机器视觉第二章课件

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1、第二章第二章 机器视觉系统的组成机器视觉系统的组成一般机器视觉系统：一般机器视觉系统： 相机、镜头、光源、运动系统相机、镜头、光源、运动系统2.1 2.1 （工业）相机（工业）相机 相机的作用是使汇聚在像平面的光线生相机的作用是使汇聚在像平面的光线生成图像。成图像。 相机中最为重要的部件是数字传感器。相机中最为重要的部件是数字传感器。数字传感器有数字传感器有CCDCCD传感器传感器和和CMOSCMOS传感器传感器。这两种传感器的不同点是由于其自身的结构这两种传感器的不同点是由于其自身的结构不同而使得其对数据的读出方式不同。不同而使得其对数据的读出方式不同。CCDCCD传感器相机适合高速动态；传

2、感器相机适合高速动态；CMOSCMOS传感器相机适合低速动态或静止。传感器相机适合低速动态或静止。2.1.1 CCD2.1.1 CCD传感器传感器 Charge-coupled Charge-coupled DeviceDevice，中文全称：电荷耦合元件。中文全称：电荷耦合元件。线阵线阵CCDCCD传感器传感器面阵面阵CCDCCD传感器传感器 全帧转移型面阵全帧转移型面阵CCDCCD传感器传感器 隔列转移型面阵隔列转移型面阵CCDCCD传感器传感器 线阵线阵CCDCCD传感器只能生成高度为传感器只能生成高度为1 1行的图行的图像，因此常通过多行组成二位图像。为了得到像，因此常通过多行组成二位

3、图像。为了得到有效图像，线阵有效图像，线阵CCDCCD必须相对于被测物做相对必须相对于被测物做相对运动。一种方法是运动。一种方法是将传感器安装在运动的被测将传感器安装在运动的被测物体上方物体上方。第二种。第二种是被测物体不动而传感器运是被测物体不动而传感器运动如平板扫描仪动如平板扫描仪。 全帧型面阵全帧型面阵CCDCCD传感器的原理是光在光电传感器的原理是光在光电探测器中转化为电荷，电荷按行转移到串行读探测器中转化为电荷，电荷按行转移到串行读出寄存器，之后转移到电荷转化单元转化为电出寄存器，之后转移到电荷转化单元转化为电压并放大。压并放大。 全帧转移型面阵全帧转移型面阵CCDCCD传感器优点是

4、填充因传感器优点是填充因子达到子达到100%100%。这个填充因子使得像素的光灵。这个填充因子使得像素的光灵敏度最大，图像失真最小；缺点是成本高。敏度最大，图像失真最小；缺点是成本高。 隔列转移型传感器由漏极、光电探测器、隔列转移型传感器由漏极、光电探测器、屏蔽垂直转移寄存器、串行读出寄存器和电荷屏蔽垂直转移寄存器、串行读出寄存器和电荷转化单元组成。图像曝光后，累积的电荷通过转化单元组成。图像曝光后，累积的电荷通过门电路转移到屏蔽垂直转移寄存器。电荷再通门电路转移到屏蔽垂直转移寄存器。电荷再通过屏蔽垂直转移寄存器转移到串行读出寄存器。过屏蔽垂直转移寄存器转移到串行读出寄存器。 隔列转移型面阵隔

5、列转移型面阵CCDCCD传感器的优点是图传感器的优点是图像没有拖影；缺点是填充因子低。为了提高像没有拖影；缺点是填充因子低。为了提高填充因子，常在传感器上加微镜头使光聚集填充因子，常在传感器上加微镜头使光聚集到光电探测器上。到光电探测器上。2.1.2 2.1.2 CMOSCMOS传感器传感器 CMOS CMOS （Complementary Metal Complementary Metal Oxide SemiconductorOxide Semiconductor），），互补金属氧化物互补金属氧化物半导体。半导体。 CMOSCMOS传感器中光电探测器通常为光电传感器中光电探测器通常为光电二

6、极管。与二极管。与CCDCCD传感器不同的是，传感器不同的是，CMOSCMOS传传感器中的每个光电探测器不是按顺序读出的，感器中的每个光电探测器不是按顺序读出的，而是通过行和列选择开关直接选择并读出。而是通过行和列选择开关直接选择并读出。CMOSCMOS传感器里的每个像素都有独立的放大传感器里的每个像素都有独立的放大器，这种传感器也称为主动传感器（器，这种传感器也称为主动传感器（APSAPS）。）。由于由于CMOSCMOS传感器常用于数字视频输出，所传感器常用于数字视频输出，所以每个像素通过模数转换并行地转化为数字以每个像素通过模数转换并行地转化为数字信号。信号。 相对于相对于CCDCCD传感

7、器，传感器，CMOSCMOS传感器的随传感器的随机读取特性使其容易实现图像的矩形感兴趣机读取特性使其容易实现图像的矩形感兴趣区域（区域（AOIAOI）读出方式。这一特性使得）读出方式。这一特性使得CMOSCMOS能针对较小的能针对较小的AOIAOI时可以获得更高的时可以获得更高的帧率。帧率。 CMOSCMOS传感器的另一优点就是，读出速传感器的另一优点就是，读出速度快。度快。 CMOSCMOS传感器的缺点是填充因子很低，传感器的缺点是填充因子很低，通常使用微镜来提高其填充因子。通常使用微镜来提高其填充因子。2.1.32.1.3传感器的尺寸传感器的尺寸 CCDCCD传感器和传感器和CMOSCMO

8、S传感器以英寸为单位。传感器以英寸为单位。像素像素 像素（像素（PixelPixel）是由）是由PicturePicture（图像）和（图像）和ElementElement（元素）这两（元素）这两个单词的字母所组成的，个单词的字母所组成的，是用来表示数字图像的是用来表示数字图像的一种基本单位。放大数一种基本单位。放大数字图像后，可以发现数字图像后，可以发现数字图像是由一些些小方字图像是由一些些小方点构成。这些小方点就点构成。这些小方点就是构成数字图像的最小是构成数字图像的最小单位像素。单位像素。常用分辨率常用分辨率（常用） 10万（CIF）35228830万（ VGA ） 640480() 3

9、5万（ VGA ） 64848850万 （SVGA ）800600 80万（XGA） 1024768 () 130万（ SXGA ）1280960 () 200万 16001200 () 310万 20481536 430万 24001800 500万 25601920 () 600万 30002000 800万 32642488 1100万 40802720 1400万 45363024CCDCCD传感器和传感器和CMOSCMOS传感器的传感器的英寸尺寸是晶元英寸尺寸是晶元尺寸。尺寸。2/32/3英寸英寸CCDCCD传感器传感器8.8mm640像素6.6mm 480像素每像素的尺寸：8.8/

10、640或6.6/480=0.01375mm2.1.42.1.4相机的性能相机的性能 对于工业相机来讲，相机的性能参数与对于工业相机来讲，相机的性能参数与噪声有很大关系，所以可以用信噪比噪声有很大关系，所以可以用信噪比SNRSNR来来衡量相机的性能（信噪比高的相机性能较衡量相机的性能（信噪比高的相机性能较好）。好）。2.1.52.1.5相机相机- -计算机接口计算机接口 相机获得图像之后转化为模拟信号或者相机获得图像之后转化为模拟信号或者数字信号。数字信号。 对于模拟信号在相机和计算机之间的传对于模拟信号在相机和计算机之间的传递需要在计算机中安装一块通常称为图像采递需要在计算机中安装一块通常称为

11、图像采集卡的专用接口卡。集卡的专用接口卡。 对于数字信号的传递，也需要图像采集对于数字信号的传递，也需要图像采集卡如卡如IEEE1394IEEE1394卡、卡、USBUSB卡和千兆网卡。卡和千兆网卡。(1)(1)模拟视频信号模拟视频信号 模拟视频标准制定于模拟视频标准制定于2020实际实际4040年代，且年代，且制作模拟相机的器件比较便宜。因此许多相机制作模拟相机的器件比较便宜。因此许多相机还是采用模拟信号进行信号传输。还是采用模拟信号进行信号传输。EIA-170EIA-170和和CCIRCCIR是黑白的视屏标准，而是黑白的视屏标准，而PALPAL和和NTSCNTSC是是彩色视屏标准。彩色视屏

12、标准。（2 2）数字视频信号：）数字视频信号：Camera LinkCamera Link Camera Link Camera Link是机器视觉工业的第一个是机器视觉工业的第一个标准。标准。 Camera Link Camera Link规范的基本技术是低电压规范的基本技术是低电压差分信号技术差分信号技术LVDSLVDS。LVDSLVDS传输两个不同的传输两个不同的电压，在接收端电压，在接收端进行比较。不同进行比较。不同的差值对应于不的差值对应于不同的编码。同的编码。LVDSLVDS的优点是的优点是传输的速度非常传输的速度非常快。快。 Camera Link Camera Link是由驱动

13、器和接收器对组是由驱动器和接收器对组成。驱动器是相机上的一个芯片，可以接受成。驱动器是相机上的一个芯片，可以接受2828个单向的数据信号和一个单向的时钟信号，将个单向的数据信号和一个单向的时钟信号，将数据按数据按7:17:1串行传输。也就是将串行传输。也就是将2828个数据信号个数据信号用用4 4对信号线按对信号线按LVDSLVDS传输。时钟信号通过第五传输。时钟信号通过第五对信号线传输。接收器是在图像采集卡上的类对信号线传输。接收器是在图像采集卡上的类似芯片，接受似芯片，接受4 4组信号数据和时钟信号数据，组信号数据和时钟信号数据，还原成还原成2828个数据信号。个数据信号。Camera L

14、inkCamera Link规定了规定了2828个数据中有个数据中有4 4个有效信号（帧有效、行有效、个有效信号（帧有效、行有效、数据有效机一个备用信号）。因此，还有数据有效机一个备用信号）。因此，还有2424位位数据可以使用同一片芯片传输，数据可以使用同一片芯片传输，芯片的传输速芯片的传输速度度85MHz85MHz，因此数据传输率达，因此数据传输率达255MB/s255MB/s。 Camera LinkCamera Link规范成为包含线阵相机、规范成为包含线阵相机、高速或高分辨率面阵相机在内的高速数字图高速或高分辨率面阵相机在内的高速数字图像采集的标准。像采集的标准。 由于这一标准由于这一

15、标准太过强大而使得计太过强大而使得计算机端需要额外的算机端需要额外的图像采集卡来完成图像采集卡来完成图像的重构。因此图像的重构。因此成本增加。成本增加。（3 3）数字视频信号）数字视频信号IEEE 1394IEEE 1394 IEEE 1394 IEEE 1394又称作火线，是高速串行总又称作火线，是高速串行总线标准。最初的标准线标准。最初的标准IEEE 1394IEEE 1394颂布于颂布于19951995年，规定数据量为年，规定数据量为93.304Mb/s93.304Mb/s、196.608 Mb/s196.608 Mb/s和和393.216 Mb/s393.216 Mb/s，也就是，也就

16、是12.288 MB/s12.288 MB/s、24.576 MB/s24.576 MB/s和和49.152 49.152 MB/sMB/s。 IEEE 1394IEEE 1394传输时使用传输时使用2 2对双绞线传输信号、对双绞线传输信号、一根电缆用于电源、一根用于地线如图一根电缆用于电源、一根用于地线如图2.72.7所示所示33。因此，对于低功耗的电器可以直接使用电缆提供因此，对于低功耗的电器可以直接使用电缆提供的电源而不需要额外提供电源。的电源而不需要额外提供电源。 1394a1394a增加了其他分类，包括不含电源增加了其他分类，包括不含电源的的4 4针连接方式。最新版本的针连接方式。最

17、新版本的IEEE1394bIEEE1394b定定义了义了800Mb/s800Mb/s和和1600Mb/s1600Mb/s数率以及数率以及3200Mb/s3200Mb/s结构（。同时也对结构（。同时也对9 9针接插件和光针接插件和光缆接口以及电缆做了规定。缆接口以及电缆做了规定。 IDCCIDCC是贸易学会仪器和工业控制小组是贸易学会仪器和工业控制小组数字相机分组对数字相机分组对IEEE1394IEEE1394针对工业相机修针对工业相机修订而成的。订而成的。IIDCIIDC定义了多种视频输出格式，定义了多种视频输出格式，包括分辨率、帧率以及传输的像素的数据格包括分辨率、帧率以及传输的像素的数据格

18、式。另外，式。另外，IIDCIIDC还规定了标准的方法来控制还规定了标准的方法来控制相机的设置，比如曝光时间（相机的设置，比如曝光时间（IIDCIIDC中称为快中称为快门）、光圈、增益、外触发、外触发延时及门）、光圈、增益、外触发、外触发延时及相机的上、下、左、右旋转等等。相机的上、下、左、右旋转等等。（4 4）数字视频信号：）数字视频信号：USB 2.0USB 2.0 USB2.0USB2.0支持的传输速度最大为支持的传输速度最大为60M/s60M/s，可，可以应用范围内很好地地满足机器视觉的需求。以应用范围内很好地地满足机器视觉的需求。USBUSB使用使用4 4针插件，一对电缆用于信号的传

19、输，另针插件，一对电缆用于信号的传输，另外两根电缆中一根用于电源另一根用于接地。外两根电缆中一根用于电源另一根用于接地。 USBUSB使用使用4 4针接插件，一对电缆用于信号传针接插件，一对电缆用于信号传输，另外两个电缆分别用于电源和地线。因此，输，另外两个电缆分别用于电源和地线。因此，对于低功耗的电器可以使用电缆提对于低功耗的电器可以使用电缆提供的电源而无需额外接电源。供的电源而无需额外接电源。 USBUSB规范不包括机器视觉的要规范不包括机器视觉的要求。因此，机器视觉的求。因此，机器视觉的USBUSB厂商通厂商通常使用自己的传输协议和设备驱动常使用自己的传输协议和设备驱动来传输图像。来传输

20、图像。（5 5）数字视频信号：）数字视频信号：Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet 千兆网千兆网 千兆以太网被广泛应用于高速率（千兆以太网被广泛应用于高速率（1Gb/s1Gb/s）机器视觉。机器视觉。20062006年机器视觉相机应用层协议得以年机器视觉相机应用层协议得以标准化，并称为标准化，并称为GigEGigE Vision Vision。此标准明确指出该。此标准明确指出该标准可以用于更低或更高的以太网速度。标准可以用于更低或更高的以太网速度。 GigEGigE Vision Vision标准定义了相机最多可以有标准定义了相机最多可以有4 4个个网络接口。如果

21、与其所接的计算机或网络也有网络接口。如果与其所接的计算机或网络也有4 4个个网络接口，数率可以相应地增加网络接口，数率可以相应地增加4 4倍。另外一个吸倍。另外一个吸引人的地方就是由于被广泛使用，所以其电缆、接引人的地方就是由于被广泛使用，所以其电缆、接插件有便宜又容易获得。插件有便宜又容易获得。 缺点是电缆上没有电源，因此相机需要额外的缺点是电缆上没有电源，因此相机需要额外的电源。另一个缺点是以太网不可以像电源。另一个缺点是以太网不可以像IEEE 1394IEEE 1394和和USBUSB那样设备可以在总线上宣布存在。那样设备可以在总线上宣布存在。2.2 2.2 镜头镜头 摄影光学系统是将空

22、间物体成像于感光摄影光学系统是将空间物体成像于感光胶片或图像传感器的光学系统，也称为镜头。胶片或图像传感器的光学系统，也称为镜头。2.2.12.2.1针孔摄相机针孔摄相机 如果忽略光的波粒二象性，我们可以用如果忽略光的波粒二象性，我们可以用下图来表示针孔相机的成像模型。下图来表示针孔相机的成像模型。 其中其中h h为物体的高度，为物体的高度，c c为像平面到投影中心为像平面到投影中心的距离称为相机常数或主距，的距离称为相机常数或主距，s s为物体到投影为物体到投影中心的距离。中心的距离。物体物体像平面像平面投影中心投影中心传感器尺寸传感器尺寸传感器传感器相机相机景深景深工作距离工作距离视野或视

23、场视野或视场分辨率分辨率2.2.22.2.2镜头镜头的理想模型镜头镜头的理想模型 薄透镜模型，薄透镜是指透镜没有厚度薄透镜模型，薄透镜是指透镜没有厚度，当然这种透镜是不存在的，而且我们一般，当然这种透镜是不存在的，而且我们一般用的镜头都是多组镜片组合在一起的。我们用的镜头都是多组镜片组合在一起的。我们通常使用中会忽略厚度对透镜的影响，在去通常使用中会忽略厚度对透镜的影响，在去除透镜参数中的厚度后，可简化许多光学计除透镜参数中的厚度后，可简化许多光学计算公式。算公式。(1)(1)镜头的性能参数镜头的性能参数 镜头的基本光学性能由焦距镜头的基本光学性能由焦距 、相对孔径、相对孔径（入瞳直径（入瞳直

24、径 与焦距与焦距 之比）和视场角之比）和视场角 三个特三个特征参数决定。征参数决定。焦距焦距 决定了像的大小。决定了像的大小。当物体在无穷远时，当物体在无穷远时，接受面的对角线接受面的对角线的一半。的一半。焦距，是光学焦距，是光学系统中衡量光系统中衡量光的聚集或发散的聚集或发散的度量方式，的度量方式，指平行光入射指平行光入射时从透镜光心时从透镜光心到光聚集之焦到光聚集之焦点的距离。点的距离。相对孔径相对孔径 相对孔径是镜头的重要参数，用镜头的相对孔径是镜头的重要参数，用镜头的有效孔径有效孔径d d和焦距和焦距f f之比表示。相对孔径是个之比表示。相对孔径是个比值。相对孔径的大小表示镜头纳光的多

25、少，比值。相对孔径的大小表示镜头纳光的多少，反应了光照度反应了光照度 的大小。的大小。 相对孔径的倒数称相对孔径的倒数称光孔号码光孔号码或或光圈系数光圈系数。最大的相对孔径刻在镜头上。如最大的相对孔径刻在镜头上。如1 1：2.82.8或或1 1：4 4 等。等。 根据相对孔径的大小可以把镜头分为弱根据相对孔径的大小可以把镜头分为弱光、普通、强光镜头。光、普通、强光镜头。 在镜头中设有专门的孔径光阑，它的作在镜头中设有专门的孔径光阑，它的作用是限制进入物镜的光通量，决定像的照度。用是限制进入物镜的光通量，决定像的照度。孔径光阑可以连续调节，从而获得多种相对孔径光阑可以连续调节，从而获得多种相对孔

26、径。在物镜的外壳上标出各档光圈数孔径。在物镜的外壳上标出各档光圈数F F。视场角视场角 视场角决定了其可以拍摄到的范围大小。视场角决定了其可以拍摄到的范围大小。视场角视场角 视场的大小可以通过视场光阑（接受面视场的大小可以通过视场光阑（接受面的大小）和镜头的焦距求出。的大小）和镜头的焦距求出。 图像的照度是由镜头的图像的照度是由镜头的F F数和曝光时间数和曝光时间所决定的。所决定的。 根据景物条件，有时需首先确定根据景物条件，有时需首先确定F F数数（光圈优先），有时需优先确定曝光时间（光圈优先），有时需优先确定曝光时间（快门优先），但都要使（快门优先），但都要使F F数和曝光时间相匹数和曝光

27、时间相匹配。配。(3)(3)镜头的景深和几何焦深镜头的景深和几何焦深1 1景深景深 景深指当调焦于某一对象时，前后能成清景深指当调焦于某一对象时，前后能成清晰像的空间深度。晰像的空间深度。(3)(3) 焦深（焦点深度）焦深（焦点深度） 在保持图像清晰的前提下，焦点（焦平面）在保持图像清晰的前提下，焦点（焦平面）沿着镜头光轴所允许移动的距离。沿着镜头光轴所允许移动的距离。 (4)(4) 分辨率分辨率 镜头的分辨率是以焦面上每毫米能分辨镜头的分辨率是以焦面上每毫米能分辨开的黑白相间的条纹来表征。根据对无穷远开的黑白相间的条纹来表征。根据对无穷远两点可被理想系统分辨开的最小分辨角公式，两点可被理想系

28、统分辨开的最小分辨角公式，在镜头焦平面上能分辨开的两条纹之间的相在镜头焦平面上能分辨开的两条纹之间的相应间距。其倒数即为物镜的分辨率。应间距。其倒数即为物镜的分辨率。 镜头的分辨率与相对孔径成正比。镜头的分辨率与相对孔径成正比。 分辨率是衡量镜头的像质指标之一。分辨率是衡量镜头的像质指标之一。 对于装配好的镜头可用鉴别率板来检验。对于装配好的镜头可用鉴别率板来检验。鉴别率板鉴别率板畸变畸变 通过标定来校正。通过标定来校正。按光学放大倍率及焦距划分按光学放大倍率及焦距划分常规镜头：常规镜头： 鱼眼镜头：鱼眼镜头：6-16mm6-16mm超广角：超广角：17-21mm17-21mm广角：广角：24

29、-35mm24-35mm标头：标头：45-75mm45-75mm长焦：长焦：150-300mm150-300mm超长焦：超长焦：300mm300mm以上以上特殊镜头：特殊镜头： 微距镜头、远距镜头、远心镜头、红外镜微距镜头、远距镜头、远心镜头、红外镜头、紫外镜头头、紫外镜头按其它性能划分按其它性能划分固定焦距镜头固定焦距镜头变焦镜头变焦镜头自动变焦自动变焦手动变焦手动变焦不同接口方式的镜头不同接口方式的镜头C C接口（后截距接口（后截距17.526mm17.526mm）CSCS接口（后截距接口（后截距12.5mm12.5mm）F F接口（尼康口）接口（尼康口）M42M42其它：哈苏、徕卡、其它

30、：哈苏、徕卡、AKAKCSCS接口和接口和C C接口接口 所有的镜头均是螺纹口的，有两种工业标所有的镜头均是螺纹口的，有两种工业标准，即准，即C C接口（安装座）和接口（安装座）和CSCS接口。两者螺纹接口。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。同。 C C接口从镜头安装基准面到焦点的距离是接口从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm17.526mm。 CSCS接是接是12.5mm12.5mm。CSCS接口安装接口安装C C接口，应将相机前部安装座的接口，应将相机前部安装座的垫圈取下再安装镜头。垫圈取下再安装镜头。将一个将一个C C安

31、装座镜头安装到一个安装座镜头安装到一个CSCS安装座上安装座上时，则需要使用镜头转换器时，则需要使用镜头转换器例子，要给硬币检测成像系统选配镜头，硬例子，要给硬币检测成像系统选配镜头，硬币大小币大小25mm25mm，工作距离大于，工作距离大于50mm50mm，系统，系统分辨率分辨率0.05mm0.05mm。h=6.6mmL=50mmH=25mm焦距焦距F =L/HF =L/H* *h=13.2mmh=13.2mm，选择的镜头要求焦距应该大于选择的镜头要求焦距应该大于14mm14mm。选择配选择配 2/3 2/3英寸英寸CCDCCD传感器相机传感器相机h=6.6mmL=50mmH=25mm分辨率

32、分辨率0.05mm0.05mm像素数像素数=H/0.05=500=H/0.05=5005050万万 （SVGA SVGA ）800800600 600 8080万（万（XGAXGA） 10241024768768 常用分辨率常用分辨率（常用） 10万（CIF）35228830万（ VGA ） 640480() 35万（ VGA ） 64848850万 （SVGA ）800600 80万（XGA） 1024768 () 130万（ SXGA ）1280960 () 200万 16001200 () 310万 20481536 430万 24001800 500万 25601920 () 600万

33、 30002000 800万 32642488 1100万 40802720 1400万 453630242.2.32.2.3滤光镜滤光镜 滤光镜就是拍摄时放在镜头前面的一块滤光镜就是拍摄时放在镜头前面的一块玻璃片或者塑料片。玻璃片或者塑料片。 滤光镜的作用是按照规定的需要改变入射滤光镜的作用是按照规定的需要改变入射光的光谱强度分布或者使其偏振状态发生变化。光的光谱强度分布或者使其偏振状态发生变化。 滤光镜的原理就光学行为而言，主要是透滤光镜的原理就光学行为而言，主要是透射、反射、偏振、密度衰减和散射等。射、反射、偏振、密度衰减和散射等。 滤光镜的种类繁多，在机器视觉中常用的滤光镜的种类繁多，

34、在机器视觉中常用的有：有： 用于提高图像对比度的对比滤光镜；用于提高图像对比度的对比滤光镜； 用于吸收紫外线的紫外线滤光镜（用于吸收紫外线的紫外线滤光镜（UVUV）；）； 用于减少镜头进光量的中色滤光镜（用于减少镜头进光量的中色滤光镜（NDND）；）； 用于红外摄影的红外滤光镜。用于红外摄影的红外滤光镜。2.32.3光源光源 在机器视觉中，光源的质量会影响图像的质量在机器视觉中，光源的质量会影响图像的质量进而影响机器视觉系统的质量。进而影响机器视觉系统的质量。 在机器视觉测量系统中一般使用透射光和反射在机器视觉测量系统中一般使用透射光和反射光。光。 透射光透射光是指光线透过被测量的物体被相机接

35、收是指光线透过被测量的物体被相机接收的光线。的光线。反射光反射光是指光线在被测物体上发生漫反射是指光线在被测物体上发生漫反射被相机接收的光线。被相机接收的光线。叶绿素的丙叶绿素的丙酮提取液在酮提取液在呈红色绿色呈红色绿色2.3.12.3.1对光源的要求对光源的要求 光源照明系统并不是简单地照亮物体，而是要光源照明系统并不是简单地照亮物体，而是要符合以下要求：符合以下要求： 1 1、要尽可能地凸显出物体的特征量。要尽可能地凸显出物体的特征量。如检测如检测划痕，就要突出划痕的特征。这与划痕，就要突出划痕的特征。这与光源光源和和照明方式照明方式都有关系。都有关系。 2 2、突出感兴趣的区域，增强感兴

36、趣区域与非突出感兴趣的区域，增强感兴趣区域与非感兴趣区域的对比度。感兴趣区域的对比度。只有对比度好，图像的质量只有对比度好，图像的质量才会好，才能有效地分割目标。才会好，才能有效地分割目标。 3 3、应保证足够的整体亮度。应保证足够的整体亮度。 4 4、物体位置的变化不影响成像的质量。物体位置的变化不影响成像的质量。检测检测的物体往往是运动的，或者测物的定位不是十分准的物体往往是运动的，或者测物的定位不是十分准确，这就要求物体的位置变换不会影响照明效果。确，这就要求物体的位置变换不会影响照明效果。 如检测划痕，就如检测划痕，就要突出划痕的特征。要突出划痕的特征。这与这与光源光源和和照明方照明方

37、式式都有关系。都有关系。2.3.22.3.2常用光源类型常用光源类型 常见可见光光源分为常见可见光光源分为普通光源普通光源和和新型光新型光源源。 普通光源包括热辐射光源和气体放电光普通光源包括热辐射光源和气体放电光源，如白炽灯、汞灯、钠光灯等。源，如白炽灯、汞灯、钠光灯等。 普通光源的优点：能够满足检测的需要、普通光源的优点：能够满足检测的需要、容易获取且性价比高。容易获取且性价比高。 普通光源的缺点：光源不稳定，随着使普通光源的缺点：光源不稳定，随着使用时间的延长，光量会下降，受环境光的影用时间的延长，光量会下降，受环境光的影响较大，有时需要加防护屏。响较大，有时需要加防护屏。1 1、 普通

38、光源普通光源（1 1）钨丝白炽灯）钨丝白炽灯 钨灯丝是白炽灯的重要部件。钨灯丝即钨钨灯丝是白炽灯的重要部件。钨灯丝即钨电阻，在电压一定的情况下，钨电阻决定了通电阻，在电压一定的情况下，钨电阻决定了通过白炽灯的电流，从而决定了白炽灯的电功率。过白炽灯的电流，从而决定了白炽灯的电功率。而电功率越大而电功率越大, ,白炽灯的发光效率越大、光通量白炽灯的发光效率越大、光通量越大从而使得发光强度越大。越大从而使得发光强度越大。而钨电阻的大小是有其长度、而钨电阻的大小是有其长度、半径和温度决定的。所以，半径和温度决定的。所以，钨丝白炽灯作为机器视觉钨丝白炽灯作为机器视觉光源不稳定。光源不稳定。（2 2）卤

39、钨灯）卤钨灯 卤钨灯是一种加入卤族元素的白炽灯。由卤钨灯是一种加入卤族元素的白炽灯。由于于白炽灯的钨灯丝在高温时会蒸发而粘在灯泡白炽灯的钨灯丝在高温时会蒸发而粘在灯泡内表面使灯泡变黑内表面使灯泡变黑从而使得白炽灯的温度不能从而使得白炽灯的温度不能太高，发光效率降低。在灯泡中加入卤族元素太高，发光效率降低。在灯泡中加入卤族元素之后，它们可以使粘在灯之后，它们可以使粘在灯泡内表面的钨形成化合物。泡内表面的钨形成化合物。当这些化合物回到灯丝附当这些化合物回到灯丝附近时遇到高温分解而使得近时遇到高温分解而使得钨回到灯丝上，灯泡不发钨回到灯丝上，灯泡不发黑。所以，卤钨灯可以在黑。所以，卤钨灯可以在比较高

40、的温度下发光。比较高的温度下发光。（3 3）气体放电灯）气体放电灯 气体放电灯分为两种，一种充入的是稀有气体放电灯分为两种，一种充入的是稀有气体，另一种充入的是金属蒸汽。其原理是当气体，另一种充入的是金属蒸汽。其原理是当加在气体中的电压较小时，只有少量的气体被加在气体中的电压较小时，只有少量的气体被电离形成暗电流而当电压不断增大（超过气体电离形成暗电流而当电压不断增大（超过气体电流达到饱和时所需的电压），粒子碰撞的次电流达到饱和时所需的电压），粒子碰撞的次数急剧增加使得正数急剧增加使得正离子高速撞击阴极离子高速撞击阴极产生二次电子、电产生二次电子、电流急剧增大、产生流急剧增大、产生辉光发光现象

41、。辉光发光现象。气体放电灯的特点：气体放电灯的特点： 1 1 发光效率高。发光效率高。 2 2 寿命长。寿命长。 3 3 能维持稳定的发光强度。能维持稳定的发光强度。 4 4 由于气体放电灯所发出的光是受激的原由于气体放电灯所发出的光是受激的原子从激发态到基态的过程中辐射出来的，所以子从激发态到基态的过程中辐射出来的，所以其光谱不连续而且可以通过选择辐射原子的种其光谱不连续而且可以通过选择辐射原子的种类来获取不同频率的光。类来获取不同频率的光。2 2、新型光源、新型光源 新型光源包括场致发光光源（半导体光新型光源包括场致发光光源（半导体光源）、物理光源，如源）、物理光源，如LEDLED、激光光

42、源等。、激光光源等。 常见的激光光源和常见的激光光源和LEDLED光源。光源。（1 1）激光光源）激光光源 激光光源的特点是单色性好、方向性强、激光光源的特点是单色性好、方向性强、相干性好、发光强度相干性好、发光强度极高。可在结构光测极高。可在结构光测量中作为光源使用。量中作为光源使用。（2 2）LEDLED光源光源 LEDLED光源最常用。主要有如下几个特点：光源最常用。主要有如下几个特点： 1 1 效率高，可见光转换率效率高，可见光转换率 ，使用寿命长，使用寿命长，LEDLED的理论寿命为的理论寿命为1010万小时以上。万小时以上。 2 2 体积小，重量轻；另外，由于体积小，重量轻；另外，

43、由于LEDLED光光源是采用多颗源是采用多颗LEDLED排列而成，可以设计成复杂排列而成，可以设计成复杂的结构，实现不同的光源照射角度。的结构，实现不同的光源照射角度。 3 3 有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。针对不同检测物体的表面特还有红外、紫外。针对不同检测物体的表面特征和材质，选用不同颜色，也就是不同波长的征和材质，选用不同颜色，也就是不同波长的光源，达到理想效果。光源，达到理想效果。 4 4 光源单色性好。光源单色性好。2.3.32.3.3光源类型光源类型（1 1）均匀背景光源）均匀背景光源（2 2）穹形光源）穹形光源（3 3）环

44、形光源）环形光源（4 4）同轴光源）同轴光源（1 1）均匀背景光源）均匀背景光源 用钠光灯或用钠光灯或LEDLED制成的发光均匀面光源。制成的发光均匀面光源。在视觉测量应用中从背面照射，用来形成不在视觉测量应用中从背面照射，用来形成不透明体的阴影或观察物体内部。透明体的阴影或观察物体内部。 （2 2）穹形光源）穹形光源 穹形光源通过把穹形光源通过把LEDLED的发光集中到球心的发光集中到球心上，在球心位置附近形成明亮的立体视觉效上，在球心位置附近形成明亮的立体视觉效果，其均匀性和稳定性非常突出。果，其均匀性和稳定性非常突出。 穹形光源适用于透明物体内部或立体物穹形光源适用于透明物体内部或立体物

45、体的表面检测，如玻璃瓶、滚珠、小工件表体的表面检测，如玻璃瓶、滚珠、小工件表面。还适用于工作距离大于面。还适用于工作距离大于20mm20mm的物体的的物体的照明应用，如印制字符检测，照明应用，如印制字符检测，PCBPCB元器件、元器件、塑料或铝制容器、标签等。塑料或铝制容器、标签等。（3 3）环形光源）环形光源 环形光源采用环形光源采用LEDLED组装而成的，如图组装而成的，如图2.192.19所示。光源的尺寸和光线角度等的选择直接依赖所示。光源的尺寸和光线角度等的选择直接依赖与被测工件的光学性质。环形光源有两种照明方与被测工件的光学性质。环形光源有两种照明方式：一种是光线与光轴近视平行如图式

46、：一种是光线与光轴近视平行如图2.202.20所示。所示。另一种照明方式是光线的方向与相机观察的方向另一种照明方式是光线的方向与相机观察的方向垂直或接近垂直，从而实现高对比度，如暗场照垂直或接近垂直，从而实现高对比度，如暗场照明。明。 环形光源多用于金属环形光源多用于金属工件刻印字符、光滑表面工件刻印字符、光滑表面划痕、瓶口尺寸或裂痕、划痕、瓶口尺寸或裂痕、平面工件表面质量检测。平面工件表面质量检测。环形光源照明方式（光环形光源照明方式（光线与光轴近视平行）线与光轴近视平行）环形照明方式（环形照明方式（光线方向与相机光线方向与相机观察方向垂直或观察方向垂直或接近垂直）接近垂直）（4 4）同轴光

47、源）同轴光源 同轴光源就是光线的方向与相机的观察发同轴光源就是光线的方向与相机的观察发现平行的光源。从图可以看出，现平行的光源。从图可以看出，LEDLED的光线高的光线高度均匀的通过半透射半反射镜后，光线方向与度均匀的通过半透射半反射镜后，光线方向与相机的观察方向平行。这样的光路简单，可以相机的观察方向平行。这样的光路简单，可以避免由于光源的放置所带来的不必要麻烦。避免由于光源的放置所带来的不必要麻烦。 同轴光源同轴光源多用于均匀多用于均匀照射具有反照射具有反射性的工作射性的工作界面。界面。2.3.42.3.4照明的方式照明的方式 光源的照明方式是指采用各种不同类型的光源的照明方式是指采用各种

48、不同类型的光源，对被测物进行照明的光源布置类型和过光源，对被测物进行照明的光源布置类型和过程。程。1 1、直接照明和间接照明、直接照明和间接照明2 2、前向照明和背向照明、前向照明和背向照明3 3、明场照明和暗场照明、明场照明和暗场照明4 4、同轴照明、平行照明和散射照明、同轴照明、平行照明和散射照明1 1、 直接照明和间接照明直接照明和间接照明 机器视觉照明系统中的照明方式可分为机器视觉照明系统中的照明方式可分为直接照明和间接照明。直接照明和间接照明。（1 1）直接照明）直接照明 直接照明是指光线从光源直接射向被测直接照明是指光线从光源直接射向被测物并从被测物反射到镜头的照明方式，例如物并从

49、被测物反射到镜头的照明方式，例如采用采用LEDLED的沐光方式。的沐光方式。（2 2）间接照明）间接照明 间接照明与直接照明相反，光线没有从间接照明与直接照明相反，光线没有从光源直接射向被测物并从被测物反射到镜头光源直接射向被测物并从被测物反射到镜头的照明方式，例如暗场照明、散射照明。的照明方式，例如暗场照明、散射照明。2 2、前向照明和背向照明、前向照明和背向照明 前向照明：光源和相机位于被测零件的前向照明：光源和相机位于被测零件的同一侧，安装方便。同一侧，安装方便。低角度照明低角度照明（75o） 前向照明中，光源与被测物之间可以有前向照明中，光源与被测物之间可以有一定的夹角。主要用于检测物

50、体表面的重要一定的夹角。主要用于检测物体表面的重要细节特征、缺陷和划痕。通过调整照明角度细节特征、缺陷和划痕。通过调整照明角度可以凸现不同的特征和细节。可以凸现不同的特征和细节。3 3、明场照明和暗场照明、明场照明和暗场照明（1 1）明场照明）明场照明（2 2）暗场照明）暗场照明 3 3、明场照明和暗场照明、明场照明和暗场照明（1 1）明场照明）明场照明 明场照明又称明视场照明，是指用直射光观明场照明又称明视场照明，是指用直射光观察整体，摄像头收集到的光是物体的反射光。明察整体，摄像头收集到的光是物体的反射光。明场照明由于能够清楚地显现表面特征，因此可以场照明由于能够清楚地显现表面特征，因此可

51、以用于检测表面光滑的物体。用于检测表面光滑的物体。（2 2）暗场照明）暗场照明 暗场照明又称暗视场照明，是指用散射光来暗场照明又称暗视场照明，是指用散射光来观察物体的整体，散射光呈黑色。相机收集到的观察物体的整体，散射光呈黑色。相机收集到的光是物体的散射光。光是物体的散射光。 4 4、同轴照明、平行照明和散射照明、同轴照明、平行照明和散射照明（1 1）同轴照明）同轴照明 常见同轴光源直接照射到分光镜上，分光常见同轴光源直接照射到分光镜上，分光镜把光线反射到被测物体上，从物体反射回来镜把光线反射到被测物体上，从物体反射回来的光线与摄像头同轴。的光线与摄像头同轴。 同轴照明对于观察非常平整或抛光的

52、表面同轴照明对于观察非常平整或抛光的表面非常理想，能够加强有差异角度的表面特征，非常理想，能够加强有差异角度的表面特征，增强表面纹理，减少阴影。同轴照明主要用于增强表面纹理，减少阴影。同轴照明主要用于金属玻璃等光洁表面的划痕和瑕疵检测，芯片金属玻璃等光洁表面的划痕和瑕疵检测，芯片和硅片的破损检测。和硅片的破损检测。（2 2）平行照明与散光照明）平行照明与散光照明1 1平行光照明平行光照明 沿轴向使用平行光照明，适当控制光线的沿轴向使用平行光照明，适当控制光线的入射角，使反射不能直接进入镜头，而是被柱入射角，使反射不能直接进入镜头，而是被柱面反射到其他方向。一般情况下入射角不能小面反射到其他方向

53、。一般情况下入射角不能小于于4545度。大多数应用中，需要两个光源，右边度。大多数应用中，需要两个光源，右边的光源照明左半部分，左边的光源照明有半部的光源照明左半部分，左边的光源照明有半部分。，中间一定有重叠的。对于较小的目标，分。，中间一定有重叠的。对于较小的目标，只用一个光源就能满足要求，只是照明的均匀只用一个光源就能满足要求，只是照明的均匀程度不如两个光源的效果好。近视平行光沿轴程度不如两个光源的效果好。近视平行光沿轴方向以一定角度入射，使反射光不能进入镜头方向以一定角度入射，使反射光不能进入镜头，只有缺陷或被测特征引起的散射光进入镜头，只有缺陷或被测特征引起的散射光进入镜头成像。成像。2 2散射光照明散射光照明 使用散射照明，也叫漫散光照明。其基使用散射照明，也叫漫散光照明。其基本原理是如果能够使各个方向进入镜头的反本原理是如果能够使各个方向进入镜头的反射光均匀，那么发射光引起的反射斑就被消射光均匀，那么发射光引起的反射斑就被消除了。除了。作业作业1 下载并安装下载并安装Visual Studio 2010， Studio/， Visual Studio 2010 x86 简体中简体中文旗舰文旗舰MSDN版版 cn_visual_studio_2010_ultimate_x86_dvd_532347.iso，2.5G ；2 学习写一个对话框程序。学习写一个对话框程序。