1、相機(jī)及鏡頭相機(jī)及鏡頭實(shí)物圖像?圖像采集和處理的過程，最基本的是要把實(shí)物盡量真實(shí)地反映到虛擬的圖像上一、成像原理一、成像原理如何準(zhǔn)確地描述一幅圖像一、成像原理一、成像原理感光芯片的設(shè)計(jì)思想：就是分割被描述區(qū)域，用相應(yīng)的灰度填充。一、成像原理一、成像原理實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源顯示設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換設(shè)備放大設(shè)備一、成像原理一、成像原理實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源顯示設(shè)備A/D轉(zhuǎn)換CCD sensor后端電路一、成像原理一、成像原理實(shí)物圖像光子模擬量（電壓）電荷日光 監(jiān)視器CCD sensor相機(jī)后端電路模擬相機(jī)模擬相機(jī) + 監(jiān)視器監(jiān)視器一、成像原理一、成像原理實(shí)物圖

2、像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源 PC 模擬采集卡CCD sensor相機(jī)后端電路模擬相機(jī)模擬相機(jī) + 模擬采集卡模擬采集卡一、成像原理一、成像原理實(shí)物圖像數(shù)字量光子模擬量（電壓）電荷光源A/D轉(zhuǎn)換CCD sensor相機(jī)后端電路 PC數(shù)字采集卡數(shù)字相機(jī)數(shù)字相機(jī) + 數(shù)字采集卡數(shù)字采集卡一、成像原理一、成像原理由于光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和放大設(shè)備都是針對(duì)微觀的電荷進(jìn)行量化操作。就需要一個(gè)精密的器件來完成這兩個(gè)過程。我們常用的是 CCD 和 CMOS二、二、CCD 和和 CMOS 的比較的比較CCD ( Charge Coupled Device )電荷藕合器件圖像傳感器CCD，它集成在高感光度的半導(dǎo)體

3、單晶材料上，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體，它集成在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上。CCD IMAGE SENSOR外形CCD通用外形 為攝像系統(tǒng)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體，通常市面所見外形如下圖，通常以百萬像素megapixel 為單位。 CMOS Image Sensor外形CCD畫素多

4、寡與尺寸大小沒有絕對(duì)關(guān)系畫素多寡與尺寸大小沒有絕對(duì)關(guān)系 CCD外形尺寸規(guī)格 傳統(tǒng) 4：3 的規(guī)格走向 16：9 /16：10 更寬廣的界線。然而，大多數(shù) DSC 消費(fèi)型數(shù)字相機(jī)的 CCD 長寬比，依然沿襲 1950 年代電視規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)剛制訂時(shí) 4：3的標(biāo)準(zhǔn)（3：2主要仍為 DSLR 數(shù)字單眼機(jī)身所采用，另中片幅、專業(yè)數(shù)字機(jī)背享有1：1之正方形特殊規(guī)格）。主要是這方面設(shè)計(jì)變更不僅會(huì)影響成本，也會(huì)牽動(dòng)至后續(xù)相機(jī)與鏡頭的設(shè)計(jì)。 CCD外形尺寸信息CCD sensor放大A/D光子電子電壓數(shù)字信號(hào)CMOS 芯片可以在像素上同時(shí)完成這兩個(gè)步驟CCD與CMOS的光電轉(zhuǎn)換示意圖：由上面兩圖可看出由上面兩圖可看

5、出：CMOS和CCD最大的區(qū)別是 CMOS的 電荷到電壓轉(zhuǎn)換過程是在每個(gè)像素上完成的二、二、CCD 和和 CMOS 的比較的比較由于上面所說的結(jié)構(gòu)，CCD的電路更改更方便。而由于CMOS的過分集成，電路更改不方便，但可靠性高。CMOS功耗小。CMOS噪聲大。 CCD信噪比的典型值一般為4555dB。 CMOS傳感器有固定比CCD傳感器高10倍的噪音。CMOS速度快。由結(jié)構(gòu)決定。成本CMOS便宜一些。二、二、CCD 和和 CMOS 的比較的比較CMOS靈敏度差。 CMOS傳感器對(duì)光線的靈敏度不好，感光度通常比CCD傳感器低10倍。人眼能看到1Lux照度（滿月的夜晚）以下的目標(biāo)，CCD傳感器通常能

6、看到比人眼略好，大約能看到在0.13Lux照度以下的目標(biāo)，是CMOS傳感器感光度的3到10倍。CMOS傳感器的感光度一般在6到15Lux的范圍內(nèi)。二、二、CCD 和和 CMOS 的比較的比較二、二、CCD 和和 CMOS 的比較的比較 因?yàn)镃MOS傳感器在10Lux以下基本沒用，因此大量工業(yè)及廣播級(jí)攝像機(jī)都使用CCD傳感器，CMOS傳感器一般用于低端產(chǎn)品。在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。而CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般，對(duì)實(shí)物的色彩還原能力偏弱，曝光也不太好。 由于自身物理特性的原因，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像質(zhì)量和的成像質(zhì)量和CCD還是

7、還是有一定距離的。有一定距離的。 CCD在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢(shì)。而常見的高在圖像的質(zhì)量上更有優(yōu)勢(shì)。而常見的高速攝像頭則會(huì)采用速攝像頭則會(huì)采用CMOS芯片。芯片。感光器件類型感光器件類型工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)分為兩大類，CCD器件和CMOS器件CCDCMOS設(shè)計(jì) 單一感光器,集中統(tǒng)一放大每個(gè)感光器連接放大器 靈敏度 同樣面積下高,感光開口小 靈敏度低 成本 線路品質(zhì)影響程度高，成本高 CMOS整合集成，成本低 解析度 連接復(fù)雜度低，解析度高 新技術(shù)解析度高 噪點(diǎn)比 單一放大，噪點(diǎn)低 放大器多,特性不同，噪點(diǎn)高 功耗比 需外加電壓，功耗高 直接放大，功耗低 按用途分類按用途分類工

8、業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)分為機(jī)器視覺相機(jī)和安防監(jiān)控相機(jī)兩大類機(jī)器視覺安防監(jiān)控觸發(fā)采集模式 含有觸發(fā)采集接口無觸發(fā)采集接口 分辨率從高到低都有，很豐富一般較低 程序接口 有完善的程序開發(fā)庫，尤其對(duì)圖像捕捉功能支持很齊全 一般只有連續(xù)視頻捕捉功能價(jià)格貴很便宜數(shù)據(jù)傳輸接口各種類型都有，USB，千兆以太網(wǎng)，CameraLink，1394等等目前以模擬接口為主，數(shù)字接口較少按感光單元排列方法按感光單元排列方法工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)分為線陣掃描相機(jī)和面陣掃描相機(jī)線陣相機(jī)面陣相機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，在同等分辨率下成本較低 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在同等分辨率下成本較高應(yīng)用場(chǎng)合勻速運(yùn)動(dòng)的的物體

9、，例如工業(yè)流水線,可以是靜止，也可以運(yùn)動(dòng)，分辨率 512/行,2k/行，4K/行640480，800600，102476820481536或者更高光源光源只需要一窄條，整個(gè)畫面比較均勻，能在低照度下工作 整個(gè)面的光源較難做到均勻，照度要求高，彩色相機(jī)形式三線CCD，或者棱鏡分光彩色濾光膜，bayer算法彩色形成方式彩色形成方式工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)工業(yè)數(shù)字相機(jī)基本知識(shí)彩色覆膜+bayer算法棱鏡分光方法鏡頭外形鏡頭外形鏡頭基本知識(shí)鏡頭基本知識(shí)一、分類一、分類 焦距焦距：短焦鏡頭、中焦鏡頭，長焦鏡頭 視場(chǎng)視場(chǎng)：廣角、標(biāo)準(zhǔn)、遠(yuǎn)攝鏡頭 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：固定光圈定焦鏡頭，手動(dòng)光圈定焦鏡頭，自動(dòng)光圈定焦鏡頭，手

10、動(dòng)變焦鏡頭、自動(dòng)變焦鏡頭，自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦鏡頭，電動(dòng)三可變（光圈、焦距、聚焦均可變）鏡頭。 鏡頭外形鏡頭外形鏡頭基本知識(shí)鏡頭基本知識(shí)一、分類一、分類 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)鏡頭：視角約50 度 廣角廣角鏡頭：視角90 度以上，適用於拍攝距離近且范圍大的景物，又能刻意夸大前景表現(xiàn)強(qiáng)烈遠(yuǎn)近感 特廣角特廣角鏡頭：100120 度 長焦距長焦距鏡頭：適于拍攝距離遠(yuǎn)的景物，景深小容易使背景模糊主體突出，但笨重且對(duì)動(dòng)態(tài)主體對(duì)焦不易 反射式望遠(yuǎn)鏡頭反射式望遠(yuǎn)鏡頭：另一種超望遠(yuǎn)鏡頭的設(shè)計(jì)，利用反射鏡面來構(gòu)成影像，僅能以快門來調(diào)整曝光。 微距微距鏡頭（marco lens）：除作極近距離的微距攝影外也可遠(yuǎn)攝 鏡頭外形鏡頭外形

11、鏡頭基本知識(shí)鏡頭基本知識(shí)機(jī)器視覺常用定焦鏡頭，并且都是手動(dòng)調(diào)整光圈，一般不允許自動(dòng)調(diào)整光圈，鏡頭上有調(diào)焦和調(diào)光圈兩個(gè)環(huán)，為了防止誤碰動(dòng)，工業(yè)鏡頭的兩個(gè)環(huán)都有鎖定螺絲。注意調(diào)焦環(huán)不是用來調(diào)整焦距，而是調(diào)整像距，保證清晰圖像落在焦平面上工業(yè)鏡頭的接口工業(yè)鏡頭的接口 物鏡的接口尺寸是有國際標(biāo)準(zhǔn)的，共有三種接口型式，即物鏡的接口尺寸是有國際標(biāo)準(zhǔn)的，共有三種接口型式，即F F型型、C C型、型、CSCS型。型。F F型接口是通用型接口，一般適用于焦距大于型接口是通用型接口，一般適用于焦距大于2525mmmm的鏡頭；而當(dāng)物鏡的焦距約小于的鏡頭；而當(dāng)物鏡的焦距約小于2525mmmm時(shí)，因物鏡的尺寸不大，便時(shí)

12、，因物鏡的尺寸不大，便采用采用C C型或型或CSCS型接口。型接口。工業(yè)鏡頭的接口工業(yè)鏡頭的接口C C接口和接口和CSCS接口的區(qū)別接口的區(qū)別 C C與與CSCS接口的區(qū)別在于鏡頭與攝像機(jī)接觸面至鏡頭焦平面接口的區(qū)別在于鏡頭與攝像機(jī)接觸面至鏡頭焦平面（攝像機(jī)（攝像機(jī)CCDCCD光電感應(yīng)器應(yīng)處的位置）的距離不同，光電感應(yīng)器應(yīng)處的位置）的距離不同，C C型接型接口此距離為口此距離為17.5mm., CS17.5mm., CS型接口此距離為型接口此距離為12.5mm.12.5mm.。 C C型鏡頭與型鏡頭與C C型攝像機(jī)，型攝像機(jī)，CSCS型鏡頭與型鏡頭與CSCS型攝像機(jī)可以配合使型攝像機(jī)可以配合使

13、用。用。C C型鏡頭與型鏡頭與CSCS型攝像機(jī)之間增加一個(gè)型攝像機(jī)之間增加一個(gè) 5mm5mm的的C/CSC/CS轉(zhuǎn)接環(huán)轉(zhuǎn)接環(huán)可以配合使用。可以配合使用。CSCS型鏡頭與型鏡頭與C C型攝像機(jī)無法配合使用。型攝像機(jī)無法配合使用。視場(chǎng)視場(chǎng)(Field of view, 即即FOV，也叫視野范圍，也叫視野范圍) ：指觀測(cè)物體的可視范圍，也就是充滿相機(jī)采集芯片的物體部分。（視場(chǎng)范圍是選型中必須要了解的）工作距離工作距離(Working Distance,即即WD):指從鏡頭前部到受檢驗(yàn)物體的距離。即清晰成像的表面距離（選型必須要了解的問題，工作距離是否可調(diào)？包括是否有安裝空間等）分辨率：分辨率：圖像系

14、統(tǒng)可以測(cè)到的受檢驗(yàn)物體上的最小可分辨特征尺寸。在多數(shù)情況下，視野越小，分辨率越好。景深景深 (Depth of view，即，即DOF)：物體離最佳焦點(diǎn)較近或較遠(yuǎn)時(shí)，鏡頭保持所需分辨率的能力（需要了解客戶對(duì)景深是否有特殊要求？） 鏡頭基本參數(shù)示意圖鏡頭基本參數(shù)示意圖工業(yè)鏡頭的基本參數(shù)工業(yè)鏡頭的基本參數(shù)常用鏡頭參數(shù)：分辨率常用鏡頭參數(shù)：分辨率鏡頭基本知識(shí)鏡頭基本知識(shí)鏡頭分辯率指的是在像平面處1毫米內(nèi)能分辨開的黑白相間的線條對(duì)數(shù)，單位是“ 線對(duì) / 毫米”。 CCD的芯片的分辨率越高，要求的鏡頭的分辨率也越高光圈越小，景深越大光圈越小，景深越大鏡頭基本知識(shí)鏡頭基本知識(shí)增加景深的問題增加景深的問題鏡

15、頭基本知識(shí)鏡頭基本知識(shí)例如除雜機(jī)里，煙葉不完全在同一個(gè)平面上，只有加大景深才能讓不同距離上的煙葉都清晰。加大景深只有通過縮小光圈來實(shí)現(xiàn)，而縮小光圈同時(shí)會(huì)導(dǎo)致圖像變暗，這就要求照明亮度要提高工業(yè)鏡頭的其他參數(shù)工業(yè)鏡頭的其他參數(shù) 感光芯片尺寸感光芯片尺寸：相機(jī)感光芯片的有效區(qū)域尺寸，一般指水平尺寸。這個(gè)參數(shù)對(duì)于決定合適的鏡頭縮放比例以獲取想要的視場(chǎng)非常重要。鏡頭主要縮放比例 (PMAG) 由感光芯片的尺寸和視場(chǎng)的比率來定義。雖然基本參數(shù)包括感光芯片的尺寸和視場(chǎng)，但PMAG卻不屬于基本參數(shù)。焦距（焦距（f f）焦距，是光學(xué)系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指從透鏡的光心到光聚集之焦點(diǎn)的距離。亦是照

16、相機(jī)中，從鏡片中心到底片或CCD等成像平面的距離。（需要記住的公式） f=工作距離/視野范圍長邊（或短邊）X CCD長邊（或短）焦距大小的影響情況：焦距大小的影響情況： 焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸變?cè)酱螅?焦距越小，漸暈現(xiàn)象越嚴(yán)重。解析度解析度表示一組物鏡所能見到了2點(diǎn)的最小間隔 解像力解像力mm中間可以看到黑白線的條數(shù)。單位（lp）/mm.MTF（Modulation Transfer Function）反映的是鏡頭對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的再現(xiàn)能力。 失真（失真（distortion）：（）：（衡量鏡頭性能的指標(biāo)之一） 又稱畸變，指被攝物平面內(nèi)的主軸外直線，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學(xué)系統(tǒng)

17、的成像誤差稱為畸變。畸變像差只影響影像的幾何形狀，而不影響影像的清晰度。光圈與光圈與F值值 光圈是一個(gè)用來控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達(dá)光圈大小我們是用F值，如f1.4，f2，f2.8 etc常用鏡頭參數(shù)：光圈常用鏡頭參數(shù)：光圈鏡頭基本知識(shí)鏡頭基本知識(shí)光圈是一個(gè)用來控制光線透過鏡頭，進(jìn)入機(jī)身內(nèi)感光面的光量的裝置 光圈f值=鏡頭的焦距/鏡頭口徑的直徑 根據(jù)公式，光圈f值愈小，在同一單位時(shí)間內(nèi)的進(jìn)光量便愈多 ，每級(jí)光圈一般以倍數(shù)遞增，例如f8調(diào)整到f5.6 ，進(jìn)光量多一倍工業(yè)鏡頭各參數(shù)間相互影響關(guān)系工業(yè)鏡頭各參數(shù)間相互影響關(guān)系光圈大小的影響情況：光圈大小的影響情況： 光圈越大，圖像亮度

18、越高；景深越小；分辨率越高；像場(chǎng)中央與邊緣：像場(chǎng)中央與邊緣：一般像場(chǎng)中心較邊緣分辨率高；像場(chǎng)中心較邊緣光場(chǎng)照度高光波長度的影響：光波長度的影響：在相同的工業(yè)相機(jī)及鏡頭參數(shù)條件下，照明光源的光波波長越短，得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測(cè)量的視覺系統(tǒng)中，盡量采用短波長的單色光作為照明光源，對(duì)提高系統(tǒng)精度有很大的作用。用于計(jì)算主要縮放比例的公式如下：用于計(jì)算主要縮放比例的公式如下：PMAG = 感光芯片尺寸感光芯片尺寸 (mm) / 視場(chǎng)視場(chǎng) (mm)主要縮放比例、感光芯片尺寸和視場(chǎng)的關(guān)系示意圖主要縮放比例、感光芯片尺寸和視場(chǎng)的關(guān)系示意圖光學(xué)放大倍數(shù)光學(xué)放大倍數(shù)顯示放大倍數(shù)顯示放大倍數(shù)顯示放大倍率在顯微中應(yīng)用非常廣泛，被測(cè)物體的顯示放大倍率取決于三個(gè)因素：鏡頭光學(xué)倍率、