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1、相机及镜头,实物,图像,?,图像采集和处理的过程，最基本的是要把实物尽 量真实地反映到虚拟的图像上,一、成像原理,如何准确地描述一幅图像,一、成像原理,感光芯片的设计思想：就是分割被描述区域，用相应的灰度填充。,一、成像原理,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,显示设备,A/D转换,光电转换设备,放大设备,一、成像原理,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,显示设备,A/D转换,CCD sensor,后端电路,一、成像原理,实物,图像,光子,模拟量（电压）,电荷,日光,监视器,CCD sensor,相机后端电路,模拟相机 + 监视器,一、成像原理,实物,图像,
2、数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,PC,模拟采集卡,CCD sensor,相机后端电路,模拟相机 + 模拟采集卡,一、成像原理,实物,图像,数字量,光子,模拟量（电压）,电荷,光源,A/D转换,CCD sensor,相机后端电路,PC,数字采集卡,数字相机 + 数字采集卡,一、成像原理,由于光电转换设备和放大设备都是针对微观的电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。我们常用的是 CCD 和 CMOS,二、CCD 和 CMOS 的比较,CCD ( Charge Coupled Device ) 电荷藕合器件图像传感器CCD，它集成在高感光度的半导体单晶材料上，能把光线转变
3、成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ) 互补金属氧化物半导体，它集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。,CCD IMAGE SENSOR外形,CCD通用外形,为摄像系统中可记录光线变化的半导体，通常市面所见外形如下图，通常以百万像素megapixel 为单位。,CMOS Image Sensor外形,CCD画素多寡与尺寸大小没
4、有绝对关系,CCD外形尺寸规格,传统 4：3 的规格走向 16：9 /16：10 更宽广的界线。然而，大多数 DSC 消费型数字相机的 CCD 长宽比，依然沿袭 1950 年代电视规格标准刚制订时 4：3的标准（3：2主要仍为 DSLR 数字单眼机身所采用，另中片幅、专业数字机背享有1：1之正方形特殊规格）。主要是这方面设计变更不仅会影响成本，也会牵动至后续相机与镜头的设计。,CCD外形尺寸信息,CCD sensor,放大,A/D,光子,电子,电压,数字信号,CMOS 芯片可以在像素上同时完成这两个步骤,CCD与CMOS的光电转换示意图：,由上面两图可看出：CMOS和CCD最大的区别是 CMO
5、S的 电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的,二、CCD 和 CMOS 的比较,由于上面所说的结构，CCD的电路更改更方便。而由于CMOS的过分集成，电路更改不方便，但可靠性高。 CMOS功耗小。 CMOS噪声大。 CCD信噪比的典型值一般为4555dB。 CMOS传感器有固定比CCD传感器高10倍的噪音。 CMOS速度快。由结构决定。 成本CMOS便宜一些。,二、CCD 和 CMOS 的比较,CMOS灵敏度差。 CMOS传感器对光线的灵敏度不好，感光度通常比CCD传感器低10倍。人眼能看到1Lux照度（满月的夜晚）以下的目标，CCD传感器通常能看到比人眼略好，大约能看到在0.13Lux照度以
6、下的目标，是CMOS传感器感光度的3到10倍。CMOS传感器的感光度一般在6到15Lux的范围内。,二、CCD 和 CMOS 的比较,二、CCD 和 CMOS 的比较,因为CMOS传感器在10Lux以下基本没用，因此大量工业及广播级摄像机都使用CCD传感器，CMOS传感器一般用于低端产品。在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也不太好。 由于自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。 CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速摄像头则会采用CMOS芯片。,感光器件类型,工
7、业数字相机基本知识,分为两大类，CCD器件和CMOS器件,按用途分类,工业数字相机基本知识,分为机器视觉相机和安防监控相机两大类,按感光单元排列方法,工业数字相机基本知识,分为线阵扫描相机和面阵扫描相机,彩色形成方式,工业数字相机基本知识,彩色覆膜+bayer算法,棱镜分光方法,镜头外形,镜头基本知识,一、分类,焦距：短焦镜头、中焦镜头，长焦镜头 视场：广角、标准、远摄镜头 结构：固定光圈定焦镜头，手动光圈定焦镜头，自动光圈定焦镜头，手动变焦镜头、自动变焦镜头，自动光圈电动变焦镜头，电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头。,镜头外形,镜头基本知识,一、分类,标准镜头：视角约50 度 广角镜头
8、：视角90 度以上，适用於拍摄距离近且范围大的景物，又能刻意夸大前景表现强烈远近感 特广角镜头：100120 度 长焦距镜头：适于拍摄距离远的景物，景深小容易使背景模糊主体突出，但笨重且对动态主体对焦不易 反射式望远镜头：另一种超望远镜头的设计，利用反射镜面来构成影像，仅能以快门来调整曝光。 微距镜头（marco lens）：除作极近距离的微距摄影外也可远摄,镜头外形,镜头基本知识,机器视觉常用定焦镜头，并且都是手动调整光圈，一般不允许自动调整光圈，镜头上有调焦和调光圈两个环，为了防止误碰动 ，工业镜头的两个环都有锁定螺丝。 注意调焦环不是用来调整焦距，而是调整像距，保证清晰图像落在焦平面上,
9、29,工业镜头的接口,物镜的接口尺寸是有国际标准的，共有三种接口型式，即F型、C型、CS型。F型接口是通用型接口，一般适用于焦距大于25mm的镜头；而当物镜的焦距约小于25mm时，因物镜的尺寸不大，便采用C型或CS型接口。,30,工业镜头的接口,C接口和CS接口的区别,C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离不同，C型接口此距离为17.5mm., CS型接口此距离为12.5mm.。 C型镜头与C型摄像机，CS型镜头与CS型摄像机可以配合使用。C型镜头与CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接环可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无法配
10、合使用。,31,视场(Field of view, 即FOV，也叫视野范围) ：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（视场范围是选型中必须要了解的） 工作距离(Working Distance,即WD):指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等） 分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好。 景深 (Depth of view，即DOF)：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力 （需要了解客户对景深是否有特殊要求？）,镜头基本参数示意图
11、,工业镜头的基本参数,常用镜头参数：分辨率,镜头基本知识,镜头分辩率指的是在像平面处1毫米内能分辨开的黑白相间的线条对数，单位是“ 线对 / 毫米”。 CCD的芯片的分辨率越高，要求的镜头的分辨率也越高,光圈越小，景深越大,镜头基本知识,增加景深的问题,镜头基本知识,例如除杂机里，烟叶不完全在同一个平面上，只有加大景深才能让不同距离上的烟叶都清晰。 加大景深只有通过缩小光圈来实现，而缩小光圈同时会导致图像变暗，这就要求照明亮度要提高,35,工业镜头的其他参数,感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要。镜头主要缩放比例
12、(PMAG) 由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸和视场，但PMAG却不属于基本参数。,焦距（f）焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。（需要记住的公式） f=工作距离/视野范围长边（或短边）X CCD长边（或短）,焦距大小的影响情况： 焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越小，渐晕现象越严重。,36,解析度 表示一组物镜所能见到了2点的最小间隔,解像力 mm中间可以看到黑白线的条数。单位（lp）/mm.,MTF（Modulation Transfer
13、 Function） 反映的是镜头对现实世界的再现能力。,37,失真（distortion）：（衡量镜头性能的指标之一） 又称畸变，指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。,光圈与F值 光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1.4，f2，f2.8 etc,常用镜头参数：光圈,镜头基本知识,光圈是一个用来控制光线透过镜头，进入机身内感光面的光量的装置 光圈f值=镜头的焦距/镜头口径的直径 根据公式，光圈f值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多 ，每级光圈一
14、般以倍数递增，例如f8调整到f5.6 ，进光量多一倍,39,工业镜头各参数间相互影响关系,光圈大小的影响情况： 光圈越大，图像亮度越高； 景深越小；分辨率越高； 像场中央与边缘： 一般像场中心较边缘分辨率高； 像场中心较边缘光场照度高 光波长度的影响： 在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。,40,用于计算主要缩放比例的公式如下： PMAG = 感光芯片尺寸 (mm) / 视场 (mm),主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图,光学放大倍数
15、,41,42,显示放大倍数,显示放大倍率在显微中应用非常广泛，被测物体的显示放大倍率取决于三个因素：镜头光学倍率、工业相机感光芯片的尺寸（靶面大小）、显示器尺寸。 显示放大倍率=镜头光学倍率显示器尺寸25.4/耙面对角线尺寸,43,工业镜头的主要类别：分类方式,按焦距划分：定焦和变焦 按光圈划分：固定光圈和可变光圈 按接口划分：C接口、CS接口、F接口等 按倍数划分：定倍镜头、连续变倍镜头 机器视觉行业常用到的很重要的镜头主要包括FA镜头，远心镜头和工业显微镜 等,44,工业镜头的主要类别：常用摄像物镜,主要参数有焦距f 光圈数F和视场2. 经验公式：1/F *tanf=C,F型接口类型摄像物镜焦距表（mm）,C,CS型接口类型摄像物镜焦距表(mm),常用摄像物镜参数,CCD成像基础公式,光路计算,1/u + 1/v = 1/f,u:物距 v:像距 f: 焦距,CCD靶面,镜头中心点,目标物体,v,u,视角,
