一些关于机器视觉的概念

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视觉引导的运动 如果你的应用需要一个视觉系统来引导机器人，那么必须知道视觉系统与运动系统是如何集成的。对于校准和操作，没集成的运动系统与视觉系统是初步的系统，机械人或机构和视觉系统是分开校准的。在操作中，一台独立的视觉系统根据在视觉坐标系统中的已知位置计算出零件位置的偏移量，然后发指令给机器人的手臂在离初始化编程的拾取位置的偏移量处拾取零件。

由于机器视觉系统可以快速获取大量信息，而且易于自动处理，也易于同设计信息以及加工控制信息集成，因此，在现代自动化生产过程中，人们将机器视觉系统广泛地用于装配定位、产品质量检测、产品识别、产品尺寸测量等方面。
   机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术。使用机器视觉系统五个主要原因：
   重复性——机器可以以相同的方法一次一次的完成检测工作而不会感到疲倦。与此相反，人眼每次检测产品时都会有细微的不同，即使产品时完全相同的。
   精确性——由于人眼有物理条件的限制，在精确性上机器有明显的优点。即使人眼依靠放大镜或显微镜来检测产品，机器仍然会更加精确，因为它的精度能够达到千分之一英寸。
   速度机器能够更快的检测产品。特别是当检测高速运动的物体时，比如说生产线上，机器能够提高生产效率。
   客观性——人眼检测还有一个致命的缺陷，就是情绪带来的主观性，检测结果会随工人心情的好坏产生变化，而机器没有喜怒哀乐，检测的结果自然非常可观可靠。
   成本——由于机器比人快，一台自动检测机器能够承担好几个人的任务。而且机器不需要停顿、不会生病、能够连续工作，所以能够极大的提高生产效率。

     机器视觉在中国的发展已有十余个年头。过去十年是机器视觉产业在中国市场发展最快的十年，经过一定时期的普及与推广，机器视觉已逐渐为广大客户所熟知，而且应用范围，也逐渐开始扩大，大规模的应用领域由起初的电子、制药等行业，逐步扩展到包装、印刷等各大领域。
      机器视觉市场在发展，机器视觉技术在进步，在以不断满足客户发展需求的同时，最基本需求的满足也是不容忽视的。一直以来，我国的科技水平都处于不断发展的阶段，机器视觉技术作为科技发展的产物，为了更好的适应行业需求，也在不断的优化升级。纵观行业发展，国内机器视觉市场机遇与挑战并存，而行业技术的升级更显得尤为必要了。为顺应行业发展趋势，国内的机器视觉技术就需要通过以下四大要素来升级。
一、系统操作简单方便
     技术参数简单化、处理技术方便化，是系统操作最为关键也是核心的要素。机器视觉技术虽然属于高科技技术，在运作过程中，还需要依靠不断调整各种参数来达到最好的效果。但是目前来说，操作人员大都技术水平有限。因此，系统简化是大多数客户的较价格与质量之后的基本需求，而系统简化主要包括的是检测操作的简化与图像处理的简化。
二、系统长期可维护性
     一个好的系统不仅要考虑使用性还应考虑其在长期运做中的可维护性，机器视觉技术的稳定性、可靠性足以使系统在实际应用中，更好的发挥功能优势，提供有力的技术支持。
三、检测技术稳定可靠
     在工业生产过程中，由于被测物体的多样化以及机械的误差影响，使得整个检测过程很难是维持在平稳的状态。因此，这就需要机器视觉技术有很高的稳定性，从光源照明、图像采集到图像存储与处理都要有可以在任何环境下持续运作的适应能力，同时，还要尽量能采集到突出检测对象的图像，这样才能给出最为稳定、准确、清晰的检测结果，才能为生产或质检工作提供技术支持。
四、系统性价比值高
     在保障质量的基础上，客户最为关心的莫过于价格问题。机器视觉技术不断升级本是件对客户有益的事，但如果只是一味的使用昂贵的部件，就会造成价格的大幅提升，对于大部分的用户来说，无疑增添了负担。性能好、价格低的系统才是能满足最基本需求的，因此性价比是衡量一个系统的重要标志，也是客户选择产品最重要的指标之一。
     中国是世界的制造工厂，目前全球几乎所有的知名企业都把生产工厂放在中国，机器作业代替人员操作已成为市场优胜劣汰的必然选择。机器视觉产业在中国有着非常广阔而光明的前景，也使中国机器视觉市场成为全球机器视觉企业的竞争焦点，因此我们要抓住时机，不断引进各项高新技术，促进行业的快速发展。

在机器视觉系统中,获得一张高质量的可处理的图像是至关重要。系统之所以成功，首先要保证图像质量好，特征明显,。一个机器视觉项目之所以失败，大部分情况是由于图像质量不好，特征不明显引起的。要保证好的图像，必须要选择一个合适的光源。
光源选型基本要素：   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：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。
   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。具体的光源选取方法还在于试验的实践经验

1、环形光源
　　提供不同照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；高密度LED阵列，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散。应用于：PCB基板检测，IC元件检测，显微镜照明，液晶校正，塑胶容器检测，集成电路印字检查。 
　　2、背光源 
　　用高密度LED阵列面提供高强度背光照明，能突出物体。的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。红白两用背光源、红蓝多用背光源，能调配出不同颜色，满足不同被测物多色要求。应用于：机械零件尺寸的测量，电子元件、IC的外型检测，胶片污点检测，透明物体划痕检测等。 
　　3、条形光源 
　　较大方形结构被测物的首选光源；颜色可根据需求搭配，自由组合；照射角度与安装随意可调。应用于：金属表面检查，图像扫描，表面裂缝检测，LCD面板检测等。 
　　4、同轴光源  光的一致性好
　　可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。应用于：系列光源最适宜用于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和硅晶片的破损检测，Mark点定位，包装条码识别。 
　　5、AOI专用光源 
　　不同角度的三色光照明，照射凸显焊锡三维信息；外加漫射板导光，减少反光；不同角度组合；应用于：电路板焊锡检测。 
　　6、球积分光源 
　　具有积分效果的半球面内壁，均匀反射从底部360度发射出的光线，使整个图像的照度十分均匀。应用于：合于曲面，表面凹凸，弧形表面检测，或金属、玻璃表面反光较强的物体表面检测。 
　　7、线形光源 
　　超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。:阵相机照明专用，AOI专用。 
　　8、点光源 
　　大功率LED，体积小，发光强度高；光纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等；高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。应用于：适合远心镜头使用，用于芯片检测，Mark点定位，晶片及液晶玻璃底基校正。 
　　9、组合条形光源 
　　四边配置条形光，每边照明独立可控；可根据被测物要求调整所需照明角度，适用性广。应用案例:CB基板检测，IC元件检测，焊锡检查，Mark点定位，显微镜照明，包装条码照明，球形物体照明等。 
　　10、对位光源 
　　对位速度快；视场大；精度高；体积小，便于检测集成；亮度高，可选配辅助环形光源。是全自动电路板印刷机对位的专用光源。

使用机器视觉LED光源，一般都提供几种供电方式可供选择，常见的有5V、12V、24V直流电源，功率根据所用LED的数量多少而定，电压不同会引起什么区别呢？这和LED的特性有关。一般LED的工作电流在10mA~25mA，特别亮的LED可达50mA甚至更高，而LED的电压降一般为1.8V到3.3V，因此通常每个LED上都串联一个电阻（分压电阻），这样才能保证LED发光均匀，而且在电压波动时不易损毁。
    那么，由于LED上的电压降和通过的电流都是恒定的，供电电源的电压不同时，多余的电压是串联的电阻所承担的，例如给一颗1.8V、15mA的LED用24V供电时，需要串联1.48KΩ[(24-1.8)/0.015=1480]，此时电阻的功耗是0.015*0.015*1480=0.333W，如果使用多个LED颗粒组合成光源，光源会发出很高的热量 ，这时必须采用风扇等强制散热手段，否则光源的寿命会很短。而同样的LED使用5V供电时，串联电阻R=213Ω，电阻的功耗为0.048W，和24V供电时差了近7倍。这时仅仅靠对流产生的散热效应就足够了，不必用强制散热的方法。
    既然用低电压有好处，为什么还使用12V、24V呢？原因很简单，由于机器视觉用于工业生产线上，一般24V是标准配置；另外电压高时，搞干扰能力强，而低压则对电源和工作环境提出了更高的要求。是使用恒流源还是恒压源，环境温度有何影响等，均需要考虑。常亮还是闪亮

图片亮暗的控制，除了快门、光圈、增益外，还可以控制光源的亮暗以及亮的时间来控制，我们先来看一下常亮光源和闪光的优缺点。
     如果保持稳定的供电，那么光源的亮度基本不变，如果供电使用脉冲，脉冲的时间宽度和LED本身的响应时间决定了发光时间，若是这个时间小于相机快门开启的时间，那么相机的曝光程度是由光源发出的光通量决定的，如果大于快门时间，则由快门决定。
    一般情况下，如果需要频闪光源（时间小于快门速度），传统上使用普通的照相机闪光灯，使用LED强度不够，所以以往针对于LED光源来讲，闪光是指光源开启时间大于快门时间的情况。
    频闪控制器，通常采用的是超电流的方法，即控制通过LED的电流超出标定的值多少倍，而使亮度增加，但是这种高负荷的工作状态由于功率过大，发热严重，对光源的寿命影响很大，所以通常通电时间都很短，减少光源的工作时间，以此来延长光源的使用时间。
使用频闪控制器，可以获得高亮的光源，可以减少环境的影响，可以减少快门时间从而减少动态拍摄时的拖尾现象，而且如果只需要平常的亮度时，可以使用低亮度的LED发光管，可以降低成本。
    但是使用频闪时，电源的成本会提高，而且同步问题也必须考虑，频闪控制器可以从外部输出触发信号来触发光源，也可以从外部输出触发信号来触发频闪控制器，本身输出触发信号同时触发光源与相机，这样能达到光源与相机触发的同步。

 机器视觉光源的选择是为了将被测物体与背景尽量明显分别，获得高品质、高对比度的图像。而且视觉光源的正确选择，直接影响系统的成败，处理精度和速度。荣旭机器视觉光源，具有亮度可调、低温、均衡、无闪烁、无阴影，亮度、色温一致，使用寿命长等优点。本公司致力于不断开发新的产品和完善其功能，提供多种机器视觉光源产品，免费提供测试，并协助提供整体解决方案它已广泛应用于各个行业。

光源的种类

    视觉系统使用的光源主要有三种，高频荧光灯、光纤卤素灯、LED（发光二极管）照明。理想的视觉光源应该是明亮，均匀，稳定的，
    高频荧光灯：发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，并且采用高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率，消除图像的闪烁。适合大面积照明，亮度高，且成本较低。但需要隔一定时间换灯管一定要进口的才过关，国内的高频做的不行，老有闪烁，国外最快可做到60KHz。

    光纤卤素灯：卤素灯也叫光纤光源，因为光线是通过光纤传输的，适合小范围的高亮度照明。它真正发光的是卤素灯炮，功率很大，可达100多瓦。高亮度卤素灯炮，通过光学反射和一个专门的透镜系统，进一步聚焦提高光源亮度。卤素灯还有一个名字叫冷光源，因为通过光纤传输之后，出光的这一头是不热的。适合对环境温度比较敏感的场合，比如二次元量测仪的照明。但它的缺点就是卤素灯炮寿命只有2000小时左右。

    LED灯：使用寿命约10000－30000小时，可以使用多个LED达到高亮度，同时可组合不同的形状，响应速度快，波长可以根据用途选择。

机器视觉LED光源的性能优势

可制成各种形状、尺寸及各种照射角度；可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度；通过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定；使用寿命长（约3万小时，间断使用寿命更长）；反应快捷，可在10微秒或更短的时间内达到最大亮度；电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，可以用作频闪灯；运行成本低、寿命长的LED，会在综合成本和性能方面体现出更大的优势；可根据客户的需要，进行特殊设计。

工业相机由两大基本部件组成：图像感光芯片和数字化的数据接口。 图像感光芯片由数十万至数百万个像素组成。 像素把光线的强度转换为电压输出。 这些像素的电压被以灰度值的形式输出，所有像素放在一起就形成了图像，发送给计算机。 数据接口主要有USB 2.0、1394和千兆以太网三种。

     CCD、CMOS是现在普遍采用的两种图像工艺技术，它们之间的主要差异在于传送方式的不同。虽然CCD在影像品质、分辨率大小、灵敏度等方面优于CMOS，而CMOS具有低成本、低功耗以及高整合度的特点。随着CCD与CMOS技术的不断进步，两者之间的差异将逐步减小。
1、分辨率差异：由于CMOS的每个像素都比CCD复杂，且其像素尺寸很难达到CCD的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时，CCD的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。同尺寸大小，CCD的分辨率要高于CMOS，也就是说成像质量要优于CMOS。

2、噪声差异：由于CMOS的每个感光二极管都需要搭配一个放大器，若以百万像素计算的话，那就需要上百万个的放大器，然而放大器属于模拟电路，很难让所得的每个结果都保持一致。而CCD只需要一个放大器放在芯片边缘，与CMOS相比，它的噪声相对减少很多，大大提高了图像品质。

3、灵敏度差异：因为CMOS信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，读取信号时 CMOS是点直接读取信号，CCD则是行间接读取信号，因此在像素尺寸相同的情况下，CMOS的灵敏度要低于CCD。 
4、耗电量差异：CMOS采用主动式图像采集方式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体放大输出；而CCD为被动式采集方式，必须外加12~18V的电压以使每个像素中的电荷移送到传输通道。因此CCD就必须设计更精密的电源线路和耐压强度，这样使得CCD的耗电量远远高出CMOS，根据计算CMOS的耗电量仅是CCD的1/8~1/10。 
 5、成本差异：由于CMOS与现有的大规模集成电路生产工艺相同，可以一次全部整合周边设施到传感器芯片中，大大节省了外围芯片的成本；而CCD采用电荷传递的方式输出数据，只要其中有一个像素传送出现故障，就会导致一整排的数据无法正常传送，因此控制CCD的成品率比CMOS困难许多，因此，CCD的制造成本就相对高于CMOS传感器。

印刷包装行业品种繁多，印刷品颜色与形状多样。部分产品的材质具有极高的反射度并且表面印制了彩色图案。如：易拉罐瓶盖的综合检测一直存在着打光难的问题。因此对产品的检测要求都是十分严格。运用机器视觉技术，能迅速准确的发现印刷品的各种缺陷。

    机器视觉用于印刷行业中的质量检测，其基本的工作原理是用摄像机拍摄（采集）印刷品上的图像，在计算机中与该印品的标准图像（模板）相匹配比较，如果发现差异并超出设定的公差范围，即判定为不合格产品。

   采用检测系统进行质量检测可以提供检测全过程的实时报警和详尽、完善的分析报告外，现场操作者还可以根据全自动检测系统的实时报警及分析报告，对工作中出现的问题进行相应的调整。并且管理者还可以依据检测结果的分析报告，对生产过程进行跟踪，更有利于生产技术的管理。也就是说，质量检测设备不仅可以提升成品的合格率，还能够协助生产商改进工艺流程，建立质量管理体系，达到一个长期稳定的质量标准。 检测印刷制品颜色缺陷检测（如露印检测、浅印检测、偏色检测、露白检测等）；材质缺陷检测（如孔洞检测、异物检测）；印刷缺陷检测（如残缺检测、刀丝检测、飞墨检测、露印检测、套印误差检测）；二维码缺陷检测（如重号检测、偏位检测、不匹配检测等）。

    远心工业镜头主要是为纠正传统工业镜头的视差而特殊设计的镜头，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。 
    普通工业镜头目标物体越靠近镜头（工作距离越短），所成的像就越大。在使用普通镜头进行尺寸测量时，会存在如下问题： 
    1、由于被测量物体不在同一个测量平面，而造成放大倍率的不同； 
     2、镜头畸变大
    3、视差也就是当物距变大时，对物体的放大倍数也改变 
    4、镜头的解析度不高； 
     5、由于视觉光源的几何特性，而造成的图像边缘位置的不确定性。

 

     而远心镜头就可以有效解决普通镜头存在的上述问题，而且没有此性质的判断误差，因此可用在高精度测量、度量计量等方面。远心镜头是一种高端的工业镜头，通常有比较出众的像质，特别适合于尺寸测量的应用。 
    无论何处，在特定的工作距离，重新调焦后会有相同的放大倍率，因为远心镜头的最大视场范围直接与镜头的光栏接近程度有关，镜头尺寸越大，需要的现场就越大。远心测量镜头能提供优越的影像质素，畸变比传统定焦镜头小，这种光学设计令影像面更对称，可配合软件进行精密测量 
    普通镜头优点：成本低，实用，用途广。 
    普通镜头缺点：放大倍率会有变化，有视差。 
    普通镜头应用：大物体成像。 
    远心镜头的优点：放大倍数恒定，不随景深变化而变化，无视差。 
    远心镜头的缺点：成本高，尺寸大，重量重。 
    远心镜头的应用：度量衡方面，基于CCD方面的测量，微晶学

镜头的焦距分为像方焦距和物方焦距。像方焦距是像方主面到像方焦点的距离，同样，物方焦距就是物方主面到物方焦点的距离。

是像方焦距,入射光线为平行线时通过透镜光线的交点到透镜的距离.当点光源距透镜某一距离时折射光线为平行线,这个距离叫物方焦距.

物方远心镜头及像方远心镜头介绍

        在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；另一方面，即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样亲会产生测量误差。为了解决上述问题，可以采用远心镜头。其中像方远心镜头可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心镜头则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。

1）物方远心镜头

        物方远心镜头是将孔径光阑放置在光学系统的像方焦平面上，图1示出，当孔径光阑放在像方焦平面上时，即使物距发生改变，像距也发生改变，但像高并没有发生改变，即测得的物体尺寸不会变化；图2清楚地显示出物方远心光路的原理，其中孔径光阑位于像方焦面上，物方主光线平行于光轴。如果物体B1B2正确地位于与CCD表面M共轭的位置A1上，那么它在CCD表面上的像为M1M2。如果由于物距改变，物体B1B2不在位置A1而在位置A2，那么它的像B´1B´2偏离CCD表面，B´1和B´2点在CCD表面上投影为一个弥散斑，其中心仍为M1和M2点，按此投影像读出的长度仍为M2M1。这就是说，上述物距改变并不影响测量精度。

 

图1

2）像方远心光路

         像方远心光路是将孔径光阑放置在光学系统的物方焦平面上，而像方的主光线平行于光轴。如图3所示。如果物体B1B2的像B´1B´2不与CCD表面M重合，则在CCD表面M上得到的是B´1B´2的投影像，其散斑中心距离M1M2＝B´1B´2。因此，不管CCD表面M是否和B´1B´2相重合，它和标尺所对应的长度总是B1B2，所以没有测量误差。

图2

图3

 

 

双侧远心镜头

 

 

曝光时间
Exposure time
为了将光投射到照相感光材料的感光面上，快门所要打开的时间。视照相感光材料的感光度和对感光面上的照度而定。 
相机曝光时间是指从快门打开到关闭的时间间隔，在这一段时间内，物体可以在底片上留下影像 
曝光时间是看需要而定的，没有长短好坏的说法只有需要的讲法。比如你拍星星的轨迹，就需要很长的曝光时间（可能是几个小时），这样星星的长时间运动轨迹就会在底片上成像。如果你要拍飞驰的汽车清晰的身影就要用很短的时间（通常是几千分之一秒）。 
曝光时间长的话进的光就多，适合光线条件比较差的情况。曝光时间短则适合光线比较好的情况。

 

 

有的是0.04ms—93ms，有的是1/71000s—2s，有的是1/7000s—7s等等

曝光时间主要是指底片的感光时间，曝光时间越长底片上生成的相片越亮，相反越暗。在外界光线比较暗的情况下一般要求延长曝光时间（比如说夜景）。

 

 

1. 分辨率（Resolution）：相机每次采集图像的像素点数（Pixels），对于数字相机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，对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit等。

3. 最大帧率（Frame Rate）/行频（Line Rate）：相机机采集传输图像的速率，对于面阵相机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（Lines/Sec.）。

4. 曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）：对于线阵相机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；面阵相机机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速相机机还可以更快。

  可以看到ccd芯片的工业相机外观

5. 像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机机靶面的大小。目前数字相机机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，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，一些相机机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

 

工业镜头倍率及视场范围的计算方法

一、工业镜头光学放大倍率的计算方法

二、工业镜头对应视场范围的计算方法

附：常见工业相机传感器尺寸大小

1/4″：3.2mm×2.4mm；

1/3″：4.8mm×3.6mm；

1/2″：6.4mm×4.8mm；

2/3″：8.8×6.6mm；

1″：12.8mm×9.6mm

机器视觉系统中，工业镜头相当于人的眼睛，其主要作用是将目标的光学图像聚焦在图像传感器（相机）的光敏面阵上。视觉系统处理的所有图像信息均通过工业镜头得到，工业镜头的质量直接影响到视觉系统的整体性能。下面对机器视觉工业镜头的相关专业术语做以详解。

一、远心光学系统：

　　指主光线平行于工业镜头光学轴的光学系统。而光从物体朝向镜头发出，与光学轴保持平行，甚至在轴外同样如此，则称为物体侧远心光学系统。

二、远心镜头：

　　远心镜头指主光线与镜头光源平行的工业镜头。有物方远心，像方远心，双侧远心。

       普通工业镜头

主光线与镜头光轴有角度，因此工件上下移动时，像的大小有变化。

        双侧远心境头

主物方，像方均为主光线与光轴平行
光圈可变，可以得到高的景深，比物方远心境头更能得到稳定的像
最适合于测量用图像处理光学系统，但是大型化成本高

       物方远心境头

只是物方主光线与镜头主轴平行

工件上下变化，图像的大小基本不会变化
使用同轴落射照明时的必要条件，小型化亦可对应

       像方远心境头

只是像方主光线与镜头光轴平行
　　相机侧即使有安装个体差，也可以吸收摄影倍率的变化
　　用于色偏移补偿，摄像机本应都采用这种镜头 

三、远心光学系统的特色：

优点：更小的尺寸。减少镜头数量，可降低成本。

缺点：上下移动物体表面时，会改变物体尺寸或位置。

 

优点：上下移动物体表面时，不会改变物体尺寸或位置。使用同轴照明时。可使用更小的尺寸
缺点：未使用同轴照明时，大于标准镜头的尺寸

四、远心：

　　远心度是指物体的倍率误差。倍率误差越小，远心度越高。远心度有各种不同的用途，在镜头使用前，把握远心度很重要。远心镜头的主光线与镜头的光轴平行，远心度不好，远心镜头的使用效果就不好；远心度可以用下图进行简单的确认。

五、分辨率（μm）：

　　光学系能力的尺度，表示黑白格状图案通过镜头观察时，1mm中可以分辨观察到黑白条纹的最多对数。分辨率为两点间在无法识别前，能靠近的最近距离测量值，例如1μm的分辨率代表两点间在无法识别前，能靠近的最近距离为1μm。以下为根据镜头的无相差光衍射情况计算理论分辨率的公式。

六、分辨力(Lines／mm)：

　　分辩力指黑白网线图镜头里影像内1mm面积，可识别的黑白两色条纹数。分辨力的单位为线条/mm，例如100线条/mm代表可识别黑白间距1/100mm(10μm)。黑白线条的宽度为1/200mm(5μm)。

七、水平TV分辨率（TV线条）：

　　宽度里的黑白水平线总条数，相当于电视机屏幕垂直高度的高度值。屏幕的垂直与水平长度比率通常为3:4，因此水平宽度里的总条数为3/4。电视机水平分辨率为240TV条线，电视机屏幕水平宽度的总条数为320条线。测量镜头的分辨率时，一组黑色与白色线条应视为一条线，但是在电视机分辨率线条方面，一组视为2TV线条。

八、失真（%）：

　　失真为光学轴外的直型物体，呈现曲线时的镜头像差。镜头失真也称为镜头畸变，即光学透镜固有的透视失真的总称，可分为枕形失真和桶形失真，直线朝向中心的失真情况为枕形失真(Pincushion Distortion），向外扩张的失真称为桶形失真(Barrel Distortion)。如下图示：

九、TV失真（%）：

　　TV屏幕上的影像失真。数值越接近零，牲能越高。

十、电视失真：

　　实际边长的歪曲形状与理想的形状的百分比算出的值。

十一、孔径效率边际光量（%）：

　　孔径效率为使用镜头拍摄均匀亮度的物体时，成像盘光学轴与四周区域之间的亮度差异，单位为百分比（%），假设中央亮度为100，为镜头的光学特征之一。

十二、遮蔽（%）：

　　遮蔽为使用镜头与CCD-TV镜头拍摄均匀亮度的物体时，电视机屏幕中央与边缘之间的亮度差异，单位为百分比（%）。通常使用受光组件与CCD组件的功率比计算此百分比。遮蔽意指镜头与TV镜头的整体表现，可使用远心光学系统以缩小遮蔽的情况。

十三、色差：

　　在镜头光学统中，形成影像的位置与影像放大倍率随光线波长的不同而不同。不同波长的光线有不同的颜色，这叫做色彩失真。光学轴上的失真叫做色彩失真。放大倍率的差异则叫做放大倍率色彩失真。

十四、工作距离（WD）（mm）：

　　工作距离指镜头第一个工作面到被测物体的距离。

十五、物像间距离O/I（Object to Imager）
OI指物体到结像平面的距离。
十六、焦距f（mm）后焦距/前焦距
焦距为光学系统的主光点到焦点的距离。从最后一片镜头的顶点到后焦点的距离，为后焦距。从第一片镜头的顶点到前焦点的距离，为前焦距。

 

 

 

 

 

 

十七、景深：

　　深度为与物体从最佳焦点前后移动时．出现最锐利焦点的最近点与最远点之间的距离。物体侧的深度范围称为景深。同样，照相机侧的范围称为焦点深度。具体的景深的值多少略有不同。景深（Depth of Field）可以用以下的计算式计算出来：

　　　　景深 = 2 x Permissible COC x 实效F / 光学倍率2 = 允许误差值 / (NA x 光学倍率)(使用的是0.04mm的Permissible COC)

　　通过镜头的影像理论土会形成点状。清晰影像上出现可接受的摸糊情况，称为可接受的弥散圆。

十八、焦深：

　　深度为当CCD从最佳焦点前后移动时，出现最锐利焦点的最近点与最远点之间的距离。影像侧的深度范围称为焦深。

十九、后截距（mm）：

　　从镜头安装座盘前端到影像的距离。

二十、C安装座规格：

名称	标准外径	螺丝螺纹数(25.4mm用)	后截距
U1	25.4000mm	32Threads	17.526mm

二十一、数值孔径 NA，NA‘：

　　当物体在入射光孔上产生的半角为u，且折射率为n，n x sinu为物体侧数值孔经（NA）。
　　当物体在出射光孔上产生的半角为u‘，且折射率为n‘，n‘ x sinu‘ 为影像侧数值孔径{NA‘）。

NA=n x sinu　　　　　　NA‘=n‘ x sin u‘

　　NA越高，镜头的分辨率与亮度越佳。如下图所示 入射角度 u, 物体侧折射率n, 成像侧的折射率‘ n‘：NA = NA‘ x 放大率

　　对于Macro镜头，NA =M/2 xF　NA‘ = 1/2 xF　NA=NA‘ x光学倍率　NA‘=NA x光学倍率

二十二、F值F No：

　　此值指镜头的亮度。将镜头对焦距离除以物体侧的有效直径（入射光孔直径Dmm)，即可得到此数值，也可使用NA与镜头的光学放大倍率(β)计算。数值越小，镜头越明亮。
F No=焦距/入射孔径或有効口径=f／D

二十三、有效F No：

　　此值为具体在有限距离内的镜头亮度，指实际操作时的亮度。光学放大倍率越高(β)，镜头越暗。
实效F = (1 +光学倍率) x F#，实效F = 光学倍率 / 2NA

二十四、光学放大倍率β：

物体尺寸与影像尺寸的比例。
β	=y‘／y
	=b／a
	=NA／NA‘
	=CCD镜头元件尺寸／视野实际尺寸

二十五、光学倍率：

　　放大倍率（Magnification）指的是通过镜头的调整能够改变拍摄对象原本成像面积的大小。光学倍率就是通过光学镜头变倍的放大倍率。主要点与成像的关系：放大率是指成像大小与物体的比。

二十六、电子放大倍率：

　　电子放大倍率为影像在显示器屏幕上显示时与在CCD上显示相比的放大倍率。

二十七、显示器放大倍率：

　　 显示器放大倍率为通过镜头在显示器呈现物体的放大倍率。
　　　　显示器放大倍率=(光学放大倍率β) x (电子放大倍率)
　　 (计算范例) 光学放大倍率=02x，CCD尺寸1/2"(对角线8mm)，显示器1/4"：
　　　　 电子放大倍率=14 x25.4/8=44.45
　　　　 显示器放大倍率=0.2x44.45=8.89(倍) (1英寸=25.44mm)

※有时根据TV监视器的扫描状态，以上的简易计算将有一些变化。

二十八、视野(FOV)：

　　视野指使用照相机以后看到的物体侧的范围。
　　照相机有效区域的纵向长度（V）/光学倍率（M）＝视野（V）
　　照相机有效区域的横向长度（H）/光学倍率（M）＝视野（H）
　　照相机有效区域的纵向长度（V）or（H）=照相机一个画素的尺寸×有効画素数（V）or（H）来计算。
　　（计算范例)　　光学放大倍率=0.2x，CCD尺寸1／2"（长4.8mm，宽6.4mm}：
　　 　　 　　　　视野尺寸 长度=4.8／0.2=24(mm)
　　 　　 　　 　　 　　　宽度=6.4／0.2=32{mm)

二十九、解析度：

　　表示了所能见到了2点的间隔0.61x 使用波长(λ)/ NA=解析度(μ),以上的计算方法理论上可以计算出解析度，但不包括失真。※使用波长为550nm

三十、解像力：

　　１mm中间可以看到黑白线的条数。单位（lp）/mm

三十一、MTF（Modulation Transfer Function）：

　　成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。

三十二、成像圈：

　　 成像尺寸φ，要输入相机感应器尺寸。

三十三、照相机 Mount：

　　C-mount: 1" diameter x 32 TPI: FB: 17.526mm，CS-mount: 1" diameter x 32 TPI: FB: 12.526mm，F-mount: FB:46.5mm，M72-Mount: FB 厂家各有不同。

三十四、边缘亮度：

　　相对照度是指中央的照度与周边的照度的百分比。

三十五、通风盘及解析度：

　　Airy Disk（通风盘）是指通过没有失真的镜头在将光集中一点时，实际上形成的是一个同心圆。这个同心圆就叫做Airy Disk。Airy Disk的半径r可以通过以下的计算公式计算出来。这个值称为解析度。ｒ= 0.61λ/NA Airy Disk的半径随波长改变而改变，波长越长，光越难集中于一点。 例：NA0.07的镜头 波長550nm r=0.61*0.55/0.07=4.8μ

三十六、 MTF 及解析度：

　　MTF（Modulation Transfer Function) 是指物体表面的浓淡变化，成像侧也被再现出来。表示镜头的成像性能，成像再现物体的对比度的程度。测试对比性能，用的是具有特定空间周波数的黑白间隔测试。空间周波数是指１mm的距离浓淡变化的程度。

　　图1所示，黑白矩阵波，黑白的对比度为100%.这个对象被镜头摄影后，成像的对比度的变化被定量化。基本上，不管什么镜头，都会出现对比度降低的情况。最终对比度降低至0%。，不能进行颜色的区别。

　　图2、图3显示了物体侧与成像侧的空间周波数的变化。横轴表示空间周波数，纵轴表示亮度。物体侧与成像侧的对比度由A、B计算出来。MTF由A,B的比率计算出来。

　　解析度与MTF的关系：解析度是指2点之间怎样被分离认识的间隔。一般从解析度的值可以判断出镜头的好坏，但是实际是MTF与解析度有很大的关系。图4显示了两个不同镜头的MTF曲线。镜头a 解析度低但是具有高对比度。镜头b对比度低但是解析度高。

三十七、微距镜头：

　　不用近接环或特写镜头而实现扩大摄影，为近接摄影而设计的镜头，有限远（=从物镜出射的光，在一定距离处聚焦）

三十八、CCTV镜头：

　　适合于广范围的扩大观察，需要严格精度时不适合，无限远（=从物镜出射的光，不聚焦，平行前进）

三十九、变倍镜头：

　　焦距可变镜头，倍率，摄像范围等可以简单改变。适合于需要寻找最合适摄影条件（摄影距离，镜头的焦距）以便于操作的场合使用。不产生聚焦位置移动的称为变倍镜头，产生焦距位置移动的称为变焦镜头。

四十、成像圆：

　　光学系统中成像圆的尺寸，成像圆的尺寸=CCD对角尺寸，和CCD尺寸同样意义。

四十一、后变倍镜头：

　　安装在CCD前面，不改变工作距离，扩大视野范围。F值下降，分辨率、对比度下降，聚焦会有些不准。

四十二、前变倍镜头：

　　安装在镜头前面，工作距离会变化，亮度不变，扩大视野范围。

如果把工业相机比喻为人的眼睛，工业镜头就好比是眼球，它直接关系到监看物体的远近、范围和效果。工业镜头的选用应考虑一下几点：

　　1）工业镜头尺寸应等于或大于工业相机成像面尺寸。例如：1/3″工业相机可选1/3″～1″整个范围内的工业镜头，但水平视角的大小都是一样的。只是使用大于1/3″的工业镜头能够更多地利用成形，更精确了工业镜头中心光路，所以可提高图像质量和分辨率。
　　2）选用合适的工业镜头焦距。焦距越大，监看距离越远，水平视角越小，监视范围越窄；焦距越小，监看距离越近，水平视角越大，监视范围越宽。工业镜头焦距可按照以下公式估算。

　　　　f=A×L/H 
　　(f--镜头焦距；A--摄像机CCD垂向尺寸；L--被摄物体到镜头距离；H--被摄物体高度) 

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）考虑环境光线的变化,光线对图像的采集效果起着十分重要的作用。一般来说，对于光线变化不明显的环境，常选用手动光圈镜头，将光圈手调到一个比较理想的数值后就可不动了；如果光线变化较大，如室外24小时监看，应选用自动光圈，能够根据光线的明暗变化自动调节光圈值的大小，保证图像质量。但需注意的是，如果光线照度不均匀，特别是监视目标与背景光反差较大时，采用自动光圈镜头效果不理想。

　　4）考虑最佳监看范围。因为工业镜头焦距和水平视角成反比，因此既想看得远，又想看得宽阔和清晰，这是无法同时实现的。每个焦距的镜头都只能在一定范围内达到最佳的监看效果，所以如果监看的距离较远且范围较大，最好是增加摄像机的数量，或采用电动变焦镜头配合云台安装。

　　5）工业镜头接口与工业相机接口要一致。现在的工业相机和工业镜头通常都是CS型接口，CS型摄像机可以和CS型、C型镜头配接，但和C型镜头接配时，必须在工业镜头和工业相机之间加接配环，否则可能碰坏CCD成像面的保护玻璃，造成CCD工业相机的损坏。C型工业相机不能和CS型工业镜头配接。

近年来利用影像量测物品尺寸已经成为行业发展的趋势。由于相机，影像软件及照明组件等设备的进步，让影像量测物品尺寸的精准度能媲美或更胜于手动或雷射光的量测。

　　整合光学系统工程的应用，我们可发现光学产品的优劣决定了系统的品质，而远心镜头能执行各种形式的光学量测。

　　软件工程需要具高分辨率、高对比性和低几何变形特性的拍摄影像来判断出精准的量测数据。

　　除了光学设备本身的要求，视角的选择也具相当的重要性，在不适当的观测点下量测物体，会造成物体拍摄影像的扭曲。

　　除了影像处理过程中会造成的干扰，系统设计者也同时将光学配备本身会影响光学量测精准性的几个限制纳入考虑：
　　　　1．由于物体摆放位置而造成的不正常放大
　　　　2．影像的变形
　　　　3．视角选择而造成的误差
　　　　4．低影像分辨率
　　　　5．不适当光源干扰下造成边界的不确定性

　　远心镜头能有效降低甚至消除以上的问题，因此远心镜头也成为精密光学量测系统决定性的因素。

图一：不同镜头的光学原理

　　接下来我们简要的介绍远心镜头是如何有效降低噪声及变形等问题。

一、放大倍率的一致性

　　光学量测系统通常会自物体正上方拍摄(不纪录物体侧面)以测量其直径或直线距离。由于许多机械零组件无法精准定位或具有高度差或厚度等问题，工程师需要可靠光学量测系统来判定影像与物体的实际间距。

　　左上图为利用远心镜头拍摄圆柱形零件上的齿条；左下图为利用普通镜头拍摄同样对象的影像；右上图为两个同样对象置于相距100 mm下利用远心镜头拍的影像；右下图为同样情形下利用普通镜头捕捉的影像。

左图：在一般标准镜头下，物体的影像大小会因为与镜头的距离(标记为“s”)不同而改变。同样的，不同大小的对象可能会受距离的影响而看起来相同。 　　反观远心镜头能容许一定程度的距离改变，在＂限定景深＂或＂远心度区间＂内，影像不会因物体与镜头间距离的改变而放大或缩小。

　　此特性是由于在光学系统中，只有与光轴平行的光束会被接收，因此远心镜头必须大于或等于被摄物体的直径。

　　“Telecentric”这个单字是来自于希腊前缀”tele-”(遥远)以及字根”center”(中心，在此代表着光学系统的轴心)，代表此光学系统的入射光线在通过远心镜头时是与镜头的中央轴心平行，而成像点会在远心镜头的焦点平面上。

左图：在远心系统内，唯有与轴心平行或接近平行的光束会被接受。

　　在此我们举个简单的例子来说明两种光学系统的差异性。

　　首先我们使用一个焦距为12毫米的标准镜头 (f = 12 mm) 及以1/3吋的侦测器为接口来测定放置于200毫米 (s = 200 mm) 外的20毫米 (H = 20 mm) 对象。当对象位移1毫米 (ds = 1mm)时，其成像大小将会有约略0.1毫米的差异(如以下公式)。

　　dH = (ds/s) x H = (1/200)x 20 mm = 0,1 mm

　　在telecentric光学系统下，成像的大小的变化取决于” telecentric 曲线”，一个高品质远心镜头的曲线角度(theta)能趋近于0.1°(0,0017 rad)，代表当物体同样移动1毫米 (ds = 1mm) 时，其成像将只会有0.0017毫米的改变。

　　dH = ds x theta= 1 x 0,0017 mm = 0,0017 mm

　　因此相较于标准镜头，远心镜头能将放大倍率的误差缩小至1/10或甚至1/100。

上图：远心曲线决定了物体被移动时成像改变的倍率。

　　 “Telecentric range”或是” telecentric depth”代表在维持放大倍率下能摆设物体的范围。然而当物体不在telecentric range中并不代表镜头功能就不具远心的特性，影像的变异程度主要是由镜头的”远心曲线” (由前文的” theta”所定出来的) 或 ”远心度”所决定，这个曲线决定了物体在移动时造成的影像误差大小，然而当主要入射光束与光轴”平行”时，成像的大小就不会因物体置放的距离而影响。由于远心镜头必须接收与光轴平行的入射光源，远心镜头的尺寸必须比拍摄物体还大，因此远心镜头会比一般镜头大且厚重，成本也比一般镜头高。

二、低失真度 (Distortion)

　　影像的变形是限制光学量测准确性的重要因素之一，再好的镜头都还是无法避免。然而有时候一或数个像素的错误可能具决定性的影响。 失真度也可以说是影像与实际画面的差异度。失真度是利用影像点与影像中心位置的距离和在标准影像(未失真影像)的实际距离之间的差异来计算。举例来说，一个与画面中心距离200像素的标的在影像画面中只有和中心点间隔198个像素，其失真度则为：

distortion = (198-200)/200 = -2/200 = 1%

			正向放射性失真 (Positive radial distortion) 也被称为 “pincushion” 性失真，负向放射性失真 (negative radial distortion) 可被另称为 “barrel” distortion。此类的变形和影像中心的距离大小有绝对的关联性。
“pincushion” type distortion “barrel” type distortion

　　影像的失真可被视作真实画面经过二维几何性变形的结果，由于通常不是线性改变而是二或三度的多项式的变形，影像会被些许的拉扯及扭曲。

　　一般的镜头具有数度或数十度的失真度，不过由于大部分的影像镜头是用在一般监测系统或普通摄影中，些许的影像失真是能被容许的，但此瑕疵让精密影像测量变的困难。

　　高品质的远心镜头只具有低于0.1%失真度的特性，虽然这个数次听起来很小，但在高分辨率的摄影机下仍能造成将近一个像素的误差。因此许多失真的影像会利用软件做校正：将校正用图样(此图样的精密度必须比)置于镜头下方拍摄，之后利用软件计算影像校正公式，将失真影像做校正。由于影像的失真程度与物体和镜头的距离有极高的关联性，因此必须格外留意物体在被摄影时与镜头的距离。

　　除了与远心镜头的距离以外，物体和远心镜头之间必须尽量保持垂直以避免” non-axially symmetric distortion effects”，所谓的梯形性失真(或称” Keystone” or thin prism effect”) 是另一个影像测量系统中必须克服的问题，如果拍摄物体没有被放置于中心点，此类的影像通常据非对称性也很难利用软件校正。

左图：为一张使用远心镜头所拍摄的不失真影像；中图为同一个画面但具放射性变形的影像；右图为同一个画面但具有梯形性失真的影像。

三、视角误差

　　使用一般光学镜头拍摄非平面物体时，物体的大小会因为距离而改变。因此拍摄管柱形物体时，管柱顶端与底端会成被拍摄成像为同心圆而非同样的双圆。而在远心镜头下，圆柱底端则会与柱顶的圆完全重叠。

左图：为一般镜头下常见的视角误差。右图由远心镜头所拍摄的影像能不会出现此问题。

　　这个现象是因为光束路径的特殊性而造成的，在一般光学镜头下，没有与光轴平行的纵向光束会在感光源件上投射成平行距离，然而只些接收平行光束的远心镜头则不会有同样的问题。

　　一般镜头通常会将3D物体的立体影像(包括空间距离)转换成2D影像，而远心镜头只会纪录2D平面影像而不受物体的立体距离影响，这个特性在影像量测系统中具有极大的优势。

一般镜头会将光束(镜头左边)的纵向距离投射成平行影像，而远心镜头不会有这种情形

四、高影像分辨率

　　影像的分辨率是利用CTF(contrast transfer function)将影像的对比清晰度量化。

使用不同分辨率镜头拍摄USAF test pattern的结果：左图高分辨率影像，右图低分辨率影像。

　　很多影像系统是利用多个低画素相机搭配低分辨率的便宜镜头，因而只得到非常模糊的影像。而远心镜头的高分辨率让它能搭配低像素高分辨率的相机而依然得到良好的影像品质。

五、锐利的边缘影像

　　影像拍摄时，背景光线常常会让物体的轮廓变的难以界定(border effects)，主要是因为背景的强光会与物体边缘的阴影重叠，除此之外，当光线自不同角度投射于物体上时，某些光源被物体反射后仍然被镜头所接收(如下图十一所示)，这种光线常常会被误判来自物体背后，造成边缘判定上的误差，因此当物体具有高度立体特性时容易会出现误差。

在一般镜头下常见的Border effects能在远心镜头下有明显的改善

　　这个问题在远心镜头下能被明显的改善，当光圈缩的够小时，只有与光轴平行的光束能通过镜头，因此被物体反射的光线就不会被接收，影像的精准性也就能明显提升。

　　如果想要更进一步的提升影像的品质，可利用collimated (或称 “telecentric”) 照明设备搭配远心镜头，在这种配备能让相机与光源互相配合，让所有自collimated光源发出的光都能是被镜头所接收的平行光束，让噪声与曝光时间都能大幅的降低。除此之外，边缘定位的问题也因光源的控制而有明显的改善。

 Collimated (telecentric)光源设备只提供与光轴接近平行的光束。

一、对工业镜头的选择，我们首先必须确定客户需求：           

二、典型案例：齿轮项目

综上所述选择640*480分辨率、曝光时间为1/10000 S到30 S的工业相机，12mm定焦CCTV镜头。

 1、远心镜头运用目的

         远心镜头目的就是消除由于被测物体（或CCD芯片）离镜头距离的远近不一致，造成放大倍率不一样。分为：物方远心镜头、像方远心镜头和双侧远心镜头。物方远心镜头，通过在像方焦平面上放置孔径光阑，使物方主光线平行于光轴，从而虽然物距改变，但成像位置不变。像方远心镜头，通过在物方焦平面上放置孔径光阑，使像方主光线平行于光轴，从而虽然CCD芯片的安装位置有改变，在CCD芯片上投影成像大小不变。双侧远心镜头，则是兼有以上两种特点，但结构相对复杂。

Q:远心镜头为何价格高，有何优点？ 
A:  远心镜头的设计是采Telecentric原理，低失真、无视角误差，较适合工业上量测应用，所以价位较一般CCTV镜头高。远心镜头另有同轴镜头设计，提供不同工作距离,不同放大倍率供选择。 
Q:  远心镜头为何低倍率镜头价格反而高？ 
A: 因为Telecentric镜头为了要减少失真，让平行光进入，所以镜头设计必须比被照体大，所以低倍率镜头通常口径都很大，所需的镜片材料成本较高，所以价格较高。 
Q: 同轴光镜头打同轴光时，中间亮度较亮旁边整暗，是何原因？如何补救？ 
A: 因为同轴光镜头的投射光线集中于中心5~6㎜左右，如果看的范围较大，边缘附近光线较暗，这是低倍率同轴光镜头常有的现象。可以外加环形光源来补足光线不够地方。 
Q:  远心镜头可否搭配CCTV用的2倍镜使用？ 
A: 可以，但是影像质量变差，所需光强度更强，不建议使用。 
Q:  远心镜头规格上，标示镜头分解能(解析力)是代表什么意思？ 
A: 镜头解析力的定义是镜头能看清楚最小物体边缘的能力，如果低于此分解能，就无法看清楚了。须另外找解析力更高的镜头，如高倍显微物镜。 
Q:  远心镜头景深为何不能很长？ 
A:  远心镜头设计时即考虑到景深、倍率、光圈、工作距离等参数取得最佳点，所以景深均为固定的数值，如要增长景深，而牺牲别的参数，会影响镜头质量。 
Q: 如果要看到1μm的物体可用何种镜头？ 
A: 要看到小于1μm以下物体，必须用高倍显微物镜，但工作距离变得很小(约7㎜)，景深变得很浅了。 
Q: 用远心镜头所放大的影像到底是多少倍？ 
A: 影像实总际放大倍率是等于镜头光学倍率×Monitor放大倍率，Monitor放大倍率是Monitor对角线除上CCD Sensor对角线(1/3〞CCD Sensor投射到14吋Monitor是59.3倍)。 
Q:  远心镜头除了C-mount之外，可否提供其它mount选择？ 
A: 除了C-mount之外，还有直径φ17㎜及直径φ12㎜二种mount供选择，这些mount是针对笔型CCD专用的镜头。

三、像方远心光路原理及作用

像方主光线平行于光轴主光线的会聚中心位于物方无限远，称之为：像方远心光路

作用：可以消除像方调焦不准引入的测量误差，用途：大地测量仪器

四、双侧远心光路原理及作用

综合了物方/像方远心的双重作用。主要用于视觉测量检测领域。

优势：

1、大景深；

2、景深范围内物像倍率不变

3、低畸变通常<1%（全幅画面）

4、垂直成像时，无投影现象

劣势：

 1、体积大、重量沉，由于平行光路入射，镜头的口径要大于被摄物体

2、焦距固定，变焦困难

3、工作距离相对较短

4、光阑小，需要更强的照明

在设计工业机器视觉系统时，使用工业数字相机还是工业模拟相机是最重要的决定之一。二者各有其优缺点，但归根结底要根据成本和一些关键操作因素来选择。如果考虑了这些因素，哪一项技术更有优势就会明朗化了。

四种工业相机接口技术的比较

工业相机到传感器对应放大倍率

1. 什么是CCD摄像机？
    CCD是Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写，它是一种半导体成像器件，因而具有灵敏度高、抗强光、畸变小、体积小、寿命长、抗震动等优点。

2. CCD摄像机的工作方式
   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像。

3. 分辨率的选择
   评估摄像机分辨率的指标是水平分辨率，其单位为线对，即成像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为380-600，彩色为380-480，其数值越大成像越清晰。一般的监视场合，用400线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合，用600线的摄像机能得到更清晰的图像。

4. 成像灵敏度
   通常用最低环境照度要求来表明摄像机灵敏度，黑白摄像机的灵敏度大约是0.02-0.5Lux(勒克斯)，彩色摄像机多在1Lux以上。0.1Lux的摄像机用于普通的监视场合；在夜间使用或环境光线较弱时，推荐使用0.02Lux的摄像机。与近红外灯配合使用时， 也必须使用低照度的摄像机。另外摄像的灵敏度还与镜头有关，0.97Lux/F0.75相当于2.5Lux/F1.2相当于3.4Lux/F1.

5. 参考环境照度：
   夏日阳光下 100000Lux 阴天室外 10000Lux
   电视台演播室 1000Lux 距60W台灯60cm桌面 300Lux
   室内日光灯 100Lux 黄昏室内 10Lux
   20cm处烛光 10-15Lux 夜间路灯 0.1Lux

6. 电子快门
   电子快门的时间在1/50-1/100000秒之间， 摄像机的电子快门一般设置为自动电子快门方式，可根据环境的亮暗自动调节快门时间，得到清晰的图像。有些摄像机允许用户自行手动调节快门时间，以适应某些特殊应用场合。

7. 外同步与外触发
   外同步是指不同的视频设备之间用同一同步信号来保证视频信号的同步，它可保证不同的设备输出的视频信号具有相同的帧、行的起止时间。为了实现外同步，需要给摄像机输入一个复合同步信号(C-sync)或复合视频信号。外同步并不能保证用户从指定时刻得到完整的连续的一帧图像，要实现这种功能，必须使用一些特殊的具有外触发功能的摄像机。

8. 光谱响应特性
   CCD器件由硅材料制成，对近红外比较敏感，光谱响应可延伸至1.0um左右。其响应峰值为绿光(550nm)。夜间隐蔽监视时，可以用近红外灯照明，人眼看不清环境情况，在监视器上却可以清晰成像。由于CCD传感器表面有一层吸收紫外的透明电极，所以CCD对紫外不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、兰三色滤光条，所以彩色摄像机对红外、紫外均不敏感。

9. CCD芯片的尺寸
   CCD的成像尺寸常用的有1/2"、1/3"等， 成像尺寸越小的摄像机的体积可以做得更小些。在相同学镜头下，成像尺寸越大，视场角越大。

机器视觉系统是指通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分为CMOS摄像头和CCD摄像头两种)将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
     在机器视觉系统中，包含独立的工业摄像头，采用业界标准的电气接口，如火线IEEE1394接口摄像头、USB接口摄像头或千兆以太网GigE摄像头(GigE Vision interface)等。机器视觉摄像头的典型应用可分为离线处理功能的摄像头和在线处理功能的摄像头。
      离线处理功能的摄像头可单独对摄像头供电，并可通过电气接口将原始数据传送至主机。视频传输既可以是连续帧，也可以是单帧数据，具体取决于应用的需要。单帧捕获与视频传输被称作触发模式，需要外部系统通常以CMOS级向摄像头系统发送电子脉冲。摄像头逻辑将启动一个帧集成，并通过电气接口将扫描的数据发送至主机。在某些情况下，原始数据通过总线与同步信号、时钟和数据一起发送给帧接收器等终端数据采集系统。帧接收器在存储器中存储数据，随后可由主机应用软件对数据进行存取以处理和控制。
      离线处理的一大优势在于，单靠一个主机就能满足摄像头操控与系统控制两者之需。但是由于视频数据从摄像头每帧传输存在一定的延迟，因此这种处理方式不适用于实时处理的应用，比如器件生产过程中传送带上的产品检查。
      由于近来DSP处理器发展非常快，已经具备实时执行复杂算法的计算功能，因此也使得摄像头的在线处理成为可能。在线处理功能的摄像头包括感应器与DSP处理器，二者可通过非粘接逻辑、也可通过某种粘接逻辑连接。DMA 将感应器扫描的视频直接发送至DSP 存储器，并进行逐帧处理。控制函数的最终结果由处理器在被控制的系统中直接启动，或在主机上作为命令启动。
      在线处理功能的摄像头进行视频处理的优势在于，数据处理可实时进行，而且在火线、USB 或千兆以太网接口上没有分组处理的负担。可采用字节优化型汇编代码，在时钟频率超过300 MHz的DSP处理器上加快实时处理速度。
      图像算法的实时处理对检查应用至关重要，例如，能够检查出传送带上移动过快的的器件。一个帧图像的计算完成并采取相应行动后，才可以继续向系统传输下一个图像帧。     
    在实际应用中，应依据具体的应用环境来选择摄像头，不管是离线处理功能的摄像头还是在线处理功能的摄像头，都具有各自的技术特点，选择合适合理的摄像头才能更好的体现出机器视觉系统的优越性。

CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)是互补式金属氧化物半导体的英文缩写，它将NMOS和PMOS二个相反极性的MOS半导体串起来，形成了集成电路中广泛使用的一个基本单元。例如计算机中用量最大的内存——动态存储器，就是用CMOS工艺制造的。
      CMOS的摄像机并不比CCD摄像机出现的时间晚多少，CCD在六十年代末，而CMOS在七十年代初相继开发出来，后来之所以CCD占了统治地位，是因为在当时的工艺制造技术条件下，CMOS的图像质量太差了。直至1990年，新工艺的发展，使开发人员再一次对CMOS产生了兴趣，主要是看到了CMOS的低功耗、高集成(整个摄像机集成在一片晶体内)、低制造成本(基于不需重新建立新的生产线，可以在已有的主流的逻辑和存储器CMOS流水线中进行)。经过大量的投入和努力，CMOS摄像机在近几年已获得了极大的成功，已形成了对CCD的强大挑战。形成了CCD和CMOS二个激烈竞争的发展方向和阵营。
      在过去，CMOS图像传感器给人的印象是低端产品，例如商务用传真机、复印机、扫描仪，到今日，以娱乐为主的摄像机、手机拍摄组件，直至大紫大红的网上摄像机也多为CMOS传感器。同时，CMOS摄像机在图像质量上已取得长足的进步，即使在对图像质量要求较高的投影仪上也获得了使用。
      无论是CMOS还是CCD，它们都是用光敏像元阵列将入射的光图像转换成像元内的电荷，所不同的是将这些像元中的电荷取出，并转换成电压的方式和途径不同。CCD是用电荷量来载荷图像信息的，而CMOS是用电压量来载荷图像信息的。
       CMOS和CCD的工作过程如下图所示，从图可以看出，CCD像元将光转换为电荷后，用电荷耦合的方法，将电荷逐点、逐行地用电荷移位寄存器移出，直至电荷/电压转换器，图像信息用电荷的形式在芯片内移动输出；而CMOS则以完全不同的方式将图像信息送出像元阵列，从图(b)可以看出，每一个像元光敏单元都有一个电荷/电压转换单元与之相伴，所以像元电荷马上转换成为电压，再通过与之对应的矩阵开关，将电压送出阵列，所以CMOS的图像信息是以电压的形式传送输出的。由于这种完全不同的结构，为它们带来了各自的长处和短处。

CCD和CMOS工作过程示意图

       CMOS摄像机有超强的集成度、低功耗和小尺寸的优势；但在图像质量，特别在低照度下和灵活性方面就要逊色多了。所以CMOS适合于批量大、有空间和重量限制，而图像质量要求不是太高的领域，例如保安、生物测量仪等领域使用，包括机器视觉系统中对图像质量要求不严的场合，例如数字或文学识别、易区分的缺陷检测、简单物体几何分类、简单场景自动导航等等。

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

 典型的基于PC的视觉系统通常由如图1.1.1所示的几部分组成：

机器视觉(Machine Vision)作为光电技术应用的一个特定领域，目前已经发展成为一个前景光明、活力无限的行业，年平均增长速度超过2O％ 。机器视觉广泛应用于微电子、电子产品、汽车、医疗、印刷、包装、科研、军事等众多行业。涉及技术一致，应用差异明显，是各种机器视觉应用系统的共同特点。

机器视觉技术是计算机学科的一个重要分支，它综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。自起步发展至今，已经有20多年的历史，其功能以及应用范围随着工业自动化的发展逐渐完善和推广，其中特别是目前的数字图像传感器、CMOS和CCD摄像机、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技术、图像处理和模式识别等技术的快速发展，大大地推动了机器视觉的发展。

　　简而言之，机器视觉就是利用机器代替人眼来作各种测量和判断。在生产线上，人来做此类测量和判断会因疲劳、个人之间的差异等产生误差和错误，但是机器却会不知疲倦地、稳定地进行下去。一般来说，机器视觉系统包括了照明系统、镜头、摄像系统和图像处理系统。对于每一个应用，我们都需要考虑系统的运行速度和图像的处理速度、使用彩色还是黑白摄像机、检测目标的尺寸还是检测目标有无缺陷、视场需要多大、分辨率需要多高、对比度需要多大等。从功能上来看，典型的机器视觉系统可以分为：图像采集部分、图像处理部分和运动控制部分。

 一个完整的机器视觉系统的主要工作过程如下：

　　1、工件定位检测器探测到物体已经运动至接近摄像系统的视野中心，向图像采集部分发送触发脉冲。

　　2、图像采集部分按照事先设定的程序和延时，分别向摄像机和照明系统发出启动脉冲。 
　　3、摄像机停止目前的扫描，重新开始新的一帧扫描，或者摄像机在启动脉冲来到之前处于等待状态，启动脉冲到来后启动一帧扫描。 
　　4、摄像机开始新的一帧扫描之前打开曝光机构，曝光时间可以事先设定。

　　5、另一个启动脉冲打开灯光照明，灯光的开启时间应该与摄像机的曝光时间匹配。 
 　   6、摄像机曝光后，正式开始一帧图像的扫描和输出。 
　　7、图像采集部分接收模拟视频信号通过A/D将其数字化，或者是直接接收摄像机数字化后的数字视频数据。 
　　8、图像采集部分将数字图像存放在处理器或计算机的内存中。 
　　9、处理器对图像进行处理、分析、识别，获得测量结果或逻辑控制值。

　　10、处理结果控制流水线的动作、进行定位、纠正运动的误差等。

　　从上述的工作流程可以看出，机器视觉是一种比较复杂的系统。因为大多数系统监控对象都是运动物体，系统与运动物体的匹配和协调动作尤为重要，所以给系统各部分的动作时间和处理速度带来了严格的要求。在某些应用领域，例如机器人、飞行物体导制等，对整个系统或者系统的一部分的重量、体积和功耗都会有严格的要求。

机器视觉系统的优点有： 
　　1、非接触测量，对于观测者与被观测者都不会产生任何损伤，从而提高系统的可靠性。 
　　2、具有较宽的光谱响应范围，例如使用人眼看不见的红外测量，扩展了人眼的视觉范围。 
　　3、长时间稳定工作，人类难以长时间对同一对象进行观察，而机器视觉则可以长时间地作测量、分析和识别任务。

　　机器视觉系统的应用领域越来越广泛。在工业、农业、国防、交通、医疗、金融甚至体育、娱乐等等行业都获得了广泛的应用，可以说已经深入到我们的生活、生产和工作的方方面面。

在使用机器视觉系统进行检测的具体应用环境中，会有持续进料的应用，或者间歇进料的应用，即目标物会停止一段时间进行检测。这时就需要知道检测目标物的速度能达到多快、目标物的数量以及每分钟进行检测的最大数量，这些数据可以根据视觉系统的处理速度进行计算。

　　其计算方法如下：

　　每分钟检测的最大数量= 60 (sec.) ÷视觉系统的处理速度(sec.)

　　例如：如果视觉系统的处理速度是20ms，

　　那么每分钟检测的最大数量= 60sec.÷0.02sec. = 3000times/min.(= 50 times/sec.)

　　但是实际处理速度根据视觉系统的相机类型和检测设置会有所不同。虽然大多数简单的应用能以20ms的速度运行，在具体应用中最好还是用实际目标物测试一下检测的情况。

　　如果在具体应用中对视觉系统的处理速度有一定要求，可用以下计算方法获得：

　　视觉系统被要求的处理速度(ms)= 1(sec.)÷要求的检测次数(times/sec.)x 1000

　　同时，在实际应用中，被检测目标物在相机的视野范围内持续移动时，还需要考虑相机快门的速度，否则会出现模糊不清的图像，无法达到检测要求。例如，相机在持续移动的生产线上捕捉电子部件的图像时，如果快门速度(曝光时间)对于生产线速度来说不够快，图像就会模糊。为了防止模糊，快门速度需要进行设置，使得相机捕捉图像时，物体移动速度不超过1/10的要求容差值。如下图所示，目标物在相机的视野范围内持续移动。

　高速快门图像 低速快门图像

　　相机快门速度计算方法：

　　快门速度 = 要求容差[mm]÷生产线速度[mm/sec.]

　　例)检测容差 = 0.2mm

　　生产线速度 = 200mm/sec.

　　快门速度= 0.2mm÷10÷200mm/sec. = 1/10000

　　因此此项应用中理想的快门速度要快于1/10000。

　　如果视觉系统的处理速度较快，在高速生产线上进行检测就一定可行。那么，典型的尺寸检测处理时间需要多久呢?此检测时间根据视觉系统的处理能力以及针对个别应用的设置会有很大的差异，下表提供了捕捉和处理图像所需时间(参考值)的估计底线，用户可根据自己的实际应用进行参考使用。

瑕疵检测、污垢检测或芯片检测都是非常典型的机器视觉系统检测的应用方式。根据工件和生产线的状况不同，每种检测都需要不同的功能。本文对机器视觉污点检测工具的原理及使用方法做以简介。

　　1、区段

　　视觉系统透过CCD图像传感器将强度资料的变化检测为污点或边缘。但是，逐个处理像素需要花费大量的时间，并且噪声会对检测结果产生影响。因此，视觉系统使用由数个像素组成的小区域的平均强度，该小区域被称为“区段”，并透过比较这些区段的平均强度来检测污点。

　　如上图中所示将区段(4 x 4 像素)的平均强度与周边地区的平均强度作比较，图中的红色区段被检测出污点。

　　2、污点检测工具的算法(区段的比较和计算方式)

　　检测原理：

　　(1)将 X 方向指定为检测方向时：

　　污点检测工具测量指定区域(区段)的平均强度，并以四分之一个区段为间距改变区段位置。

　　它可确定四个区段中的最大和最小强度之间的差值，其中包括标准区段(下图中的①95)。该差值被视为标准区段的污点等级。

　　当污点等级超过当前阈值时，标准区段被视为污点。被测区域中超过预设阈值的次数被称为“污点范围”。该过程反复进行，从而不断改变标准区段在被测区域中的位置。

　　在圆形工件上检测污点的原理

　　PET 瓶、轴承或O型圈等多种圆形工件需要对圆形区域进行视觉检测。当搜索圆形区域时，程序同时执行极坐标转换。为了检测污点，它将圆形窗口(检测区段)转换为长方形，并在圆形方向和半径方向上比较区段的强度。

机器视觉划痕检测的基本分析过程分为两步：首先，确定检测产品表面是否有划痕，其次，在确定被分析图像上存在划痕之后，对划痕进行提取。

    　划痕检测是工业生产中经常遇到的问题，在工业中许多设备的零部件都是在高温、高压的环境中工作的，所受载荷复杂，使用环境恶劣，故障率高，造成的后果也非常严重，因此，对相关部件的缺陷、疲劳裂纹的产生、扩展进行视觉检测就显得尤为重要。

　　划痕通常可分为三大类：

　　第一类划痕，部分灰度值变化并不明显，整幅图像灰度比较平均，划痕面积也比较小，只有几个像素点，灰度也只比周围图像稍低，很难分辨。可以对原图像进行均值滤波，得到较平滑的图像，并与原图像相减，当其差的绝对值大于阈值时就将其置为目标，并对所有的目标进行标记，计算其面积，将面积过小的目标去掉，剩下的就标记为划痕。

　　第二类划痕，各部分灰度差异较大，形状通常呈长条形，如果在一幅图像上采取固定阈值分割，则标记的缺陷部分会小于实际部分。由于这类图像的划痕狭长，单纯依靠灰度检测会将缺陷延伸部分漏掉。对于这类图像，根据其特点选择双阈值和缺陷形状特征相结合的方法。

　　第三类划痕，从外观上较易辨认，同时灰度变化跟周围区域对比也比较明显。可以选择较小的阈值精缺陷部分直接标记。

　　由于在工业检测中图像的多样性，对于每一种图像，都要经过分析综合考虑各种手段来进行处理达到效果。一般来说，划痕部分的灰度值和周围正常部分相比要暗，也就是划痕部分灰度值偏小;而且，大多都是在光滑表面，所以整幅图的灰度变化总体来说非常均匀，缺乏纹理特征。因此，划痕的检测一般使用基于统计的灰度特征或者阈值分割的方法将划痕部分标出。

数字相机传输接口比较

一些关于机器视觉的概念

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