數(shù)字圖像是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)工作的前提和基礎(chǔ)，工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)把成像子系統(tǒng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為反映現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的二維數(shù)字圖像，并對(duì)其進(jìn)行分析趾唱、處理涌乳，得出各種指令來(lái)控制機(jī)器的動(dòng)作。

1甜癞、圖像基礎(chǔ)知識(shí)

圖像是指所有具有視覺(jué)效果的畫(huà)面夕晓，它是對(duì)客觀對(duì)象的一種相似的、生動(dòng)的描述悠咱。

根據(jù)色彩不同蒸辆，圖像可以分為彩色圖像和黑白（灰度）圖像。通過(guò)對(duì)人眼結(jié)構(gòu)及特性的研究發(fā)現(xiàn)析既，人眼對(duì)紅(R）躬贡、綠(G)、藍(lán)(B）3種顏色特別敏感眼坏，不同強(qiáng)度的RGB混合后刺激視網(wǎng)膜上的錐狀體拂玻，使人眼可以感知自然界中的幾乎所有色彩。反過(guò)來(lái)宰译，自然界中的色彩可以分解為不同強(qiáng)度RGB基本色的組合纺讲，這種表示色彩的方式稱為RGB顏色模型或RGB色彩空間，如下圖所示：

相應(yīng)地囤屹，也可以將彩色圖像的研究分解為對(duì)RGB分量所對(duì)應(yīng)的灰度圖像的研究熬甚。

1.1、圖像類型

圖像根據(jù)記錄方式的不同可分為模擬圖像和數(shù)字圖像兩大類肋坚。

如果將灰度圖像看作二維空間上的光強(qiáng)度函數(shù)f (x乡括，y)，則模擬灰度圖像就是對(duì)該空間上光強(qiáng)度幅值f變化的連續(xù)記錄智厌。當(dāng)(x诲泌，y)和f為離散、有限的數(shù)值時(shí)铣鹏，光強(qiáng)度幅值f的變化將以類似矩陣的形式被記錄敷扫，此時(shí)所記錄的圖像就稱為數(shù)字圖像，而所記錄的值對(duì)應(yīng)在圖像中的每個(gè)點(diǎn)稱為像素(pixel)诚卸，橫向及縱向像素的個(gè)數(shù)稱為圖像的分辨率(image resolution)葵第，如果是彩色數(shù)字圖像，則在計(jì)算機(jī)中需要記錄每個(gè)像素對(duì)應(yīng)的RGB分量合溺，如下圖所示：

工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中提及的圖像通常就指數(shù)字圖像卒密。

1.2、圖像分別率棠赛、系統(tǒng)分辨率和像素分辨率

圖像分辨率哮奇、系統(tǒng)分辨率和像素分辨率是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)較常見(jiàn)的參數(shù)膛腐，它們通常與客戶對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的需求關(guān)系最為密切，是選擇相機(jī)和鏡頭的重要依據(jù)鼎俘。

圖像分辨率指圖像中存儲(chǔ)的信息量哲身，是每英寸圖像內(nèi)有多少個(gè)像素點(diǎn)，分辨率的單位為PPI（Pixels Per Inch）贸伐，通常叫做像素每英寸律罢。圖像分辨率一般被用于PS中，用來(lái)改變圖像的清晰度棍丐。

系統(tǒng)分辨率指成像系統(tǒng)可以識(shí)別出監(jiān)測(cè)目標(biāo)的最小細(xì)節(jié)或最小特征误辑。諸如“要求系統(tǒng)能檢測(cè)0.1mm的目標(biāo)"、"要求系統(tǒng)測(cè)量精度達(dá)到0.01mm"之類的要求一般都和系統(tǒng)分辨率相關(guān)歌逢。

像素分辨率指為了表示檢測(cè)目標(biāo)所需要的像素?cái)?shù)巾钉。一般情況下，可以根據(jù)客戶對(duì)檢測(cè)目標(biāo)中最小特征的要求來(lái)確定最小像素分辨率秘案。如果將整個(gè)圖像看作周期為最小特征大小的周期信號(hào)砰苍，則根據(jù)奈奎斯特采樣定律，必須對(duì)信號(hào)每個(gè)周期采樣2個(gè)點(diǎn)以上阱高，才能完整恢復(fù)該信號(hào)赚导。因此如果客戶沒(méi)有特別要求，常用至少兩個(gè)像素來(lái)代表檢測(cè)目標(biāo)中的最小特征赤惊，這可被看作是圖像傳感器的奈奎斯特定律吼旧。

圖像傳感器應(yīng)具備的最小像素分辨率常通過(guò)下面的公式計(jì)算：

Rmin為最小像素分辨率。

Lmax為檢測(cè)目標(biāo)的最大長(zhǎng)度未舟。

lmin為檢測(cè)目標(biāo)的最小特征長(zhǎng)度（視覺(jué)系統(tǒng)的分辨率)圈暗。

pmin為表示最小特征的像素?cái)?shù)。

在無(wú)特別要求時(shí)裕膀，pmin=2员串，如果客戶要求使用多于2像素來(lái)表示最小特征，則最小分辨率將適當(dāng)增加昼扛。

1.3寸齐、視場(chǎng)

視場(chǎng)（Field of View，F(xiàn)OV）指成像系統(tǒng)中圖像傳感器可以監(jiān)測(cè)到的最大區(qū)域抄谐。在機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)渺鹦，考慮到一般都會(huì)使被檢測(cè)目標(biāo)盡量填滿整視場(chǎng)，因此常用視場(chǎng)大小代替目標(biāo)的最大長(zhǎng)度Lmax來(lái)計(jì)算視覺(jué)系統(tǒng)的像素分辨率斯稳。如下圖（a）所示海铆，表示被檢測(cè)目標(biāo)在水平方向上占據(jù)整個(gè)視場(chǎng)，而圖（b）表示目標(biāo)未填滿視場(chǎng)挣惰。

如果橫縱方向上視場(chǎng)大小為[FOVh，F(xiàn)OVv]，檢測(cè)目標(biāo)的最小特征的大小為[Ih憎茂，lv]珍语，則圖像傳感器應(yīng)具有的最小像素分辨率為：

成像系統(tǒng)視場(chǎng)的大小可以通過(guò)研究其成像規(guī)律得知。目前竖幔，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)常用使用配備各種鏡頭系統(tǒng)的工業(yè)CCD/CMOS相機(jī)作為成像系統(tǒng)板乙，透鏡成像示意圖如下所示：

鏡頭系統(tǒng)一般使用透鏡系統(tǒng)，其成像遵循高斯成像公式：

f為透鏡焦距(focal length拳氢，凸正凹負(fù))募逞。

u為物距。

v為像距（實(shí)正虛負(fù))馋评。如下圖所示放接。通常將像距與物距的比值定義為透鏡的放大率M：

2、影響成像質(zhì)量的因素

數(shù)字圖像是對(duì)成像系統(tǒng)輸出的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后的結(jié)果留特，成像系統(tǒng)反映真實(shí)場(chǎng)景的性能和質(zhì)量直接決定整個(gè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的性能纠脾。

影響機(jī)器視覺(jué)成像系統(tǒng)成像質(zhì)量的因素主要包括：光源（Illumination）、系統(tǒng)分辨率（System Resolution）蜕青、像素分辨率（Pixel Resolution）苟蹈、對(duì)比度（Contrast）、景深（Depth of Field右核，DOF）慧脱、投影誤差（Perspective Error）和鏡頭畸變（Lens Distortion）。

而這些因素（參數(shù)）卻直接或間接地由硬件選型和安裝方式?jīng)Q定贺喝。

3磷瘤、成像系統(tǒng)模型

工業(yè)或研究領(lǐng)域的成像系統(tǒng)多種多樣，常見(jiàn)的有工業(yè)CCD/CMOS相機(jī)搜变、工業(yè)顯微鏡采缚、生物顯微鏡、X射線成像儀挠他、紅外成像儀扳抽、熱成像儀等。無(wú)論這些成像系統(tǒng)的原理有多復(fù)雜殖侵，都可被抽象為下圖所示的簡(jiǎn)化模型贸呢。

千差萬(wàn)別的成像系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中的可見(jiàn)光、紅外拢军、X射線楞陷、熱量等實(shí)施某種轉(zhuǎn)換T (x，y)茉唉，將物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)固蛾，再經(jīng)圖像采集設(shè)備采樣结执、量化后生成數(shù)字圖像。

4艾凯、鏡頭系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型

由于對(duì)機(jī)器視覺(jué)成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)献幔，相機(jī)鏡頭到所檢測(cè)目標(biāo)的距離（稱為工作距離，相當(dāng)于物距）相對(duì)于相機(jī)焦距可近似認(rèn)為是無(wú)窮遠(yuǎn)趾诗。若將其帶入高斯成像公式蜡感，可得出此時(shí)相機(jī)像距近似等于其焦距，也就是說(shuō)相機(jī)成像在焦平面上恃泪。據(jù)此郑兴，可以將鏡頭系統(tǒng)抽象為類似小孔成像的簡(jiǎn)化模型，如下圖所示：

根據(jù)該簡(jiǎn)化模型贝乎，可以得出機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)圖像傳感器尺寸S（傳感器平面某個(gè)方向上的長(zhǎng)度)情连、視場(chǎng)FOV、工作距離WD及鏡頭焦距f之間的約束關(guān)系：

此時(shí)糕非，透鏡的放大率M則可以等效為：

如果進(jìn)一步將前述最小像素分辨率的計(jì)算公式與該約束關(guān)系結(jié)合（用視場(chǎng)FOV代替目標(biāo)的最大長(zhǎng)度Lmax)蒙具，則可以得出以下成像系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型的參數(shù)約束關(guān)系：

該公式所顯示的參數(shù)間的相互約束關(guān)系是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和搭建部署時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備選型的基礎(chǔ)。

實(shí)際中傳感器尺寸S可以通過(guò)查詢相機(jī)的技術(shù)規(guī)范獲知朽肥，焦距f禁筏、工作距離WD直接由所選擇的鏡頭決定。在已知這些參數(shù)時(shí)衡招，可以很容易地計(jì)算出視場(chǎng)FOV篱昔。相機(jī)的像素分辨率由其有效像素區(qū)域（即傳感器尺寸）決定，通常用橫向和縱向有效像素?cái)?shù)來(lái)表示（如768×576）始腾。為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)所選擇的相機(jī)像素分辨率州刽，必須大于或等于按照項(xiàng)目需求（包括對(duì)最小特征尺寸lmin和用于表示最小特征的像素?cái)?shù)pmin的要求）計(jì)算出的最小像素分辨率Rmin。下圖進(jìn)一步顯示了公式中涉及的參數(shù)含義：

5浪箭、鏡頭與相機(jī)的選型

工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中穗椅，鏡頭與相機(jī)的選型非常重要。如果事先既未確定相機(jī)又未確定鏡頭奶栖，則需要先了解項(xiàng)目工作環(huán)境對(duì)相機(jī)安裝（工作距離）匹表、要檢測(cè)的最大范圍(視場(chǎng))、最小特征的尺寸和代表它的像素?cái)?shù)的要求宣鄙，然后根據(jù)這些條件來(lái)計(jì)算應(yīng)使用何種鏡頭或相機(jī)袍镀。下圖為機(jī)器視覺(jué)項(xiàng)目選擇鏡頭和相機(jī)的簡(jiǎn)化流程：

無(wú)論何種情況，都是基于成像系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型的參數(shù)約束關(guān)系和項(xiàng)目需求獲取最優(yōu)搭配的過(guò)程冻晤。

5.1苇羡、鏡頭的選型

如果將機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)與人類視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行類比，那么相機(jī)的傳感器芯片就如同人的視網(wǎng)膜鼻弧，而鏡頭則相當(dāng)于眼睛內(nèi)的晶狀體设江。各種現(xiàn)實(shí)世界中的圖像都通過(guò)這個(gè)“晶狀體"對(duì)光線進(jìn)行變換（匯聚）后锦茁，投射在"視網(wǎng)膜”上。

機(jī)器視覺(jué)成像系統(tǒng)使用的鏡頭通常由凸透鏡和凹透鏡結(jié)合設(shè)計(jì)而成绣硝。

單個(gè)凸透鏡或凹透鏡是進(jìn)行光束變換的基本單元蜻势。凸透鏡可對(duì)光線進(jìn)行匯聚撑刺，也稱為會(huì)聚透鏡或正透鏡鹉胖。

凹透鏡對(duì)光線具有發(fā)散作用，也稱為發(fā)散透鏡或負(fù)透鏡够傍。

兩種透鏡成像均遵循高斯成像公式甫菠，通過(guò)把它們結(jié)合使用，在校正各種像差和失真后冕屯，設(shè)計(jì)出具有不同結(jié)構(gòu)和技術(shù)指標(biāo)的復(fù)合鏡頭系統(tǒng)寂诱。與鏡頭相關(guān)的主要技術(shù)參數(shù)有鏡頭分辨率、焦距安聘、最小工作距離痰洒、最大像面、視場(chǎng)/視場(chǎng)角浴韭、景深丘喻、光圈和相對(duì)孔徑及其安裝接口類型等。

5.1.1念颈、鏡頭分辨率

鏡頭的空間分辨率泉粉、相機(jī)像素分辨率和相機(jī)的空間分辨率、系統(tǒng)空間分辨率和系統(tǒng)分辨率是幾個(gè)極容易混淆的概念榴芳。

鏡頭空間分辨率表示它的空間極限分辨能力嗡靡，常用拍攝正弦光柵的方法來(lái)測(cè)試。如果從信號(hào)處理的角度來(lái)看窟感，任何非周期圖像信號(hào)都可以被看作周期圖像（或子圖像）的疊加讨彼，而任何周期圖像又都可以被分解為亮度按正弦變化的圖形的疊加。因此柿祈，通過(guò)研究鏡頭對(duì)亮度按正弦變化圖形的反應(yīng)哈误，就可以研究鏡頭的性能和分辨率。正弦光柵就是亮度按照正弦變化的圖像谍夭，如下圖所示：

其中棚格黑白相間黑滴，可把黑色看作正弦波谷，把白色看作正弦波峰紧索。正弦光柵中一對(duì)相鄰黑線和白線稱為一個(gè)線對(duì)(line pair袁辈，lp)，它所占據(jù)的長(zhǎng)度被定義為正弦光柵的空間周期珠漂，單位是毫米晚缩。正弦光柵空間周期的倒數(shù)就是空間頻率(spatial frequency)尾膊，它表示每毫米內(nèi)的線對(duì)數(shù)，單位是線對(duì)/毫米(Ip/mm)荞彼。通過(guò)拍攝正弦光柵冈敛，研究鏡頭每毫米內(nèi)能分辨的線對(duì)數(shù)，就可以獲知鏡頭的分辨率鸣皂。鏡頭分辨率越高抓谴，則說(shuō)明其每毫米內(nèi)能分辨的線對(duì)數(shù)越多。對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)寞缝，只需要查詢鏡頭參數(shù)表即可獲知其分辨率癌压。

相機(jī)像素分辨率是指相機(jī)傳感器上縱橫方向上的像素?cái)?shù)。

相機(jī)的空間分辨率卻表示它的空間極限分辨能力荆陆。根據(jù)前述相機(jī)奈奎斯特定律滩届，相機(jī)要能恢復(fù)空間圖像，必須至少使用2個(gè)像素來(lái)表示圖像的最小單元被啼。如果用研究鏡頭的空間分辨率類似的方法來(lái)研究相機(jī)空間分辨率帜消，則正弦光柵中的每對(duì)線需要至少2個(gè)像素來(lái)表示。由此浓体，可以通過(guò)像素的物理大小來(lái)計(jì)算相機(jī)的空間分辨率泡挺。例如，某相機(jī)的像素物理大小為8.4um×9.8um汹碱，則相機(jī)在橫縱方向上的空間分辨率為：

對(duì)于鏡頭和相機(jī)構(gòu)成的成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)粘衬，整個(gè)系統(tǒng)的空間分辨率取鏡頭和相機(jī)空間分辨率的最小值。

5.1.2咳促、鏡頭成像要素

影響鏡頭成像的因素包括：焦距稚新、最大像面、視場(chǎng)/視場(chǎng)角跪腹、漸暈褂删、景深等方面。

焦距是指無(wú)限遠(yuǎn)處目標(biāo)在鏡頭的像方所成像位置到像方主面的距離冲茸。焦距體現(xiàn)了鏡頭的基本特性：即在不同物距上屯阀，目標(biāo)的成像位置和成像大小由焦距決定。市面上常見(jiàn)的鏡頭焦距大小包括6mm轴术、8mm难衰、12.5mm、25mm以及50mm等逗栽。對(duì)機(jī)器視覺(jué)成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)盖袭，工作距離就是成像系統(tǒng)中所說(shuō)的物距。由于視覺(jué)成像系統(tǒng)模型的假定條件是工作距離相對(duì)于鏡頭焦距為無(wú)限遠(yuǎn)，因此一般在鏡頭的產(chǎn)品參數(shù)中都會(huì)說(shuō)明其最小工作距離鳄虱。當(dāng)相機(jī)在小于該最小工作距離的環(huán)境下工作時(shí)弟塞，就會(huì)出現(xiàn)圖像失真，影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的可靠性拙已。

最大像面是指鏡頭能支持的最大清晰成像范圍（常用可觀測(cè)范圍的直徑表示)决记，超出這個(gè)范圍所成的像對(duì)比度會(huì)降低而且會(huì)變得模糊不清。最大像面是由鏡頭本身的特性決定的倍踪，它的大小也限定了鏡頭可支持的視場(chǎng)的大小系宫。

鏡頭的視場(chǎng)就是鏡頭最大像面所對(duì)應(yīng)的觀測(cè)區(qū)域。視場(chǎng)角是視場(chǎng)的另一種表述方法惭适，類似人眼“視角"的意義笙瑟。視場(chǎng)角等于最大像面對(duì)應(yīng)的目標(biāo)張角楼镐。通常癞志，在遠(yuǎn)距離成像系統(tǒng)中，例如望遠(yuǎn)鏡框产、航拍鏡頭等場(chǎng)合凄杯，鏡頭的成像范圍均用視場(chǎng)角來(lái)衡量。而近距離成像中秉宿，常用實(shí)際物面的直徑（即幅面）來(lái)表示戒突。

由于機(jī)器視覺(jué)成像系統(tǒng)中的傳感器多制作成長(zhǎng)方形或正方形，因此鏡頭的最大像面常用它可以支持的最大傳感器尺寸(單位為英寸描睦，1英寸約為2.54cm）來(lái)表示膊存。相應(yīng)地，鏡頭的視場(chǎng)也可以用最大像面所對(duì)應(yīng)的橫向和縱向觀測(cè)距離或視場(chǎng)角來(lái)表示忱叭，如下圖所示：

對(duì)于同一相機(jī)來(lái)說(shuō)隔崎，有公式如下：

S為相機(jī)傳感器在二維平面某個(gè)維度上的大小。

f為焦距韵丑。

2w為視場(chǎng)角爵卒。

由于相機(jī)傳感器尺寸固定，因此視場(chǎng)角也可以被看作焦距的另一種表達(dá)撵彻。因此在生活中钓株，人們常按照鏡頭的視場(chǎng)角對(duì)其進(jìn)行分類，如望遠(yuǎn)鏡（6~12°)陌僵、遠(yuǎn)距攝像鏡頭（120~46°) .標(biāo)準(zhǔn)鏡頭（46~65°)轴合、廣角鏡頭（650~100°）及超廣角鏡頭( >100°）等。

一般來(lái)說(shuō)碗短，鏡頭的失真會(huì)隨著焦距的減小(或視場(chǎng)角的增大）而增大受葛，因而在構(gòu)建機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)（特別是精確測(cè)量系統(tǒng))時(shí)，一般都不會(huì)選擇焦距小于8mm或視場(chǎng)角很大的鏡頭。

鑒于鏡頭能清楚成像的范圍受到最大像面的限制奔坟，因此在為相機(jī)選配鏡頭時(shí)携栋，要特別注意相機(jī)傳感器與鏡頭可支持最大傳感器之間的關(guān)系。

一般來(lái)說(shuō)咳秉，必須確保所選鏡頭可支持的最大傳感器尺寸大于或等于相機(jī)的傳感器尺寸婉支。這樣做的另一個(gè)主要原因是為了避免漸暈(Vignetting）現(xiàn)象的發(fā)生。

如圖下圖(c)所示澜建，如果相機(jī)傳感器的尺寸大于鏡頭可支持的最大傳感器尺寸時(shí)向挖，所生成的圖像就會(huì)形成類似隧道的效果，該現(xiàn)象稱為漸暈現(xiàn)象炕舵。漸暈現(xiàn)象會(huì)增加機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度何之，因此應(yīng)盡量避免。下圖中的(a) 咽筋、(b）分別顯示了在鏡頭可支持的最大傳感器尺寸等于或大于相機(jī)的傳感器尺寸時(shí)視覺(jué)系統(tǒng)的成像情況溶推，這兩種情況下機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)均能正常工作。

景深也是一個(gè)與鏡頭和成像系統(tǒng)關(guān)系十分密切的參數(shù)奸攻，它是指在鏡頭前沿著光軸所測(cè)定的能夠清晰成像的范圍蒜危，如下圖所示：

在成像系統(tǒng)的焦點(diǎn)前后，物點(diǎn)光線呈錐狀開(kāi)始聚集和擴(kuò)散睹耐，點(diǎn)的影像沿光軸在焦點(diǎn)前后逐漸變得模糊辐赞，形成一個(gè)擴(kuò)大的圓，這個(gè)圓稱為彌散圓(circle of confusion)硝训。若這個(gè)圓形影像的直徑足夠邢煳（離焦點(diǎn)較近)，成像會(huì)足夠清晰窖梁，如果圓形再大些（遠(yuǎn)離焦點(diǎn))赘风，成像就會(huì)顯得模糊。當(dāng)在某個(gè)臨界位置所成的像不能被辨認(rèn)時(shí)窄绒，則該圓就被稱為容許彌散圓(permissible circle of confusion)贝次。焦點(diǎn)前后兩個(gè)容許彌散圓之間的距離稱為焦深。在目標(biāo)物一側(cè)彰导，焦深對(duì)應(yīng)的范圍就是景深蛔翅。

e為容許彌散圓的直徑。

f為鏡頭焦距位谋。

D為對(duì)焦距離山析。

F為鏡頭的拍攝光圈(aperture)值。光圈值F常用鏡頭焦距和鏡頭入瞳的有效直徑Din的比值來(lái)表示掏父，它是鏡頭相對(duì)孔徑Dr的倒數(shù)笋轨，即：

從景深公式可以看出，后景深要大于前景深，而且景深一般隨著鏡頭的焦距爵政、光圈值仅讽、對(duì)焦距離（可近似于拍攝距離)的變化而變化。在其他條件不變時(shí)：

光圈越大（光圈值F越小)钾挟，景深越薪嗔椤；光圈越小(光圈值F越大）掺出，景深越大徽千。

鏡頭焦距越長(zhǎng)，景深越刑老恰双抽；焦距越短，景深越大闲礼。

距離越遠(yuǎn)牍汹，景深越大；距離越近位仁，景深越小柑贞。

在檢測(cè)目標(biāo)的高度在一定范圍內(nèi)可能變化的情況下，選擇合適的景深聂抢，對(duì)于機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性尤為重要。

5.1.3棠众、普通鏡頭和遠(yuǎn)心鏡頭

普通鏡頭與人眼一樣琳疏，觀測(cè)物體時(shí)都存在"近大遠(yuǎn)小”的現(xiàn)象，如下圖 (a)所示闸拿。也就是說(shuō)空盼，雖然物體在景深范圍內(nèi)可以清晰成像，但是其成像卻隨著物距增大而縮小新荤。如果被測(cè)目標(biāo)不在同一物面上(如有厚度的物體）揽趾，則會(huì)導(dǎo)致圖像中的物體變形。另一方面苛骨，相機(jī)傳感器的感光面通常并不容易被精確調(diào)整到與鏡頭的像平面重合(調(diào)焦不準(zhǔn))篱瞎，由此也會(huì)產(chǎn)生誤差。為此痒芝，人們?cè)O(shè)計(jì)了遠(yuǎn)心鏡頭俐筋。

遠(yuǎn)心鏡頭(telecentric lens）有較大的景深，且可以保證景深范圍內(nèi)任何物距都有一致的圖像放大率严衬，如下圖 (b）所示澄者。多數(shù)機(jī)器視覺(jué)在測(cè)量、缺陷檢測(cè)或者定位等應(yīng)用上，對(duì)物體成像的放大倍率沒(méi)有嚴(yán)格要求粱挡，一般只要選用畸變較小的鏡頭赠幕，就可以滿足要求。但是询筏，當(dāng)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要檢測(cè)三維目標(biāo)（或檢測(cè)目標(biāo)不完全在同一物面上）時(shí)劣坊，就需要使用遠(yuǎn)心鏡頭。

例如屈留，要檢測(cè)厚度大于視場(chǎng)直徑的1/10的物體局冰，或需要檢測(cè)帶孔徑、三維的物體等灌危。一般來(lái)說(shuō)康二，如果被測(cè)目標(biāo)物面變化范圍大于視場(chǎng)直徑的1/10時(shí)，就需要考慮使用遠(yuǎn)心鏡頭勇蝙。它可以確保測(cè)試過(guò)程中物距在一定范圍內(nèi)改變時(shí)沫勿，系統(tǒng)放大倍數(shù)保持不變，從而保證系統(tǒng)的測(cè)量精度味混。

5.2产雹、相機(jī)的選型

5.2.1、CCD/CMOS

早期的相機(jī)多基于顯像管成像翁锡。隨著集成電子技術(shù)和固體成像器件的發(fā)展蔓挖，以電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD）為傳感器的相機(jī)馆衔，因其與真空管相比具有無(wú)灼傷瘟判、無(wú)滯后、工作電壓及功耗低等優(yōu)點(diǎn)而大行其道角溃。CCD于1969年由美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的Willard S.Boyle和George E.Smith發(fā)明拷获，它能夠?qū)⒐饩€變?yōu)殡姾纱鎯?chǔ)起來(lái)，并隨后可在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下將存儲(chǔ)的電荷轉(zhuǎn)移到與之耦合的區(qū)域减细。人們正是利用它的這一特點(diǎn)發(fā)明了各種各樣的CCD成像設(shè)備匆瓜。

CCD實(shí)際上可以被看作由多個(gè)MOS (Metal Oxide Semiconductor）電容組成。在P型單晶硅的襯底上通過(guò)氧化形成一層厚度約為100~150nm的SiOz絕緣層未蝌，再在SiO驮吱，表面按一定層次蒸鍍一層金屬或多晶硅層作為電極，最后在襯底和電極間加上一個(gè)偏置電壓(柵極電壓)树埠，即可形成一個(gè)MOS電容器糠馆，如下圖所示：

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器的開(kāi)發(fā)最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初。20世紀(jì)90年代初期怎憋，隨著超大規(guī)模集成電路(VLSI）制造工藝技術(shù)的發(fā)展又碌，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展九昧。CMOS圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理與CCD圖像傳感器相同，二者的主要差異在于電荷的轉(zhuǎn)移方式上毕匀。CCD圖像傳感器中的電荷會(huì)被逐行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器铸鹰，經(jīng)放大器放大后輸出。由于電荷是從寄存器中逐位連續(xù)輸出的皂岔，因此放大后輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)蹋笼。在CMOS傳感器中，每個(gè)光敏元的電荷都會(huì)立即被與之鄰接的一個(gè)放大器放大躁垛，再以類似內(nèi)存尋址的方式輸出剖毯，如下圖所示：

因此CMOS芯片輸出的是離散的數(shù)字信號(hào)，之所以采用兩種不同的電荷傳遞方式教馆，是因?yàn)镃CD是在半導(dǎo)體單晶硅材料上集成的逊谋，而CMOS則是在金屬氧化物半導(dǎo)體材料上集成的，工藝上的不同使得CCD能保證電荷在轉(zhuǎn)移時(shí)不會(huì)失真土铺，而CMOS則會(huì)使電荷在傳送距離較長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生噪聲胶滋，因此使用CMOS時(shí)，必須先對(duì)信號(hào)放大再整合輸出悲敷。

CCD和CMOS圖像傳感器比較究恤，如下表所示：

5.2.2、模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)

CCD/CMOS芯片完成光電轉(zhuǎn)換后后德，其輸出為模擬或數(shù)字電信號(hào)部宿。通常該信號(hào)還要被進(jìn)一步放大、矯正探遵，添加同步窟赏、調(diào)制或采樣編碼，生成符合各種標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號(hào)后才正式輸出箱季。理論上講，相機(jī)的輸出信號(hào)可以是任意自定義的形式棍掐。但是藏雏，由于電視系統(tǒng)先于機(jī)器視覺(jué)發(fā)展多年巡语，若以電視系統(tǒng)中已廣泛使用的視頻方式輸出信號(hào)枯芬，不僅更便于信號(hào)的傳輸，還能最大限度地利用各種現(xiàn)有的成熟軟硬件技術(shù)车摄，因此除了少數(shù)相機(jī)輸出非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)外粟誓，大多數(shù)相機(jī)的輸出都是模擬或數(shù)字視頻信號(hào)奏寨。機(jī)器視覺(jué)相機(jī)也因此根據(jù)其輸出信號(hào)的形式分為模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)兩大類。

模擬相機(jī)的輸出信號(hào)通常被加工為可以支持隔行掃描（interlacing scan）顯示的視頻信號(hào)鹰服，以便其能與傳統(tǒng)電視或視頻監(jiān)控等系統(tǒng)兼容病瞳，而多數(shù)數(shù)碼相機(jī)的輸出則直接按照支持逐行掃描（progressive scan）的方式進(jìn)行編碼揽咕。我們知道，支持逐行掃描的視頻信號(hào)將每一幀圖像按順序逐行連續(xù)編碼套菜，傳送到顯示設(shè)備后亲善，也會(huì)被逐行以掃描的方式顯示。支持逐行掃描的信號(hào)數(shù)據(jù)量很大逗柴，在電視技術(shù)發(fā)展的初期要通過(guò)天線傳輸?shù)拇祟愋盘?hào)極其困難蛹头。為了能減少信號(hào)的數(shù)據(jù)量，同時(shí)不影響圖像的視覺(jué)效果戏溺，人們提出了隔行掃描的方法渣蜗。

與模擬相機(jī)不同，數(shù)字相機(jī)會(huì)通過(guò)其內(nèi)部集成的A/D轉(zhuǎn)換器將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)旷祸，并編碼為數(shù)字視頻后耕拷，按照RS-422、LVDS (RS-644) 肋僧、 FireWire 1394斑胜、USB、Camera Link或千兆以太網(wǎng)GigE(Gigabit Ethernet)等標(biāo)準(zhǔn)傳輸嫌吠。相機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)決定了它能從暗到亮識(shí)別的灰度級(jí)數(shù)止潘，常用位深度(bit depth）來(lái)表述，如8位辫诅、10位凭戴、12位或16位等。

對(duì)于彩色相機(jī)來(lái)說(shuō)炕矮，相機(jī)的位深度決定了RGB各色彩分量中灰度數(shù)據(jù)的豐富程度么夫，也就決定了相機(jī)能識(shí)別或表示的顏色數(shù)量。對(duì)黑白相機(jī)來(lái)說(shuō)肤视，位深度則直接決定了相機(jī)可以識(shí)別的灰度級(jí)數(shù)档痪。

例如，一個(gè)8位的黑白數(shù)字相機(jī)最高能夠檢測(cè)0(暗)~256(亮）個(gè)灰度級(jí)邢滑，而一個(gè)12位相機(jī)則可以檢測(cè)0~4096個(gè)灰度級(jí)腐螟。如果要檢測(cè)的灰度級(jí)間隔比較細(xì)，則應(yīng)盡量使用位數(shù)高的相機(jī)困后。例如乐纸，若要檢測(cè)213和214灰度級(jí)之間的灰度級(jí)，則應(yīng)使用超過(guò)8位的相機(jī)摇予。

數(shù)字視頻信號(hào)多采用逐行掃描方式代替隔行掃描汽绢，且用幀有效（frame enable）和行有效(line enable)信號(hào)代替了模擬視頻信號(hào)中的場(chǎng)同步和行同步信號(hào)，來(lái)精確控制每行和每幀圖像侧戴。每行中的單個(gè)像素都以獨(dú)立數(shù)字信號(hào)的形式宁昭，在像素時(shí)鐘的控制下傳送跌宛，由于數(shù)字視頻信號(hào)的同步信號(hào)（幀有效、行有效和像素時(shí)鐘）與圖像數(shù)據(jù)并沒(méi)有像模擬視頻信號(hào)那樣混合在一起傳輸久窟，因此數(shù)字視頻信號(hào)不存在模擬視頻信號(hào)的像素抖動(dòng)問(wèn)題秩冈。此外，數(shù)字視頻相對(duì)于模擬視頻有較高的分辨率和幀率斥扛、較多的灰度等級(jí)入问、高傳輸速度、較低的信號(hào)衰減和噪聲等優(yōu)點(diǎn)稀颁。

6芬失、總結(jié)

為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)選擇相機(jī)，是一個(gè)綜合鏡頭和圖像采集卡與相機(jī)的接口以及相機(jī)自身參數(shù)的逐步篩選的過(guò)程匾灶。按道理來(lái)說(shuō)棱烂，第一步應(yīng)該確定相機(jī)與鏡頭和圖像采集卡的物理接口，以便所選的相機(jī)可以與鏡頭和采集卡正常連接阶女。但是颊糜，由于目前相機(jī)與鏡頭和電腦/圖像采集卡之間的接口都趨于標(biāo)準(zhǔn)化，這就使得我們可以直接從項(xiàng)目對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的精度要求入手來(lái)選擇相機(jī)秃踩。

相機(jī)選擇并無(wú)固定流程可循衬鱼，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行（暫不考慮預(yù)算)︰

根據(jù)項(xiàng)目要求和機(jī)器視覺(jué)成像系統(tǒng)模型憔杨，確定相機(jī)的傳感器尺寸及分辨率鸟赫。

確定相機(jī)的輸出方式及標(biāo)準(zhǔn)（模擬/數(shù)字，色彩消别，速率等)抛蚤。

確定相機(jī)物理接口及電器接口。

確定相機(jī)其他性能指標(biāo)寻狂。

本文參考：圖像處理岁经、分析與機(jī)器視覺(jué)（基于LabVIEW），強(qiáng)烈推薦閱讀~