09:231工業相機的認識與選型任務1工業相機任務2工業鏡頭任務3機器視覺光源09:232任務1工業相機09:233工業相機最本質的功能就是通過CCD或CMOS成像傳感器將光信號轉變為有序的電信號，并將這些信息通過相應接口傳送到計算機。

一、認識工業相機工業相機不帶圖像存儲的接口，不能外接SD卡工業相機不帶有觀察窗或液晶顯示屏工業相機的機身不帶有集成的鏡頭工業相機不帶有自動對焦/變焦功能接口。工業相機的結構簡單，形狀小巧，穩定性強，而且工業相機使用的是電子快門工業相機往往采用電信號控制觸發拍照，實時輸出數據單反相機工業相機一體式數碼相機認識工業相機09:234

工業相機內部的功能模塊主要由五大部分構成，分別為鏡頭接口，圖像傳感器，參數控制模塊，數據傳輸接口以及供電、IO信號接口。認識工業相機相機內部結構圖示工業相機智能相機板級工業相機09:235下圖是一種基于計算機和工業相機（簡稱為PCBase）的機器視覺系統。PCBase架構的優勢是可以拓展性強，靈活度高。計算機可以接入多個工業相機，實現多視場、多工位、多功能的應用組合。認識工業相機（PCBASE）工件傳感器LED光源產線PCPLC

執行機構工業相機鏡頭

光源控制器工業相機視覺系統（PCBase）09:236下圖是典型的基于智能相機的機器視覺系統。該系統與基于工業相機與計算機的視覺系統不同之處的在于，圖像處理在相機端直接完成，并將判斷結果傳輸給PLC。與PCBase系統相比，基于智能相機的系統更簡潔穩定。認識工業相機（智能相機）工件傳感器LED光源產線PLC

執行機構智能相機鏡頭

光源控制器智能相機視覺系統09:237根據圖像傳感器參數和特性的不同，可以將工業相機分為多種類別，如下表所示。二、工業相機的分類傳感器類型CCD相機CMOS相機傳感器結構面陣相機線陣相機傳感器色彩輸出黑白相機彩色相機09:238工業相機中負責感光及成像的核心器件為圖像傳感器。

最常見的圖像傳感器的芯片類型有兩種，分別是CCD（Charge-coupledDevice，電荷耦合器件）和CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補金屬氧化物半導體）。

這兩種圖像傳感器的結構雖然不同，但是工作原理類似。當光照射在感光芯片的每個像素上時，因光電效應在每個像素上激發電子，經過AD轉換之后，電流模擬信號變成二進制數字信號，從而生成圖像。工業相機的主要類型（按芯片類型）相機成像芯片工作原理09:239CCD工作示意圖感光像元電荷輸出輸出放大器CCD讀出寄存器工業相機的主要類型（按芯片類型）09:2310CCD的基本感光單元為的MOS（金屬-氧化物-半導體）電容。CCD的工作過程分為四個階段，分別是電荷的生成、電荷的收集、電荷的轉移、電荷的測量。CCD芯片的電荷收集及轉移、測量是在像元外部完成。CMOS工作示意圖工業相機的主要類型（按芯片類型）09:2311在CMOS傳感器中，每個像素都有自己的電壓轉換，傳感器通常還包括放大器、噪聲校正和數字化電路。因CMOS每個像元獨立完成AD轉換，將會導致其輸出圖像均勻性較低。但因AD轉換是大規模并行處理的，所以CMOS能達到更高的輸出總帶寬。CMOS與CCD對比表格

CCDCMOS優點噪聲小；成像均勻性好；靈敏度高；芯片集成度高；制造難度低；幀率高；缺點芯片集成度低；制造難度高；幀率低；噪聲大；成像均勻性差；靈敏度低；工業相機的主要類型（按芯片類型）09:2312CMOS和CCD的對比：CMOS的結構更簡單，制造成本更低，CMOS逐漸成為工業相機中主要用的圖像傳感器。CCD更多應用在天文、生物、軍事等高端領域。工業相機的主要類型（按芯片結構）a面陣相機圖像輸出b線陣相機圖像輸出09:2313按照傳感器中像元的排列，可以將工業相機分為面陣相機和線陣相機兩種。面陣相機的傳感器像素排列是矩形的，面陣相機分辨率為其橫向和縱向像元的個數，如1920*1080。線陣相機的傳感器是線形的，線陣相機的分辨率為橫向像元數乘以像元的行數，如4096*1。面陣相機每次獲取的是一個面的信息，如圖a所示。線陣相機每次獲取的是一條線的信息，如果線陣相機要成像，需要將輸出的每行像素拼接起來，如圖b所示。線陣相機1409:23面陣相機1509:23人的肉眼感光是主要分為三個通道，藍色通道B，綠色通道G，以及紅色通道R。工業相機的主要類型（按色彩輸出）09:2316基于分光結構的彩色工業相機成本較高，分辨率有限，目前只在印刷行業等色彩檢測要求較高的場景中有應用。

目前市面上的彩色相機大都采用BAYER陣列的彩色CCD/CMOS傳感器采集的顏色信息是插值得到的，嚴格意義上來說是不精確的，采集到圖像邊緣的對比度會比黑白相機差。三、工業相機的光學接口鏡頭C接口感光芯片鏡頭與相機的成像示意圖09:2317相機的鏡頭接口有多種類型，鏡頭接口與相機必須互相匹配，鏡頭才能安裝在相機上并且清晰成像。相機的圖像傳感器在1英寸以下時，往往都會采用C接口。鏡頭參數中標注的靶面尺寸2/3英寸，指的就是使用該鏡頭的相機芯片最大不得超過2/3英寸。在進行相機及鏡頭選型時，需要注意閱讀相機及鏡頭參數，應參照其參數表，進行接口匹配選型。常見的四種鏡頭接口參數：工業相機的光學接口序號接口類型螺紋法蘭后截距（mm）卡環直徑（mm）1C口P=0.7517.52625.42CS口P=0.7512.525.43F口/46.5474M72P=0.7531.87209:2318C接口和CS接口是工業相機最常見的國際標準接口，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。F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標準，所以又稱尼康口，一般工業相機靶面大于1英寸時需用F口的鏡頭。M72接口具有更大的卡環直徑與法蘭后截距，可以匹配大靶面像素相機成像。C接口相機與C接口鏡頭工業相機的光學接口F接口鏡頭與F接口相機M72接口相機與M72接口鏡頭09:2319四、工業相機的接線相機背部結構圖6pin相機及IO接口定義09:2320在相機的后端，是相機的數據傳輸接口與供電、IO信號接口。如果工業相機采用的傳輸協議不帶供電，則需要通過外接電源實現相機供電。USB3.0協議因本身帶有供電，所以USB3.0相機可以不用外接供電電源。如左圖所示是一個千兆網相機背部的結構圖，分別為6pin電源及I/O接口，數據接口，以及指示燈。如右圖所示，千兆網相機需要對相機進行供電接線，將管腳序號1接入12v直流電源，將管腳序號6接入GND。如果需要對相機進行外觸發，就要將觸發正信號輸入接入管腳序號2，將IOGND接入管腳序號5。

工業相機因機身不帶圖像算法處理功能，所以需要將采集到的圖像數據通過協議傳輸到處理平臺，不同圖像數據傳輸協議采用的物理接口樣式和結構不同。

常見的幾種相機傳輸協議為USB2.0、USB3.0、千兆網、CameraLink、CoaXPress幾種，他們各自有不同的特性，如下表所示。工業相機的接線接口類型帶寬距離特點USB3.04.8Gbps5m常見，低成本，多相機擴展容易，傳輸速率高；GigE1000Mbps100m常見，低成本，多相機組網，傳輸距離遠；CameralinkLinkBase/Medium/Full/Full+255/510/680/850（MBps）10m抗干擾能力強，傳輸帶寬高，需配專用采集卡，配件成本高；CoaXPress6.25Gbps*N40m傳輸速率高，傳輸距離長，需配專用采集卡，配件成本高；09:2321GigE千兆網接口相機與線纜工業相機的接線USB3.0接口相機與線纜Coaxpress接口相機與線纜Mini-Cameralink接口相機與線纜09:2322分辨率：由橫向分辨率和縱向分辨率兩個參數構成，表示在圖像傳感器上，橫向與縱向像素點的數量。五、工業相機的主要參數88*77分辨率359*319分辨率09:2323像元：指的是圖像傳感器上每一個像素點的尺寸，像元尺寸越大，則單個像素點感光越強。工業相機的主要參數單個尺寸4um*4um長度方向5像素，寬度方向5像素芯片尺寸為20um*20um09:2324快門：分為全局快門與卷簾快門，其主要差別在于，拍攝快速運動物體，采用卷簾快門的相機輸出的圖像會有運動形變工業相機的主要參數09:2325幀率：每秒鐘相機采集圖像的最大張數，相機幀率越高，每秒鐘可采集圖像的最大數量越多。工業相機的主要參數09:2326工業相機的主要參數動態范圍：以8bit位深的圖像為例，動態范圍是指圖像里灰度值為255的像元中電子數與灰度值為1像元中電子數的比例，動態范圍越大，意味著像元之間采樣的差異越大，也就是說明暗度的細節更多，對于戶外成像應用，如自動駕駛，一般要求相機動態范圍越大越好。09:2327工業相機的主要參數位深：將傳感器像素感應到的電流信號轉換為模擬信號時，要對其進行AD轉換，所采用的二進制位數，就是位深。位深越高，那么其蘊含的信息細節越多，但是也意味著要處理的數據越大。一般工業相機都采8/10比特位深。09:2328信噪比：英文名稱叫做SNR或S/N（SIGNAL-NOISERATIO)，指的是圖像中有用信號與噪聲的比例，計算方法位10lg(Ps/Pn)，Ps和Pn分別代表有像素灰度值與噪聲灰度值。信噪比越高，則意味著噪聲抑制越好。09:2329工業相機的主要參數09:2330傳感器尺寸（靶面）：在相素不變的情況下,相機傳感器尺寸越大,噪點控制能力越強。芯片大小標稱參數使用對角線長度，1英寸=16mm工業相機的主要參數工作距離(WorkingdistanceWD)：

鏡頭第一個工作面到被測物體的距離視野范圍(FieldofView,FOV)：

相機實際拍到區域的尺寸光學放大倍數：CCD/FOV09:233109:2332視野大小可以設定為80mm*60mm（考慮每次機械定位的誤差，將視野比物體適當放大），假如能夠取到很好的圖像（比如可以打背光），那么我們需要的相機分辨率就是：80/(0.1/2)=1600pixcel

60/(0.1/2)=1200pixcel因此相機的分辨率至少需要1600*1200，幀率在10幀/秒，因此選擇分辨率為1600*1200像素，幀率在10幀/秒以上的相機。檢測要求：檢測任務：尺寸測量產品大小：60mm*50mm精度要求：0.1mm流水線作業檢測速度：10件/秒六、工業相機選型注：通常情況，圖像采集很難達到理想狀態，所以往往取精度（0.1）的1/2、1/3、甚至1/10進行相機分辨率的估算。3309:23工業鏡頭遠心鏡頭任務2工業鏡頭09:2334一、工業鏡頭成像原理照相機運用的就是凸透鏡的成像規律，鏡頭成像原理如圖上所示，鏡頭就是一個凸透鏡，要照的景物就是物體，膠片就是屏幕；物距、像距的關系通凸透鏡成像規律一樣。

工業鏡頭與單反鏡頭及電影鏡頭不同。如圖所示，工業鏡頭不像單反鏡頭或電影鏡頭（圖c）帶有機身馬達及對焦功能接口，工業鏡頭需要手動調節聚焦位置與光圈，而且焦距固定。工業鏡頭的優點是耐沖擊性好，壽命長，成像畸變小。09:233509:2336二、相機與鏡頭的接口鏡頭接口分螺紋口和卡口。螺紋口主要是C口、CS口、M42、M50、M72等，卡口主要是F口、V口卡口：大靶面（分辨率）面陣相機和線陣相機常用卡扣鏡頭。F口是尼康鏡頭的接口標準，又稱尼康口，適合大靶面相機。V口：施耐德鏡頭接口標準，適合大靶面相機。M42口：直徑42mm，FB=45.5mm，螺紋距0.75mm。M50口：直徑50mm，FB=45.5mmM72口：直徑72mm，FB=45.5mmT2口：直徑42mm，螺紋距離1mm09:2337工業鏡頭——常用接口C口&CS口接圈09:2338三、工業鏡頭的參數視野（FOV）：鏡頭所能拍攝的實際物理范圍。

工作距離(WD)：鏡頭前端到拍攝平面的距離u。視場角（θ）：標準鏡頭視場角45°左右，一般焦距越短的鏡頭視場角越大。景深（DOF）：聚焦平面前后任然有一段可以清晰成像的距離，這段距離叫做景深。鏡頭的主要參數靶面尺寸：鏡頭成像的本質，是將物方的圓形視野聚焦，并在像方成一個圓形像，這個像圓的直徑，在鏡頭參數中叫做靶面尺寸。如圖所示，如果鏡頭靶面與圖像傳感器尺寸匹配（前者大于等于后者），那么成像為正常圖像。假如鏡頭的成像圓小于相機的芯片對角線，那么會出現圖示中類似于暗訪畫面的效果，即四個角出現黑邊。09:2339鏡頭的主要參數光圈：光圈值是用以描述鏡頭通光量的參數，光圈越大，鏡頭通光量越多。鏡頭的光圈值F與鏡頭中孔徑光闌的直徑D以及焦距f有關，F=f/D，鏡頭的孔徑光闌是可以調節的，它可以擴大或者縮小，從而改變光圈值和光通量，如圖所示。09:2340鏡頭的主要參數鏡頭的聚焦范圍和景深：鏡頭距離物體有效工作距離的范圍稱為聚焦范圍，超出該范圍則不能清晰成像。

鏡頭的景深是指在攝影機鏡頭或其他成像器前沿能夠取得清晰圖像的成像所測定的被攝物體前后距離范圍。鏡頭的景深與光圈、工作距離相關：光圈越大，工作距離越近，景深越小；光圈越小，工作距離越遠，景深越大。如圖，聚焦在某個目標時，光圈設置越大，景深范圍越小，光圈設置越小，則聚焦目標前后的物體也變得清晰可見，景深即是越大。09:2341鏡頭的主要參數分辨率：定義為在像面處鏡頭在單位毫米內能夠分辨開的黑白相間的條紋對數，右圖表示的就是線對黑白條紋。

一個線對就是一條黑線與一條白線，100線對/毫米意思是在1個mm之內，存在100條黑白線。像元分辨率定義為單位毫米內像素單元數的一半，則如果像元尺寸為5um，則其像元分辨率為1/2*0.005=100lp/mm。

工業上為了便于鏡頭選型，標稱鏡頭分辨率按照匹配的相機分辨率來表述。鏡頭標稱分辨率百萬像素二百萬像素五百萬像素鏡頭線對分辨率90lp/mm110lp/mm160lp/mm09:2342鏡頭的畸變：現實中因為設計和加工的原因，拍攝物體時是會產生形變的。被攝物平面內的主軸外直線，經光學系統成像后變為曲線，則此光學系統的成像誤差稱為畸變。畸變像差只影響成像的幾何形狀，而不影響成像的清晰度。畸變可以分為枕形畸變與桶形畸變。a正常圖像b枕形畸變c桶形畸變相機標定板09:2343四、鏡頭的選型計算（普通鏡頭）假定物體成的像像長度為y'，物體的實際長度為y，鏡頭的焦距為f，鏡頭前端距離物體距離（工作距離）為WD，y'/y=f/WD給定要拍攝的物體是正方形，尺寸為100mm×100mm。相機分辨率為1920×1200，像元尺寸為4.8um，則圖像傳感器大小為9.2mm×5.8mm，因相機芯片為長方形，而物體為正方形，那么需要相機的短邊罩住物體投影的像，才能對整個物體成像。如果指定工作距離為500mm，根據計算公式f=WD×y'/y，帶入實際值，可以算出f=29mm。09:234409:2345視野大小可以設定為80mm×60mm（考慮每次機械定位的誤差，將視野比物體適當放大）；假設工作距離為：450mm檢測要求：檢測任務：尺寸測量產品大小：60mm×50mm相機靶面：5.7mm×4.8mm工作距離：小于500mm工業鏡頭選型

選擇焦距為35mm的定焦鏡頭，并適當增大工作距離；

定倍鏡頭：定焦鏡頭：09:2346五、工業鏡頭——遠心鏡頭

遠心鏡頭與普通鏡頭的根本差異在于遠心鏡頭可以消除透視差，普通鏡頭的成像規律是近大遠小，遠心鏡頭成像規律是無論遠近，大小一致。遠心鏡頭的工作距離是恒定的，鏡頭前端到物體的距離不能改變，常見為遠心鏡頭的工作距離為65mm及110mm。a普通鏡頭的成像效果b遠心鏡頭的成像效果工業鏡頭——遠心鏡頭09:234748任務3機器視覺光源一、光源的作用1）照亮目標，提高目標亮度。2）形成最有利于圖像處理的成像效果。3）克服環境光干擾，保證圖像的穩定性。4）用作測量的工具或參照。在工業案例中，實現穩定高效的光照意味著系統成功了一半。由于沒有通用的機器視覺照明設備，所以針對每個特定的應用實例，要設計相應的照明裝置，以達到最佳效果。Dome光明視場光源案例50二、工業光源的種類

常見的機器視覺光源，主要有熒光燈，鹵素燈，LED光源等三種，他們各自有其優缺點。最初期的機器視覺系統，通常采用鹵素燈。隨著照明技術的發展，逐漸熒光燈也使用在視覺系統中。工業LED光源成本的降低極大地促進了機器視覺技術的普遍應用，因為LED光源可以更實現更靈活的結構和顏色設計實現，這也就意味著可以讓出射光線的角度和顏色可以被靈活定制。而LED光源優點還不止于此，他的亮度可控，而且可以頻閃，亮度大而且頻譜豐富。因此LED光源的普及極大地增強了相機獲得到的圖像對比度，使得機器視覺系統可以更穩定，更高效。光源的種類高頻熒光燈光纖鹵素光源LED光源52三類光源的特點對比分析螢光燈鹵素燈+光纖導管LED燈源價格低高中亮度低高中穩定性低中高閃光裝置無無有使用壽命中低高光線均勻度高中低多色光無無有復雜設計低中高溫度影響中低高53LED光源的分類根據LED光源顆粒的排列，可以將LED光源分為環形光源、背光源、同軸光源、AOI光源等。環形光源：環形光源指的是環狀外觀結構的LED光源，是最常見的光源種類之一，成本低，維護簡單，根據照明的角度，可以將環形光源分為高角度環形光源及低角度環形光源。a高角度環光照明示意圖b光源安裝示意圖c打光前后效果圖55背光源：又稱面光源，背光源的LED顆粒裝在水平基板上，均勻朝上發光。它的特點是發光為一個面，對于透明物體，背光可以穿透；對于不透明物體，光線無法穿透，物體的形狀輪廓將與背光形成對比，從而極易測量/檢測。背光源照射下齒輪圖片LED光源的分類LED光源的分類同軸光源：指的是光源的入射與反射為同軸的。半透半反鏡的作用原理是讓一半的光通過，一半的光反射。直接通過的光照射在黑色的基板上，無法進入相機視野內。而一半的光垂直向下反射到物體表面，再垂直向上進入相機中，因為光線入射與反射是同軸，所以稱為同軸照明。LED光源的分類AOI光源：利用不同顏色以不同角度照射到物體表面，因物體表面的高度起伏不同，從而其反射的光線顏色和光路產生較大差異，從而使相機看到不同高度的顏色有很大差異，進而得到可檢測的圖像信息。相機紅色LED綠色LED藍色LED點位A點位B點位C58穹頂光源：又稱碗光源、Dome燈、球形光源，外觀上為半球形設計，是一種空間360度的無影光源，LED發出的光線經球面形成漫反射效果，照射到觀測物表面的光線在均勻性和平滑性方面優于其他類型光源。09:2359點光源：結構緊湊，能夠使光線集中照射在一個特定距離的小視場范圍。09:2360點光源應用傳遞反射鏡面反射漫反射吸收原理61三、光源的選型與打光技術照射物白色光(混合色)藍色其它顏色被吸收明視場暗視場背光結構光Dome光同軸光光源打光技術62亮視野暗視野兩種常見正向打光方式63暗視野亮視野低角度暗場照明64前向光明場照明65高角度照明光源照射方式：亮場——最直接的照明66各種光源的特征低角度照明光源照射方式：暗場——適合光滑表面的照明67各種光源的特征光源照射方式：背光——測量系統的最佳選擇68各種光源的特征三維深度信息激光或線性光源固定角度照射光源照射方式：結構光——最簡便的三維測量方法69各種