度。光圈越大，靶面成像照度越大，摄像机输出信号强度越 大，信噪比越高。 可以理解，通光孔径越大，通过的光量越大；但我们关心的是到达芯片的光量，而焦距 越长，意味着芯片离镜头中心越远，相应的光就越弱，所以在芯片照度相同的条件下，标准光 圈大小的参数应该与孔径和焦距两个变量有关。 通常用镜头焦距 f 和通光孔径 D 之比表征光圈大小，该比值被称为光圈系数 F。光通量与 F 值的平方成反比关系，F 值越小，光通量越大。F 值的规律是后一个值正好是前一个值的 2 倍，所以光圈每调大一挡，光量减少 2 倍。常用值为 1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22 等 几个等级。
光圈一般都可以调节，分为手动光圈（manual iris）和自动光圈（auto iris）两种。 手动光圈是最简单的，适用于光照相对稳定的条件，它由数片金属薄片构成。光通量靠 镜头外径上的环圈调节。旋转环圈可使光圈收小或放大。在照明条件变化大或并非用来监视某 个固定目标的环境中，应采用自动光圈，比如在户外或人工照明经常开关的地方，自动光圈镜 头的光圈动作由马达驱动，马达受控于摄像机的视频信号。 自动光圈工业镜头又分为两类：一类是视频（VIDEO）驱动型，它通过一个视频信号及 电源从摄像机输送到透镜来控制镜头上的光圈，镜头本身包含放大器电路，用以将摄像头传来 的视频幅度信号转换成对光圈马达的控制；另一类是直流（DC）驱动型，利用摄像机上的直 流电压来直接控制光圈，这种镜头只包含电流计式光圈马达，要求摄像头内有放大器电路。 对于各类自动光圈工业镜头，通常还有两项可调整旋钮，一是 ALC 调节（测光调节）， 有以峰值测光和根据目标发光条件平均测光两种选择，一般取平均测光档；另一个是 LEVEL 调节（灵敏度），可将输出图像变得明亮或者暗淡。 在相机成像过程中，会出现所谓的渐晕，它是指对亮度均匀视场照相，得到的图片中央 亮度高于四周的现象。如图 1-29 所示，对于颜色均匀的灰色视场成像可能获得如右图所示的 成像效果。 这一现象产生的原因是由透镜本身通光量决定的，因此光圈大小对此有决定性影响。如 图 1-30 所示，其中从被检对象反射回的光线靠近光轴的大部分能够会聚到像点上，而离轴心 越远，其反射的光线能会聚到像点上的越少，所以在成像平面上，越靠近边缘的光强越小，所 成图像也越暗。 通常在满足精度的前提下，通过增大通光孔径、减小物距，渐晕现象能得到改善，此外，
采用远心镜头加上平行光源也能有效抑制渐晕效应。
图 1-29 渐晕效应
