机器视觉硬件选型相关知识

一、参考博客

1. 光学放大倍率、电子放大倍率及显示器放大倍率
   https://blog.csdn.net/szx123_/article/details/103926728
2. 机器视觉一些概念
   https://blog.csdn.net/hzfalling2016/article/details/72639586?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-title-6&spm=1001.2101.3001.4242
3. 选型参考
   http://www.elecfans.com/kongzhijishu/jiqishijue/580596.html
   https://blog.csdn.net/talender/article/details/87470709
   https://zhuanlan.zhihu.com/p/87193255
   光源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/26334266
   光源：https://www.cnblogs.com/brt2/p/13524629.html#1-%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E5%8E%9F%E5%88%99
   镜头选型：https://blog.csdn.net/weixin_43197380/article/details/90522203
4. 参考书籍
   《机器视觉的自动检测技术》 余文勇 石绘编著

二、机器视觉相关知识总结

机器视觉系统的硬件组成包括工业相机、镜头以及光源，下面分别从类型、相关参数以及选型三个方面对这三个硬件进行介绍。

2.1 工业相机

2.1.1 工业相机的类型

1. 按芯片技术分类， 分为CCD（电荷耦合器件）和CMOS（互补金属氧化物半导体）。两者的区别及特点：
   （1）将光转化为电信号的方式不同，对于CCD传感器，光照射到像元上，像元产生电荷，电荷通过少量的输出电极传输转化为电流、缓冲、信号输出；对于CMOS传感器，每个像元自己完成电荷到电压的转换，同时产生数字信号，所以处理过程很快，适用于高帧率相机；
   （2）CCD相机的照度范围是CMOS传感器感光度的3~10倍，所以目前一般CCD相机成像质量要优于CMOS相机；照度是指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量表示，单位为勒（Lux）。
   （3）CMOS可以将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口控制电路集成在一块硅片上，有结构简单、处理功能多、速度快、耗电低、成本低等优点，但存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率低等问题，但是在“有源像元单元”结构出现后，使得CMOS在一些参数上接近于CCD相机，而其价格、功能、尺寸等方面优于CCD相机，所以被广泛应用。
2. 按输出图像信号格式分类，分为模拟相机和数字相机，模拟相机所输出的信号形式为标准的模拟量视频信号，需要配专用的图像采集卡才能转化为计算机可以处理的数字信息。一般用于电视摄像和监控领域，具有通用性好、成本低的特点，但一般分辨率低、采集速度慢。数字相机是在内部集成A/D转换电路，可以直接将模拟量的图像信号转化为数字信息，不仅有效避免了图像传输线路中的干扰问题，而且由于摆脱了标准视频信号格式的制约，对外的信号输出使用更加高速和灵活的数字信号传输协议，可以做成各种分辨率的形式，出现了目前数字相机百花齐放的形式。
3. 按像元排列方式分类， 分为面阵相机和线阵相机。
   （1）面阵相机：其像元是按行列整齐排列的，每个像元对应图像上的一个像素点，一般所说的分辨率就是指像元的个数。这类相机拍摄速度快，对所拍摄景物及光照条件无特殊要求。
   （2）线阵相机：其像元是一维线状排列的，即只有一行像元，每次只能采集一行的图像数据，所以在机器视觉系统中一般用于被测物体连续运动的场合，尤其适合运动速度较快、分辨率要求较高的情况。
4. 根据成像色彩，可以分为黑白、彩色及拜耳相机。黑白相机直接将光强信号转换成图像灰度值，生成的是灰度图像；彩色相机能获得景物中红、绿、蓝三个分量的光信号，输出彩色图像。彩色相机能够提供比黑白相机更多的图像信息。拜耳相机是一个4×4阵列，由8个绿色、4个蓝色和4个红色像素组成，在将灰度图形转换为彩色图片时会以2×2矩阵进行9次运算，最后生成一幅彩色图形。

2.1.2 工业相机的参数

1. 分辨率
2. 最大帧率
3. 曝光方式和快门速度，对于工业线阵相机都是逐行曝光的方式，可以 选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间； 面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，工业数字相机一般都提供外触发采图的功 能。快门速度一般可到10微秒，高速相机还可以更快。
4. 传感器尺寸
5. 像素深度，一般为8BIt，对于数字相机，一般还有10Bit、12Bit等。
6. 像元尺寸，像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。目前工业数 字相机像元尺寸一般为3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。
7. 固定图像噪声：不随像素点的空间坐标改变的噪声，其中主要是暗电流噪声。
8. 动态范围：相机探测光信号的范围。
9. 光学接口：相机和镜头之间的接口，常用的接口有C口、CS口和F口。
10. 光谱回应特性：像元传感器对不同光波的敏感程度，一般相应范围为350~1000nm.

2.1.3 工业相机的选型

1. 根据应用的不同分别选用CCD或CMOS相机
   CCD工业相机主要应用在运动物体的图像提取，当然随着CMOS技术的发展，很多贴片机也在选用CMOS工业相机。用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD工业相机比较多。CMOS工业相机由成本低，功耗低也应用越来越广泛。
2. 黑白/彩色
   对于没有色彩要求的检测场合，使用黑白相机可以直接获取灰度图像，不需要后续图像灰度化。
3. 分辨率的选择
   　　首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率。相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。则相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理论精度。
   　　若单视野为5mm长，理论精度为0.02mm，则单方向分辨率=5/0.02=250。然而为增加系统稳定性，不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值，一般可以选择倍数4或更高。这样该相机需求单方向分辨率为1000，选用130万像素已经足够。
   　　其次看工业相机的输出，若是体式观察或机器软件分析识别，分辨率高是有帮助的；若是VGA输出或USB输出，在显示器上观察，则还依赖于显示器的分辨率，工业相机的分辨率再高，显示器分辨率不够，也是没有意义的；利用存储卡或拍照功能，工业相机的分辨率高也是有帮助的。
4. 相机帧数选择
   　　当被测物体有运动要求时，要选择帧数高的工业相机。但一般来说分辨率越高，帧数越低；
5. 曝光时间
   要满足物体运动速度Vp*曝光时间Ts<允许最长拖影S。运动速度比较快的物体拍照，为了防止长的拖影就需要极短的曝光时间，选用感光比较好的工业相机，可以实现。
6. 与镜头的匹配
   　　传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，C或CS安装座也要匹配。
7. 相关计算公式
   光学放大倍率=靶面尺寸/视野大小
   电子放大倍率=显示屏大小（in）*25.4/相机靶面对角线长度（mm）
   可分辨的景物精度=像素尺寸、放大倍率
   镜头焦距=物距/(1+1/放大倍率）

2.2 光源系统

光源是获取高质量图像的关键，也会影响图像处理的效率和准确性，光源系统的意义：
（1）照亮被测物体，提高图像亮度；
（2）增强图像对比度，使目标特征突出，降低图像处理算法难度，提高系统的精度和稳定性；
（3）减弱环境光对成像的干扰。
（4）用作测量的工具或参照
针对不同的检测物需要不同的光源系统。
2.2.1光源的类型
1.根据光源的发光机理不同，可以分为高频荧光灯、光纤卤素灯、LED（发光二极管）光源、气体放电灯、激光二极管LD。
（1）高频荧光灯
高频荧光灯的发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，并且采用高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图像的频率，消除图像的闪烁。适合大面积照明，亮度高，且成本低。但需要一定时间换灯管，国外高频灯管最快可做到60HZ。
原理： 日光灯主要由bai灯管、镇流器和du启动器组成。灯管的两端zhi各有一个灯丝，dao管中充有稀簿的氩和微量水银蒸气，管壁上涂着荧光粉。两个灯丝之间的气体在导电时发射的电子与水银原子撞击发出紫外线，荧光粉受到紫外线的照射才发出可见光。
（2）卤素灯
卤素灯也叫光纤光源，因为光线是通过光纤传输的，适合小范围的高亮度照明。它真正发光的是卤素灯泡，功率大，可达100多瓦。适合对环境温度比较敏感的场合，比如二次元量侧仪的照明。缺点是寿命只有2000h左右。
（3）发光二极管LED
LED是一种固态半导体器件，可以直接将电转化为光。优点是体积小、重量轻、便于集成；工作电压低、耗电少、驱动简便，容易实现计算机控制；比普通光源单色型好，有多种颜色可选；发光亮度高，发光效率高，亮度便于调整寿命长（10000~30000h）、响应快（短于1us）；可以设计成复杂的结构，实现不同的光源照射角度。
有各种形式组合，面光源常用作背光源；同轴光源：光线方向基本都是平行同轴的；环形光源（高角度入射光源：光线入射角度和被检测表面的夹角接近垂直）。
（4）气体放电灯
一般包括汞灯、钠灯、氙灯等。发光原理是靠气体分子激发后放电发出光。优点是功率大，光色接近日光，紫外线丰富，主要应用在钱广、色温要求接近日光的场合。
（5）激光二极管LD
激光光源是利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的点光源，是一种相干光源。特点是方向性好、发散角小（约0.18度），比普通光源小2~3个数量级，亮度高、能量高度集中，亮度比普通光源高几百万倍、单色性好、光谱范围极小，频率单一；相干性好，受激辐射，传播方向/振动方向/频率/相位一致，时间相干性、空间相干性好。
2.2.2选择光源
1.选择光源需要考虑系统特性。
（1）对比度
（2）亮度
（3）鲁棒性：对部件位置变化不敏感，
（4）光源可测性
（5）物体表面
（6）控制反射
（7）表面纹理
（8）表面形状
（9）光源均匀性
（10）光源技术的应用
2.照明技术
（1）一般目的照明：一般采用环状或点状照明。环状最常用，便于安装在镜头前方，可以给漫反射表面提供足够的照明。
（2）背光照明
（3）同轴照明：与摄像头的轴向有相同的光照射到物体表面。对于实现扁平物体且有镜面特征的表面的均匀照明很有用。此外还可以实现使表面角度变化部分高亮，因为不垂直于摄像头的表面反射的光不会进入镜头，从而造成表面较暗。
（4）连续漫反射照明
（5）暗域照明：用以表面有凸起或纹理变化的照明

（6）结构光：一种投影在物体表面的有一定几何形状的光（如线形、圆形、正方形）。多用于测距。
3.灰度照明技术
（1）直射和漫射照明
直射照明指光源的反射光直接进入相机镜头，漫射照明指光源反射光不直接进入镜头，而是经过多级反射后进入镜头。

（2）背向照明和前向照明
背向照明将光源置于物体的后面，这种照明方式可以突出不透明物体的阴影或观察透明物体的内部，可以很好地提取出目标物体的边缘轮廓。如晶片或玻璃基底上的伤痕检测、LCD 检测、微小电子元件尺寸形状、靶标测试等。优点在于可以将被测物体的边缘轮廓清晰地勾勒出来，由于在图像中，被测物被遮挡的部分为黑色，未被遮挡的部分为白色，因此，形成黑白分明易于分析的图像。光的波长越长，对物体的穿透力越强，红光穿透力最强，紫光最弱。还分为中心照明和斜射照明。
前向照明是指将光源放置于检测物前方，主要是照射物体的表面缺陷、划痕和重要的细节特征。

2.3 工业镜头

相机的镜头类似于人眼的晶状体。如果没有镜头，相机无法输出清晰的图像。在机器视觉系统中，镜头的作用是将成像目标聚焦在图像传感器的光敏面上。镜头对成像质量有着关键作用，他对成像质量的几个最主要指标都有影响，包括分辨率、对比度、景深及各种像差。
2.3.1 镜头类型
（1）根据有效像场的大小部分
镜头的有效像场应该大于或等于摄像机的靶面尺寸，否则成像的边角部分会模糊甚至没有影像。

（2）根据焦距划分
根据焦距是否可调，可分为定焦镜头和变焦镜头。根据焦距长度，定焦镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。变焦镜头又分为手动变焦和电动变焦。

（3）根据光圈划分
镜头有手动光圈和自动光圈。
（4）根据镜头接口类型划分
C接口、CS、V、T2、莱卡接口、M42、M50接口。
（5）特殊用途
显微镜头、微距镜头、远心镜头、紫外和红外镜头。
镜头是由透镜和光阑组成。
2.3.2镜头参数
（1）焦距（f）
（2）光圈/相对孔径
光圈和相对直径是两个概念，光圈用F表示，以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量，F值越大，光圈越小。相对孔径（D/f表示）是镜头入瞳直径与焦距比值，而光圈是相对孔径的倒数。
（3）视野范围（FOV）：相机实际拍到的区域尺寸。
（4）工作距离（WD）
（5）像面尺寸
（6）像质：成像质量，实际成像可能有桶形畸变和枕形畸变。
（7）工作波长与透射率
（8）景深：是指在被摄物体聚焦清楚后，在物体前后一定距离内，其影像仍然清晰的范围。随镜头的光圈值、焦距、拍摄距离而变化，光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。距离拍摄物体越近时，景深越小，距离拍摄物体越远时，景深越大。
（9）接口
（10）对应最大CCD尺寸：镜头成像直径可覆盖的最大CCD芯片尺寸。
（11）分辨率
（12）镜头的放大倍数
（13）数值孔径：数值孔径（NA）是透镜与被检物体之间介质的折射率（n）和孔径角（2α）半数的正弦之乘积。用公式表示如下：NA = n * sin α。他与分辨率成正比，与放大倍率成正比。
（14）后倍焦
2.3.2 镜头的选型
为控制系统该选择镜头时候，机器视觉集成商应该考虑四个主要因素：可以检测物体类别和特性；景深或者焦距；加载和检测距离；运行环境。
（1）波长、变焦与否
根据应用场景，如果不需要改变倍率就选择定焦，否则变焦。对于波长，一般是可见光波段，也有其他波段，另外处理，根据需求选择。
（2） 景深
景深是指保持理想对焦状态下物体允许的移动量。
（3）工作距离、焦距
根据成像的放大率和物距这两个条件来选择合适焦距的镜头。先明确系统的分辨率，结合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再结合空间结构约束知道大概的物像距离，进一步估算焦距。
f=L/(1+1/m) m——放大倍率，L——物距。
m=靶面尺寸/视野大小
（4）像面大小和像质
相机感光面不能超过镜头标示的像面尺寸，否则边缘视场的像质不保。
（5）光圈和接口
镜头的光圈主要影响像面的亮度。接口要与相机相配合。
（6）成本和技术成熟度