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1、视觉基础知识,V1.0 张超,一、基础学习,第一节,光源,光源类型,光与被测物间相互作用,现实中，镜面反射几乎不可能像镜子一样是理想的相反，镜面反射在一定角度 产生较强的波瓣型反射，如下图。,利用照明的光谱,彩色物体反射了一部分光谱，其他部分被吸收,使用合适的照明光源使其光谱范围正好是希望看到波长范围被物体反射，不希望看到的波长范围被物体吸收,直接暗视场正面照明,第二节,镜头,成像原理,进光量小，必须通过非常长的曝光时间才能得到亮度足够的图像,镜片折射原理,折射定律,厚镜片成像 一般将镜头看作一个厚镜片,光阑、入瞳与出瞳,D：可变光阑（俗称光圈） 基于孔径光阑，定义镜头系统中两个重要的虚拟光阑
2、：入瞳（ENP）与出瞳（EXP）。入瞳决定镜头入口可以接收光线的面积。入瞳是孔径光阑被其前面的光学系统在物方所成的像，通常为虚像。入瞳是物面上所有各点发出的光束的共同入口，通过入瞳的光线可以进入到镜头系统中，在镜头中传播并通过镜头。同样，出瞳是孔径光阑被其后面的光学系统在像方所成的像，通常也为虚像。只有能通过出瞳的光线才能通过整个光学系统。,景深,固定放大率时：光圈缩小（增大光圈值），景深增大 固定放大率时：光圈增大（减小光圈值），景深减小 固定光圈值时：焦距越大（增大放大率），景深减小 固定光圈值时：焦距越小（减小放大率），景深增大,远心镜头,普通镜头：越近的物体所成的像越大 远心镜头：成像
3、不产生形变,镜头的像差,之前都是假设在高斯光学中同心光束通过镜头后会聚于一点，而实际情况中通常是不会发生这种情况的，会有像差。 引起像差的原因有好几种，其中最根本的因素就是构成相机镜头的光学镜片是由球面的一部分制造出来的。由于是球面，镜头中心和周围的入射光折射率就会不一样，也就无法实现理想的成像。,常见像差：,球面像差（球差）,球差：焦点没有全部集中在光线轴上的一点而出现前后偏移的现象,以镜头是球面构成的观点而言，这是一种无可避免的像差。通过镜头中心处的光线和通过边缘处的光线（随着入射位置的差异），由于光线前后偏移而聚焦成焦点，因此就会将影像拍模糊。从边缘处所射入的光线会形成光斑，而出现光的扩
4、散。 通过缩小光圈的方式可以改善球面像差的问题，但当光圈缩得太小时，有时会引起焦点移动。,慧形像差（慧差）,慧差：斜光线没有集中在像面上的一点,从光轴外的倾斜方向所进入的入射光，没有集中在像面的一点而拉出彗星尾巴般的扩散现象。由于在画面边缘部分很明显，会使影像对比度降低。就连受到彗形像差影响的失焦部分也会出现彗星状的像差，而这也称为彗形像差。,像散像差,这是指点没有以点的形状来成像的像差。点如果出现在越是靠近画面边缘的位置，就会在垂直方向或水平方向拍出偏离成类似线状的形状，而偏离方向会分成同心圆 和放射状。当画面四周如果有很细的直线和横线出现时，直线越清楚则横线会变得模糊；而横线越清楚的话则直
5、线会变成模糊，这就是像散像差。,像场弯曲,这是指当对焦时的面以面的形状被记录下来的时候，在这个面所引起焦点偏离的像差。由于平面会被拍摄成碗状，所以，将焦点对准画面的中心处时，画面边缘部分就会被拍成失焦；而焦点对准画面边缘部分时，中心处就会被拍成失焦。 此像差就算缩小光圈也完全不会有任何改善效果。,畸变像差,四方形的平面没有形成四方形，即没有形成相似形状的像差。直线会拍成曲线；正方形的被摄体会形成桶状或者是枕状的变形。镜头组合构成上，镜片对称的分置光圈两侧，畸变像差比较少；非对称构成的镜片，则经常发生。,色像差（色差）,不同色彩的光线波长也不一样，通过镜头的折射率也会变得不同，导致焦点所集结的点
6、错开，这就是色差。 当出现色差后，成像的性能不但会变差，就连原本不该有的地方都会出现色彩。色像差分为“位置色像差”与“倍率色像差”两种。使用长焦镜头时可明显发现位置色像差；使用广角镜头时可以明显发现倍率色像差。 改 善色像差的方法之一是要同时使用性质（折射率等）不同的玻璃镜片；另外一种是利用光线分散率非常少的特殊玻璃片。特殊低色散玻璃（ED镜片）以及萤石镜片 等都是特殊镜片。随着工艺的发展，非球面镜片、纳米镀膜等都使色像差得到了一定的改善，相信未来技术的发展也会使成像更趋于理想的状态。,第三节,相机,传感器种类,CCD,CMOS,CCD,CCD的英文全称是“Charge- coupledDev
7、ice”，中文全称是电行耦合元件，通常称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号，CCD上植 入的微小光敏物质称作像素(Pixel)，一块CCO上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD作用就像胶片一样，但它是把图像像素转换成数字信号，CCD上有许多排列整齐的电容，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电行转给它相邻的电容。 CCD图像传感器可直接将光学信号转换为模拟电流信号，电流信号经过放大和模数转换，实现图像的获取.存储、传输.处理和重现。,线阵CCD传感器,光在光电探测器中转换为电荷，转移至串行读出寄存器
8、并通过电荷转换器和放大器读出。对于线性传感器光电探测器常为光电二极管。 线阵传感器只能生成高度为1行的图像。为了得到有效图像，一般需要被摄或者相机作相对运动。,全帧转移型CCD面阵传感器,光在光电探测器中转化为电荷，电荷按行的顺 序转移到串行读出电路寄存器，然后转换为视 频信号,拖影：在读出过程中，光电传感器在曝光，仍有电荷在积累。由于上面的像素要经过下面的像素位移出去，因此像素积累的全部场景就会产生拖影现象。 为了避免出现拖影，必须加上机械快门或利用闪光灯，这是全帧转移型面阵传感器的最大缺点。 其最大优点是填充因子（填充因子是像素光敏感区域与整个靶面之比）可达100%。这个填充因子使得像素的
9、光敏感度最大化并使图像失真最小化。,帧转移型CCD面阵传感器,为了解决全帧转移型传感器的拖影问题，全帧转移型传感器加上另外的传感器用于存储，在这个传感器上覆盖有金属光屏蔽层，构成帧转移型面阵传感器。 由于两个传感器间转移速度很快，通常小于500um，因此拖影可以大大减少。（并不是完全没有） 优点是填充因子可达100%并且不需要机械快门或闪光灯。 缺点是成本高,隔列转移型CCD传感器,除光电探测器外，这种传感器还有一个带有不透明的金属屏蔽层的垂直转移寄存器。图像曝光后，累积到的电荷通过传输门电路转移到垂直传输寄存器。这一过程通常在小于1us内完成。 优点：图像没有拖影，不需要机械快门和闪光灯。
10、缺点：由于其传输寄存器需要在传感器上占用控件，所以填充因子可能低至20%，图像失真会增加。,CCD读出模式,隔行扫描 两次曝光之间有移动就会出现锯齿,逐行扫描,CMOS传感器,CMOS(CompementaryMetalOxideSemiconductor)指互补金属氧化物半导体，是电压控制的一种放大器件，是组成CMOS数字集成电路的基本单元。在数字影像领域，CMOS作为一种低成本的感光元件技术被发展出来，市面上常见的数码产品，其感光元件主要就是CCD或者CMOS，尤其是低端摄像头产品，而通常高端摄像头都是CCD感光元件。 CMOS制造工艺被应用于制作数码影像器材的感光元件，是将纯粹逻辑运算的
11、功能转变成接收外界光线后转化为电能，再造过芯片上的模一数转换器(ADC)将获得的影像讯号转变为数字信号输出。,CMOS传感器,CMOS传感器的每一行都可以通过行和列选择电路直接选择并读出。CMOS传感器可以当作随机存取存储器。 CMOS每个像素都有一个自己的独立放大器。 填充因子很低，常使用微镜来增加填充因子和减少图像失真。,读出方式：全局曝光与行曝光,行曝光,全局曝光,由于CMOS传感器每一行都可以独立读出，因此最简单得到一幅图像的方式就是一行一行曝光并读出。对于连续的行，曝光时间和读出时间可以重叠，这就是行曝光。这种读出方式会使图像第一行和最后一行有很大的采集时差。 全局曝光传感器对应每个
12、像素都需要一个存储区，因此降低了填充因子。,传感器光波感应,CCD和CMOS传感器对于近紫外200nm至可见光380780nm直至近红外1100nm波长范围都有响应。,彩色相机,由于CCD和CMOS传感器对于整个可检光波段全部都有响应，所以无法产生彩色图像。为了产生彩色图像，需要在传感器前面加上彩色滤镜阵列（CFA）使得一定范围的光到达每个光电探测器。由于这种传感器仅使用一个芯片得到彩色信息，所以称作单芯片摄像机。 右图：最常见的Bayer滤镜阵列。由于人眼对于绿色最敏感，所以滤镜阵列中绿色采样频率是其他两种的两倍。,Bayer彩色滤镜阵列,成像对比,黑白相机,彩色相机 看上去有毛刺,使用白色
13、背光拍摄样品表面后效果：,三芯片相机,通过镜头的光线被分光器或棱镜分为三束光然后到达三个传感器。每个传感器前有一个不同的滤光片。这种摄像机称作三芯片摄像机。 由于使用三个传感器，并且三个传感器需要很仔细的调整位置，因此价格比单芯片摄像机贵很多。,三芯片摄像机,传感器尺寸,CCD和CMOS有多种生产尺寸，常以英寸表示。 常见的传感器尺寸见下表。 一般选择镜头时，镜头的像面尺寸不应小于传感器尺寸。,镜头像面尺寸小于传感器尺寸后产生的黑圈,相机-计算机接口,26帧MDR连接器，传输效率非常高,又叫火线，最早是6帧接插件,4帧接插件,以太网，一般需要额外供电,二、实例应用,第一节,测量类项目相机选型方
14、法,客户提出了精度要求，提供了样本以后，如何选择工业相机？,工业相机选型六大参数,其他可能面临的选择,传感器类型：面阵、线阵 芯片类型：CCD、CMOS 色彩类型：黑白、彩色 相机与镜头口：C口、F口、CS口,相机分辨率选择案例（1）,假设样品表面大小为10mm*10mm，仅检测该平面，不考虑倾斜因素 假设客户精度要求为0.01mm,相机分辨率选择案例分析,实际视场必须包含整个样品表面，一般为样品表面的1.5倍到2倍，因此实际的视场可以为15mm * 15mm到20mm * 20mm之间。（这里选20mm * 20mm） 现在的亚像素精度一般能达到1/5左右，1/3像素基本能够保证精度。（保守
15、选择1/3像素，即1个像素大小为0.03mm） 每条边的最小像素为20mm除以0.03mm/像素 = 667像素 相机的分辨率必须支持667*667以上，比如1024*768,666Pixel,666Pixel,1024Pixel,768Pixel,第二节,如何选择镜头,这么多怎么选？,镜头选择考虑因素,焦距计算公式,焦距f = 芯片高度h * 物距D / 物体高度H 焦距f = 芯片宽度v * 物距D / 物体宽度V 焦距f = 成像放大倍率M * 物距D / （1+M）,镜头选择案例（2）,要给硬币检测成像系统选配工业相机镜头 约束条件：相机CCD 2/3英寸，像素尺寸4.65m，C口。工
16、作距离大于200mm，系统分辨率0.05mm。 光源采用白色LED光源,镜头选择案例分析,1. 与白色LED光源配合使用的，镜头应该是可见光波段。没有变焦要求，选择定焦镜头就可以了。 2. 用于工业检测，其中带有测量功能，所以所选镜头的畸变要求小。 3. 工作距离和焦距 成像的放大率M=4.65/（0.05x1000）=0.093 焦距f=L*M/（M+1）=200*0.093/1.093=17mm 物距要求大于200mm，则选择的镜头要求焦距应该大于17mm。 4. 选择镜头的像面应该不小于CCD尺寸，即至少2/3 英寸。 5. 镜头的接口要求是C口，能配合相机使用。光圈暂无要求。,镜头选择案例结论,从以上几方面的分析计算可以初步得出这个镜头的“轮廓”：焦距大于17mm，定焦，可见光波段，C口，至少能配合2/3英寸CCD使用，而且成像畸变要小。按照这些要求，可以进一步的挑选，如果多款镜头都能符合这些要求，可以择优选用。,第三节,运动效率计算方法,最大测量/检测速度能达到多少？,最大速度计算方式,最大速度=视场大小 * （单位时间拍照时间+单位时间处理时间） 以案例1为例，
