1、工業機器人視覺系統組成與總體介紹模擬相機視覺系統數字相機視覺系統1.相機的概念2.相機的分類（1）芯片類型（2）傳感器結構特性（3）掃描方式（4）分辨率大小（5）輸出信號方式（6）輸出色彩（7）輸出信號速度（8）響應頻率范圍（9）深度的計算方式3.相機的主要參數4.工業相機與普通相機的區別5.工業相機選型的依據（1）應用的不同（2）分辨率的選擇（3）與鏡頭的匹配（4）相機幀數選擇6.幾種攝像機的參數實例工業相機是機器視覺系統中的一個關鍵組件，其最本質的功能就是將光信號轉變成有序的電信號。灰度值的產生：（1）芯片類型CCD相機、CMOS相機 (CCD圖像傳感器提供較好的質量，而CMOS圖像傳感器

2、按電池壽命和低成本來說能提供更好的性能)（2）傳感器結構特性線陣相機、面陣相機（3）掃描方式隔行掃描相機、逐行掃描相機（4）分辨率大小普通分辨率相機、高分辨率相機（5）輸出信號方式模擬相機、數字相機（6）輸出色彩單色相機、彩色相機（7）輸出信號速度普通速度相機、高速相機（8）響應頻率范圍可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機等（9）深度的計算方式單目RGB攝像機、雙目攝像機、RGBD攝像機1. 分辨率（Resolution）：相機每次采集圖像的像素點數（Pixels），對于數字相機一般是直接與光電傳感器的像元數對應的，對于模擬相機機則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為64

3、0*480，模擬相機已經逐步被數字相機代替，且分辨率已經達到6576*4384。2. 像素深度（Pixel Depth）：即每像素數據的位數，一般常用的是8Bit，對于數字相機機一般還會有10Bit、12Bit、14Bit等。3. 最大幀率（Frame Rate）/行頻（Line Rate）：相機采集傳輸圖像的速率，對于面陣相機一般為每秒采集的幀數（Frames/Sec.），對于線陣相機為每秒采集的行數（Lines/Sec.）。4. 曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）：對于線陣相機都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以

4、設定一個固定的時間；面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數字相機一般都提供外觸發采圖的功能。快門速度一般可到10微秒，高速相機還可以更快。5. 像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元數（分辨率）共同決定了相機靶面的大小。數字相機像元尺寸為3m10m，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質量也越不容易提高。6.靶面尺寸：也就是圖像傳感器感光部分的大小。一般用英寸來表示，和電視機一樣，通常這個數據指的是這個圖像傳感器的對角線長度，如常見的有1/3英寸，靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深。比如1/2英寸可以有比較大的通光量，而1/4英寸可以比較容

5、易獲得較大的景深。7. 光譜響應特性（Spectral Range）：是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應范圍是350nm1000nm，一些相機在靶面前加了一個濾鏡，濾除紅外光線，如果系統需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。8.接口類型：數字相機有Camera Link接口，以太網接口，1394接口、USB接口輸出，目前最新的接口有CoaXPress接口。9.觸發方式（對于同步非常重要?。河灿|發（控制高低電平來進行快門曝光的控制），軟觸發（通過軟件主動查詢信號或儀器當前狀態，符合條件則控制系統采集信號，精度不如硬觸發）。CCD & CMOS靶面越大，則對應的視野角越大。1.工業相

6、機的性能穩定可靠易于安裝，相機結構緊湊結實不易損壞，連續工作時間長，可在較差的環境下使用，一般的數碼相機是做不到這些的。2.工業相機輸出的是裸數據(raw data)，其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進行高質量的圖像處理算法，例如機器視覺(Machine Vision)應用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經過了mjpeg壓縮，圖像質量較差，不利于分析處理。3.工業相機(Industrial Camera)相對普通相機(DSC)來說價格較貴。（1）應用的不同用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD工業相機比較多。 CMOS工業相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。（2）分

7、辨率的選擇首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據精度選擇分辨率。（3）與鏡頭的匹配傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉接口）。鏡頭和攝像機之間的接口有許多不同的類型，工業攝像機常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徠卡接口、M42接口、M50接口等。接口類型的不同和鏡頭性能及質量并無直接關系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各種常用接口之間的轉接口。C接口和CS接口是工業攝像機最常見的國際標準接口，為1英寸32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm

8、。所以CS型接口的攝像機可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用CS口鏡頭時需要加一個5mm的接圈；C型接口的攝像機不能用CS口的鏡頭。F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標準，所以又稱尼康口，也是工業攝像機中常用的類型，一般攝像機靶面大于1英寸時需用F口的鏡頭。V接口鏡頭是著名的專業鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標準，一般也用于攝像機靶面較大或特殊用途的鏡頭。（4）相機幀數選擇當被測物體有運動要求時，要選擇幀數高的工業相機。但一般來說分辨率越高，幀數越低。有效像素數是指：真正參與感光成像的像素值。1.電子卷簾快門(electronic rolling shutter)。2.全局快門(global s

9、hutter/snapshot shutter)1.鏡頭的定義2.鏡頭的分類3.鏡頭參數4.像差光學鏡頭是機器視覺系統中必不可少的部件，直接影響成像質量的優劣，影響算法的實現和效果。按外形功能分按尺寸大小分按光圈分按變焦類型分按焦距長矩分球面鏡頭1” 25mm自動光圈電動變焦長焦距鏡頭非球面鏡頭1/2” 13mm手動光圈手動變焦標準鏡頭針孔鏡頭1/3” 8.5mm固定光圈固定焦距廣角鏡頭魚眼鏡頭2/3” 17mm微距鏡頭（1）鏡頭的成像尺寸：不得小于CCD（CMOS）的靶面尺寸。（2）鏡頭的分辨率：以每毫米能夠分辨的黑白條紋數為計量單位。（3）鏡頭焦距與視野角度：首先根據攝像頭到被監控目標的距

10、離，選擇鏡頭的焦距，鏡頭焦距f 確定后，則由攝像頭靶面決定了視野。（4）光圈F值 = 鏡頭的焦距 / 鏡頭光圈的直徑光圈的作用在于決定鏡頭的進光量，F后面的數值越小，光圈越大，而進光量也就越多；反之，則越小。簡單的說，在快門速度（曝光速度）不變的情況下，光圈F數值越小光圈就越大，進光量越多，畫面比較亮；光圈F數值越大光圈就越小，畫面比較暗。4.像差1.定義2.光源參數3.光源分類4.光源與被測物間的相互作用5.如何利用光源物理學上光源：指能發出一定波長范圍的電磁波（包括可見光與紫外線、紅外線、X射線等不可見光）的物體。通常指能發出可見光的發光體。凡物體本身能發光者，稱做光源，又稱發光體。1.色

11、溫：色溫是描述光源色譜特性的簡單方法。低色溫意味暖光（偏黃紅），而高色溫意味冷光（偏藍）。色溫的標準單位為Kelvin,簡稱k。2.白平衡：白平衡是一種讓數字相機適應場景主體光色溫的一種技術。白平衡通過調整感光器的輸出來實現。因此說到底，調整白平衡就是調整色溫。3.光通量：光源每秒種發出的可見光量之和，簡單說就是發光量。單位：流明（lm）4.照度：單位面積內入射的光通量，也就是光通量除以面積所得到的值。單位：勒克司（lux）。按發光形式：1.熱輻射光源。電流流經導電物體，使之在高溫下輻射光能的光源。包括白熾燈和鹵鎢燈兩種。2.氣體放電光源。電流流經氣體或金屬蒸氣，使之產生氣體放電而發光的光源。

12、氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種，放電電壓有低氣壓、高氣壓和超高氣壓3種。弧光放電光源包括：熒光燈、低壓鈉燈等低氣壓氣體放電燈，高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高強度氣體放電燈，超高壓汞燈等超高壓氣體放電燈，以及碳弧燈、氙燈、某些光譜光源等放電氣壓跨度較大的氣體放電燈。輝光放電光源包括利用負輝區輝光放電的輝光指示光源和利用正柱區輝光放電的霓虹燈，二者均為低氣壓放電燈；此外還包括某些光譜光源。3.電致發光光源。在電場作用下，使固體物質發光的光源。它將電能直接轉變為光能。包括場致發光光源和發光二極管兩種。1.鏡面反射2.漫反射3.定向投射4.漫投射5.背反射6.吸收實際的物體要比上述簡單模型復雜

13、得多。因此，為實物找一個合適的光源常常需要大量的實驗。1.利用照明的光譜（1）如果綠色背景上面的紅色被測物需要增強，我們就可以使用紅色照明，這時紅色物體會更加明亮，同時綠色物體會變得暗淡。（2）CCD和CMOS傳感器對于紅外光比較敏感（常常需要加上紅外截止濾光片來避免圖像過亮以及圖像顏色變化）。2.利用照明的方向性2.圖像采集卡原理（1）視野(FOV)或現場是相機及光學系統“看”到的真實世界的具體部分。（2）CCD芯片將光能轉化為電能。（3）相機將此信息以模擬信號的格式輸出至圖像采集卡。（4）AD 轉換器將模擬信號轉換成 8 位（或多位）的數字信號。每個象素獨立地把光強以灰度值(Gray le

14、vel)的形式表達。（5）這些光強值從CCD芯片的矩陣中被存儲在內存的矩陣數據結構中。3.圖像采集卡參數(1) 圖像傳輸格式格式是視頻編輯最重要的一種參數，圖像采集卡需要支持系統中攝像機所采用的輸出信號格式。大多數攝像機采用RS422或EIA644(LVDS)作為輸出信號格式。在數字相機中，IEEE1394，USB2.0和CameraLink幾種圖像傳輸形式則得到了廣泛應用。(2)圖像格式(像素格式)黑白圖像：通常情況下，圖像灰度等級可分為256級，即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時，可用10位，12位等來表示。彩色圖像：彩色圖像可由RGB(YUV)3種色彩組合而成，根據其亮度級別的不同有8-8-8，10-10-10等格式。(3) 傳輸通道數當攝像機以較高速率拍攝高分辨率圖像時，會產生很高的輸出速率，這一般需要多路信號同時輸出，圖像采集卡應能支持多路輸入。一般情況下，有1路，2路，4路，8路輸入等。隨出現著科技的不斷發展和行業的不斷需求，路數更多的采集卡也出現在市面上。(4) 分辨率采集卡能支持的最大點陣反