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1、光源光源是机器视觉系统的重要组成部分，是机器视觉系统设计中必须重点注意的工作，在一定程度上，光源的设计与选择往往决定机器视觉系统成败的关键。机器视觉中光源的选择判断机器视觉的照明的好坏，首先必须了解什么是光源需要做到的！显然光源不仅仅应该只是使检测部件能够被摄像头“看见” 。有时候，一个完整的机器视觉系统无法支持工作，但是仅仅优化一下光源就可以使系统正常工作。机器视觉光源的选择标准对比度：对比度对机器视觉来说非常重要。机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征与需要被忽略的图像特征之间产生最大的对比度，从而易于特征的区分。对比度定义为在特征与其周围的区域之间有足够的灰度量区别。好的
2、照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。亮度：当选择两种光源的时候，最佳的选择是选择更亮的那个。当光源不够亮时，可能有三种不好的情况会出现。第一，相机的信噪比不够；由于光源的亮度不够，图像的对比度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。其次，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。另外，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。鲁棒性：（鲁棒性是控制系统在其特性或参数发生摄动时仍可使品质指标保持不变的性能）另一个测试好光源的方法是看光源是否对部件的位置敏感度最小。当光源放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时，结果图像应该不会随之变化。方向性很强的光源，增大了
3、对高亮区域的镜面反射发生的可能性，这不利于后面的特征提取。在很多情况下，好的光源需要在实际工作中与其在实验室中的有相同的效果。好的光源需要能够使你需要寻找的特征非常明显，除了是摄像头能够拍摄到部件外，好的光源应该能够产生最大的对比度、亮度足够且对部件的位置变化不敏感。光源选择好了，剩下来的工作就容易多了！机器视觉应用关心的是反射光（除非使用背光） 。物体表面的几何形状、光泽及颜色决定了光在物体表面如何反射。机器视觉应用的光源控制的诀窍归结到一点就是如何控制光源反射。如何能够控制好光源的反射，那么获得的图像就可以控制了。因此，在机器视觉应用中，当光源入射到给定物体表面的时候，明白光源最重要的方面
4、就是要控制好光源及其反映。光源可预测：当光源入射到物体表面的时候，光源的反映是可以预测的。光源可能被吸收或被反射。光可能被完全吸收（黑金属材料，表面难以照亮）或者被部分吸收（造成了颜色的变化及亮度的不同） 。不被吸收的光就会被反射，入射光的角度等于反射光的角度，这个科学的定律大大简化了机器视觉光源，因为理想的想定的效果可以通过控制光源而实现。物体表面：如果光源按照可预测的方式传播，那么又是什么原因使机器视觉的光源设计如此的棘手呢？使机器视觉照明复杂化的是物体表面的变化造成的。如果所有物体表面是相同的，在解决实际应用的时候就没有必要采用不同的光源技术了。但由于物体表面的不同，因此需要观察视野中的
5、物体表面，并分析光源入射的反映。控制反射:如果反射光可以控制，图像就可以控制了。因此在涉及机器视觉应用的光源设计时，最重要的原则就是控制好哪里的光源反射到透镜及反射的程度。机器视觉的光源设计就是对反射的研究。在视觉应用中，当观测一个物体以决定需要什么样的光源的时候，首先需要问自己这样的问题：“我如何才能让物体显现？” “我如何才能应用光源使必须的光反射到镜头中以获得物体外表？”影响反射效果的因素有：光源的位置，物体表面的纹理，物体表面的几何形状及光源的均匀性光源的位置：既然光源按照入射角反射，因此光源的位置对获取高对比度的图像很重要。光源的目标是要达到使感兴趣的特征与其周围的背景对光源的反射不
6、同。预测光源如何在物体表面反射就可以决定出光源的位置。机器视觉系统照明设计的几项原则1 、选择主动照明方式：在机器视觉系统中，为了得到稳定、一致的图像，消除环境的影响，常常采用主动照明方式，也就是说，在机器视觉系统中一般要采用人工光源来照明被检测的对象。 2 、优先选择 LED 光源：在光源的选择上，尽量选择 LED 光源作为机器视觉系统的照明光源，因为， LED 光源具有输出光强稳定、寿命长、响应时间短、形状多样、功耗低、造价低等突出的优点。 选择正确的照明方式：根据所需检测目标的特性，选择合适的照明方式。 照明方式 适用情况透射式照明 检测目标的外轮廓目标在透明的材质上发射式照明 检测目标
7、的外轮廓检测目标内部某个部分 亮视场照明 机器视觉中最常用照明方式暗视场照明 表面污物检测表面划痕检测小突起的目标检测表面划痕检测颜色照明 区分目标色彩有差异圆形光源 照明效果类似于同轴光源，是最常用的照明方式，适用于工作距离大于 30 毫米的近似平面物体的照明应用印刷字符检测、 PCB 元件、塑料或铝制容器、标签、工件测量等。 穹形光源 通过把 LED 的发光集中到球心上，在球心位置附近形成明亮的立体照明效果，适用于透明物体内部或立体物体的表面检测：玻璃瓶、滚珠、小工件表面等。 光源的分类光源分为自然光源和人工光源。自然光源主要是指太阳光以及利用太阳光变化的光源。人工光源是人为将各种能源（主
8、要是电能）转换得到的光源。 人工光源按照发光器件本身的发光机理可以分为以下几类： 热辐射光源 白炽灯、卤钨灯黑体辐射气体放电光源 汞灯荧光灯钠灯金属卤化物灯空心阴极灯惰性气体灯固体发光光源 场致发光二极管发光二极管（ LED ）激光光源 气体激光固体激光染料激光半导体激光（ LED ）在机器视觉系统中常用的光源是： LED 光源、光纤光源、荧光灯、白炽灯、卤素灯镜头 镜头的作用镜头在机器视觉系统中扮演着重要的角色，如果光照情况良好的话，成像质量在很大程度上与镜头的好坏有关。镜头的作用实际上就是将目标物的空间位置信息成像于 CCD 的光敏面上。这里一个是要求成像比较清晰，再一个就是要求图像的畸变
9、很小，从信号传递的角度来考虑的话，镜头在视觉系统中相当一个低通滤波器图中所涉及到的参数：成像面成像面是入射光通过镜头后所成像的平面；(CCD 芯片或底片)来感光；焦距是镜头到成像面的距离视角就是视线的角度；工作距离指的是镜头的最下端到景物之间的距离；视野所指的是镜头所能“看”到的最大范围，也就是镜头所能够覆盖的有效工作区域。景深与视野相似，不同的只是景深指的纵深的范围。而视野是横向的范围四大参数视野简单而言，视野应该是你需要检查的物体的尺寸。分辨率只有规定视野而不是规定放大倍数，才能确保系统将具有合适的分辨率。工作距离有时，各种机械限制支配光学限制。工作距离是从镜头前部到受检验物体的距离。需要
10、的工作距离越长，保持小视野的难度和成本就越高。景深假如成像的物体是三维的，那么你还必须考虑景深。镜头的景深是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。镜头的选取我们在评价镜头质量时一般还会从分辨率、明锐度和景深等几个实用参数判断：（1）. 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” （lx/mm） 。（2）. 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。（3）. 景深（DOF)：在景物空间中，位于调焦物平面前后一定距
11、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。（4）. 最大相对孔径与光圈系数：相对孔径，是指该镜头的入射光孔直径（用D 表示）与焦距（用 f 表示）之比，即：相对孔径D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数（aperture scale） ，又称为 f/制光圈系数或光孔号码。一般镜头的相对孔径是可以调节的，其最大相对孔径或光圈系数往往标示在镜头上，如1:1.2 或 f/1.2 。如果拍摄现场的光线较暗或曝光时间很短，则需要尽量选择最大相对孔径较大的镜头。镜头各参数间的相互影
12、响（1）. 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，使像差边缘的照度降低；（2）. 光圈大小的影响情况光圈越大，图像亮度越高； 光圈越大，景深越小； 光圈越大，分辨率越高； （3）. 像场中央与边缘 一般像场中心较边缘分辨率高 一般像场中心较边缘光场照度高（4）. 光波长度的影响在相同的摄像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。选取镜头参考因素（1）.视野（FOV）的大小，也就是你需要看多大的面积，通常市场的大
13、小比需要检测的物品大（普通场合是检测物品占整个视场的 1/22/3） ；（2）.工作距离（WD） ，这个一般也是用户提供的，因为要考虑到自动取放和安装空间，所以这也是必须考虑的一个重要因数；（3）.使用用途，主要就是看用来做什么用途，是测量、定位、判断有无还是只是监控，不同的用途选用镜头也是不一样的，测量和定位最好使用畸变比较小的镜头，而判断有无和监控的要求则显得就比较小。 CCD 相机关于 CCDCCD 电荷耦合式 摄相头和与之相配合使用的镜头被称为机器视觉系统的眼睛.CCD 元件是摄相头的核心部位,被摄相物体反射的光线经镜头聚焦到 CCD 芯片上, CCD 根据光线的强弱聚集相应的电荷,经
14、过周期性放电,即可产生表示一幅画面的电信号,该电信号经过滤波放大处理最终被组合成标准的复合视屏信号输出CCD 是目前机器视觉最为常用的图像传感器。 它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。 CCD 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其器件是以电流或者电压为信号。 这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的 CCD 相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟 / 数字信号处理电路组成。 CCD 的类型面阵 CCD：允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。线阵 CCD： 用一排像素扫描过图片，做三次
15、曝光分别对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。三线传感器 CCD： 在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖 RGB 滤镜，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线 CCD 传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。交织传输 CCD： 这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输 CCD 通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。全幅面 CCD： 此种 CCD 具有更多电量处理能力，更好动
16、态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面 CCD 允许即时拍摄全彩图片。全幅面 CCD 由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面 CCD 曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行，直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。CCD 相机的功能被摄物体的图像经过镜头聚焦至 CCD 芯片上，CCD 根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电 荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视 机的视频输入端便可以看到与原始图像相同的视频图CCD 相机的选择1）矩阵大小或空间分辨率(Array size) 水平向或垂直纵向的感测像素。(例如，768494 或 10241024 等)
