工業(yè)相機(jī)原理工業(yè)相機(jī)原理前言-（編者話）為什么推出本書《工業(yè)相機(jī)原理》？（1）目前的一部分機(jī)器視覺技術(shù)相關(guān)課程和書籍主要講宏觀的機(jī)器視覺技術(shù)，主要面向的是應(yīng)用，而缺乏原理解析，使得讀者理解不深刻，難以解決遇見的各種問題，難以精確的搭建和靈活的使用機(jī)器視覺系統(tǒng)。（2）另一部分機(jī)器視覺相關(guān)的課程和書籍主要講授的為圖像處理部分，而對(duì)圖像信息是如何從相機(jī)傳遞到計(jì)算機(jī)從而形成一幅圖像的并不關(guān)注。第1章緒論1.1.什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？1.2.什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？1.3.工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理第1章緒論1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？A相機(jī)（照相機(jī)）照相機(jī)簡(jiǎn)稱相機(jī)，是一種利用光學(xué)成像原理形成影像并使用底片記錄影像的設(shè)備。照相機(jī)是用于攝影的光學(xué)器械。被攝景物反射出的光線通過(guò)照相鏡頭(攝景物鏡)和控制曝光量的快門聚焦后，被攝景物在暗箱內(nèi)的感光材料上形成潛像，經(jīng)沖洗處理(即顯影、定影)構(gòu)成永久性的影像。傳統(tǒng)/普通照相機(jī)工業(yè)相機(jī)原理A相機(jī)（照相機(jī)）數(shù)碼相機(jī)（又名：數(shù)字式相機(jī)英文全稱：DigitalCamera簡(jiǎn)稱DC），是一種利用電子傳感器把光學(xué)影像轉(zhuǎn)換成電子數(shù)據(jù)的照相機(jī)。與普通照相機(jī)在膠卷上靠溴化銀的化學(xué)變化來(lái)記錄圖像的原理不同，數(shù)字相機(jī)的傳感器是一種光感應(yīng)式的電荷耦合器件（CCD)或互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)。在圖像傳輸?shù)接?jì)算機(jī)以前，通常會(huì)先儲(chǔ)存在數(shù)碼存儲(chǔ)設(shè)備中（通常是使用閃存）。數(shù)字式相機(jī)1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理A相機(jī)（照相機(jī)）數(shù)碼相機(jī)是集光學(xué)、機(jī)械、電子一體化的產(chǎn)品。它集成了影像信息的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和傳輸?shù)炔考?，具有?shù)字化存取模式，與電腦交互處理和實(shí)時(shí)拍攝等特點(diǎn)。數(shù)碼相機(jī)最早出現(xiàn)在美國(guó)，20多年前，美國(guó)曾利用它通過(guò)衛(wèi)星向地面?zhèn)魉驼掌?，后?lái)數(shù)碼攝影轉(zhuǎn)為民用并不斷拓展應(yīng)用范圍。1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理B工業(yè)相機(jī)——工業(yè)相機(jī)與普通數(shù)字式/數(shù)碼相機(jī)有什么不同？1、工業(yè)相機(jī)的性能穩(wěn)定可靠易于安裝，相機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實(shí)不易損壞，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，可在較差的環(huán)境下使用，一般的數(shù)碼相機(jī)是做不到這些的。例如：讓民用數(shù)碼相機(jī)一天工作24小時(shí)或連續(xù)工作幾天肯定會(huì)受不了的。2、工業(yè)相機(jī)的快門時(shí)間非常短，可以抓拍高速運(yùn)動(dòng)的物體。例如：把名片貼在電風(fēng)扇扇葉上，以最大速度旋轉(zhuǎn)，設(shè)置合適的快門時(shí)間，用工業(yè)相機(jī)抓拍一張圖像，仍能夠清晰辨別名片上的字體。用普通的相機(jī)來(lái)抓拍，是不可能達(dá)到同樣效果的。3、工業(yè)相機(jī)的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通的相機(jī)的圖像傳感器是隔行掃描的，逐行掃描的圖像傳感器生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數(shù)公司能夠提供這類產(chǎn)品，例如Sony，而且價(jià)格昂貴。1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理B工業(yè)相機(jī)——工業(yè)相機(jī)與普通數(shù)字式/數(shù)碼相機(jī)有什么不同？4、工業(yè)相機(jī)的幀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通相機(jī)。工業(yè)相機(jī)每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機(jī)只能拍攝2-3幅圖像，相差較大。5、工業(yè)相機(jī)輸出的是裸數(shù)據(jù)(rawdata)，其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法。

例如機(jī)器視覺(MachineVision)應(yīng)用。而普通相機(jī)拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經(jīng)過(guò)了mjpeg壓縮，圖像質(zhì)量較差，不利于分析處理。6、工業(yè)相機(jī)(IndustrialCamera)相對(duì)普通相機(jī)(DSC)來(lái)說(shuō)價(jià)格較貴。1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理B工業(yè)相機(jī)——工業(yè)相機(jī)與普通數(shù)字式/數(shù)碼相機(jī)有什么不同？若用直觀的說(shuō)法指出工業(yè)相機(jī)與普通數(shù)字照相機(jī)的區(qū)別，就是：工業(yè)相機(jī)給工業(yè)產(chǎn)品照相，普通數(shù)字相機(jī)給風(fēng)景和人照相。工業(yè)相機(jī)的主要功能是將外界輸入的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為可被電子系統(tǒng)處理的電信號(hào)輸出，在成像原理方面與普通數(shù)字相機(jī)大致相同。相比傳統(tǒng)的普通數(shù)字相機(jī)而言，工業(yè)相機(jī)具有較高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等特點(diǎn)。1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理B工業(yè)相機(jī)——工業(yè)相機(jī)與普通相機(jī)有什么不同？工業(yè)相機(jī)有多個(gè)名稱，例如，工業(yè)攝像機(jī)、工業(yè)攝像頭、視覺傳感器等。當(dāng)其在工業(yè)環(huán)境下拍照時(shí)，取名為工業(yè)照相機(jī)；當(dāng)其在工業(yè)環(huán)境下錄像時(shí)，參照對(duì)普通民用攝像機(jī)的叫法，取名為工業(yè)攝像機(jī)；當(dāng)其用于工業(yè)環(huán)境下的監(jiān)控時(shí)，取名為工業(yè)攝像頭或工業(yè)探頭；當(dāng)其用于工業(yè)機(jī)器人時(shí)，取名為視覺傳感器。1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理BaslerC一些著名品牌的工業(yè)相機(jī)映美精（德國(guó)IMAGINGSOURCE）工業(yè)相機(jī)原理1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？?？低?海康機(jī)器人

凌云光工業(yè)相機(jī)原理1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？上海方誠(chéng)光電科技有限公司工業(yè)相機(jī)原理1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？D

典型標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)的構(gòu)成一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)相機(jī)主要由圖像傳感器、內(nèi)部處理電路、數(shù)據(jù)接口、IO接口、光學(xué)接口等幾個(gè)基本模塊組成。當(dāng)相機(jī)在進(jìn)行拍攝時(shí)，光信號(hào)首先通過(guò)鏡頭到達(dá)圖像傳感器，然后被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由內(nèi)部處理電路對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行算法處理，最終按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議通過(guò)數(shù)據(jù)接口向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。IO接口則提供相機(jī)與上下游設(shè)備的信號(hào)交互，如可以使用輸入信號(hào)觸發(fā)相機(jī)拍照，相機(jī)輸出頻閃信號(hào)控制光源亮起等。1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理D

典型標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)的構(gòu)成1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理圖1.1-2工業(yè)相機(jī)外觀及結(jié)構(gòu)結(jié)合工業(yè)相機(jī)構(gòu)成的幾大基本模塊及不同的選型維度來(lái)看，工業(yè)相機(jī)一般可按以下標(biāo)準(zhǔn)分類：傳感器類型：面陣相機(jī)/線陣相機(jī)，彩色相機(jī)/黑白相機(jī)，CCD相機(jī)/CMOS相機(jī)等數(shù)據(jù)接口類型：網(wǎng)口相機(jī)/USB3相機(jī)/萬(wàn)兆網(wǎng)口相機(jī)/CameraLink相機(jī)/CoaXPress相機(jī)等光學(xué)接口類型：C口/CS口/M12口/F口/M58口等工業(yè)相機(jī)的精分類1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理1.1什么是工業(yè)相機(jī)？與普通相機(jī)有何區(qū)別？工業(yè)相機(jī)原理第1章緒論1.2.什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？1.2.1機(jī)器視覺于機(jī)器視覺系統(tǒng)1.2.2機(jī)器視覺的發(fā)展與應(yīng)用工業(yè)相機(jī)原理一、什么是機(jī)器視覺？

【理論層面】機(jī)器視覺是指用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)人的視覺功能，也就是用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的識(shí)別。【應(yīng)用層面】機(jī)器視覺就是通過(guò)給機(jī)器安裝視覺系統(tǒng)，使機(jī)器具有像人一樣的視覺功能，具備感知和自主判斷的能力，從而實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)、定位、識(shí)別和測(cè)量等功能，提高生產(chǎn)制造的柔性和自動(dòng)化程度。實(shí)質(zhì)上，就是用機(jī)器代替人眼來(lái)將物體表面進(jìn)行測(cè)量和判斷，是一種非接觸檢測(cè)方法。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺概述機(jī)器視覺在智能制造中的地位實(shí)現(xiàn)智能制造的必要手段核心關(guān)鍵技術(shù)機(jī)器視覺為我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化打開“新視界”。機(jī)器視覺就相當(dāng)于人類視覺在機(jī)器上的延伸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)工件尺寸、形狀、顏色等特征的自動(dòng)判斷和識(shí)別，可以讓機(jī)器代替人眼做測(cè)量和判斷，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化和智能化的必要手段。1、機(jī)器視覺與多種技術(shù)融合逐步深入，將成為提升產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化水平的重要抓手。2、企業(yè)加速布局機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，將以智能視覺為核心推動(dòng)智慧工廠建設(shè)。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺與計(jì)算機(jī)視覺區(qū)別（一）機(jī)器視覺用機(jī)器代替人眼進(jìn)行測(cè)量和判斷，完成工業(yè)生產(chǎn)與民用領(lǐng)域的測(cè)量、引導(dǎo)、檢測(cè)和識(shí)別任務(wù)。計(jì)算機(jī)視覺利用計(jì)算機(jī)及其輔助設(shè)備來(lái)模擬人的視覺功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀世界的三維場(chǎng)景進(jìn)行感知、識(shí)別和理解，實(shí)現(xiàn)類似人的視覺功能。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺與計(jì)算機(jī)視覺區(qū)別（二）類別精度級(jí)別區(qū)別機(jī)器視覺μm級(jí)至mm級(jí)主要側(cè)重“量”的分析，如通過(guò)視覺去測(cè)量零件的各種尺寸，又如檢測(cè)產(chǎn)品是否有缺陷等，對(duì)準(zhǔn)確度和處理速度要求都比較高。計(jì)算機(jī)視覺mm級(jí)至cm級(jí)主要側(cè)重“質(zhì)”的分析，如分類識(shí)別，這是狗還是貓的問題；或身份確認(rèn)，如人臉識(shí)別、車牌識(shí)別；或行為分析，如人員入侵、徘徊、人群聚集等判斷。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理為什么要用機(jī)器視覺？機(jī)器視覺與人工視覺的區(qū)別性能灰度分辨力機(jī)器視覺人工視覺強(qiáng)，2

5

6灰度級(jí)差，一般只能識(shí)別6

4個(gè)灰度級(jí)空間分辨力通過(guò)不同選型搭配，可觀測(cè)小到微米的目標(biāo)差，不能分辨微小目標(biāo)效率效率高效率低速度快，可看清運(yùn)動(dòng)物體慢，無(wú)法看清較快運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)精度高精度，可達(dá)微米級(jí)、易量化精度低，無(wú)法量化可靠性穩(wěn)定可靠易疲勞、受情緒波動(dòng)重復(fù)性強(qiáng)，可持續(xù)工作弱，易疲勞信息集成方便信息集成不易信息集成環(huán)境適合惡劣、危險(xiǎn)環(huán)境不適合惡劣和危險(xiǎn)環(huán)境成本一次性投入，成本不斷降低人力和管理成本不斷上升1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理一、什么是機(jī)器視覺系統(tǒng)？【理論層面】機(jī)器視覺系統(tǒng)是指通過(guò)機(jī)器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)傳輸給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像處理系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺系統(tǒng)概述機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)：包括圖像采集單元、圖像處理單元、通信控制單元、終端監(jiān)控單元等。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理圖1.2-1典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單元機(jī)器視覺系統(tǒng)的一般工作過(guò)程:

（1）圖像采集傳感器首先要采集外部的信息，即捕獲圖像。（有時(shí)會(huì)用到觸發(fā)裝置對(duì)傳感器進(jìn)行觸發(fā)）（2）圖像傳輸傳輸圖像數(shù)據(jù)，會(huì)涉及到很多的通信，包括跟采集卡、網(wǎng)絡(luò)通訊等。（3）圖像處理預(yù)處理、測(cè)量處理、圖像分析與識(shí)別等。（4）信息輸出信息輸出給執(zhí)行者，因?yàn)闄C(jī)器視覺本身就是一個(gè)采集者，他并沒有進(jìn)行執(zhí)行的能力，但是他是執(zhí)行者的眼睛和判斷的依據(jù)，所以它會(huì)把它采集的信息傳給第三者。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺系統(tǒng)·圖像采集單元定義：圖像采集單元又稱“幀采集器”（FrameGrabber），圖像采集是指從工作現(xiàn)場(chǎng)獲取場(chǎng)景圖像的過(guò)程，是機(jī)器視覺的第一步。功能:它將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像，并輸出至圖像處理單元。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺系統(tǒng)·圖像處理單元定義：圖像處理單元由圖像處理軟件等構(gòu)成。圖像處理軟件包含大量圖像處理算法。在取得圖像后，用這些算法對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理和分析計(jì)算，并輸出目標(biāo)的質(zhì)量判斷和規(guī)格測(cè)量等結(jié)果。圖像處理算法:包含圖像增強(qiáng)與校正、圖像分割、圖像特征提取、BLOB（BinaryLarge

Object，二進(jìn)制大對(duì)象）分析、圖像識(shí)別與理解等。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺系統(tǒng)·

通訊控制單元定義：圖像處理軟件完成圖像分析后，將分析結(jié)果輸出至圖像界面，或通過(guò)電控單元（PLC等）傳遞給機(jī)械單元執(zhí)行相應(yīng)的操作，如剔除、報(bào)警等，還通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制或機(jī)械臂執(zhí)行分揀、抓取等動(dòng)作。通信控制單元包含I/O接口、運(yùn)動(dòng)控制等。I/O:I/O是主機(jī)與被控對(duì)象進(jìn)行信息交換的紐帶。主機(jī)通過(guò)I/O接口與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。運(yùn)動(dòng)控制：運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺系統(tǒng)·

終端監(jiān)控單元定義：終端控制單元用于在軟件界面上顯示配置的內(nèi)容，一般包括采集的圖片、產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果、產(chǎn)品良率統(tǒng)計(jì)等。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理從硬件設(shè)備的角度描述機(jī)器視覺系統(tǒng)：

圖1-1機(jī)器視覺系統(tǒng)組成部分①光源

②工業(yè)像機(jī)

③傳感器

④圖像采集卡

⑤PC機(jī)⑥視覺處理軟件

⑦控制單元1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理

①光源——作為輔助成像器件，對(duì)成像質(zhì)量好壞起到至關(guān)重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)舻榷际浅Ｓ霉庠础＂诠I(yè)相機(jī)與工業(yè)鏡頭——屬于成像器件，通常視覺系統(tǒng)都是由一套或者多套成像系統(tǒng)組成，如果有多路相機(jī)，可能由圖像卡切換來(lái)獲取圖像數(shù)據(jù)，也可能由同步控制同時(shí)獲取多相機(jī)通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用的需要相機(jī)可能是輸出標(biāo)準(zhǔn)的單色視頻（RS-170/CCIR）、復(fù)合信號(hào)（Y/C）、RGB信號(hào)，也可能是非標(biāo)準(zhǔn)的逐行掃描信號(hào)、線掃描信號(hào)、高分辨率信號(hào)等。二、機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理

③傳感器——通常以光纖開關(guān)、接近開關(guān)等的形式出現(xiàn)，用以判斷被測(cè)對(duì)象的位置和狀態(tài)，告知圖像傳感器進(jìn)行正確的采集。④圖像采集卡——通常以插入卡的形式安裝在PC中，圖像采集卡的主要工作是把相機(jī)輸出的圖像輸送給電腦主機(jī)。將來(lái)自相機(jī)的模擬或數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流，同時(shí)它可以控制相機(jī)的一些參數(shù)，比如觸發(fā)信號(hào)、曝光、積分時(shí)間、快門速度等。圖像采集卡通常不同類型的相機(jī)有不同的硬件結(jié)構(gòu)，同時(shí)也有不同的總線形式，比如PCI、PCI64、CompactPCI、PC104、ISA等。二、機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理

⑤PC平臺(tái)——電腦是一個(gè)PC式視覺系統(tǒng)的核心，完成圖像數(shù)據(jù)的處理和絕大部分的控制邏輯，對(duì)于檢測(cè)類型的應(yīng)用，通常都需要較高頻率的CPU，這樣可以減少處理的時(shí)間。同時(shí)，為了減少工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電磁、振動(dòng)、灰塵、溫度等的干擾，必須選擇工業(yè)級(jí)的電腦。

⑥視覺處理軟件——機(jī)器視覺軟件用來(lái)完成輸入的圖像數(shù)據(jù)的處理，然后通過(guò)一定的運(yùn)算得出結(jié)果，這個(gè)輸出的結(jié)果可能是PASS/FAIL信號(hào)、坐標(biāo)位置、字符串等。二、機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理

⑦控制單元（包含I/O、運(yùn)動(dòng)控制、電平轉(zhuǎn)化單元等）——視覺軟件完成圖像分析（除非僅用于監(jiān)控），緊接著需要和外部單元進(jìn)行通信以完成對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。簡(jiǎn)單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O，相對(duì)復(fù)雜的邏輯、運(yùn)動(dòng)控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元、運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)必要的動(dòng)作。二、機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成

1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理習(xí)題與思考：簡(jiǎn)述機(jī)器視覺的定義與特點(diǎn)。工業(yè)自動(dòng)化為什么要使用機(jī)器視覺技術(shù)？機(jī)器視覺系統(tǒng)由哪些部分構(gòu)成？1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理按性能分類視覺傳感器智能相機(jī)視覺處理器1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理

機(jī)器視覺系統(tǒng)分類1.視覺傳感器優(yōu)點(diǎn)：該類產(chǎn)品集成度高，成本低，體積一般較小，簡(jiǎn)單易用缺點(diǎn)：視覺系統(tǒng)功能少，可拓展性低視覺傳感器，一般是嵌入式一體化產(chǎn)品，處理器配置較低，視覺軟件工具較少。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上圖像采集單元為

CCD或者CMOS芯片、光學(xué)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和圖像采集ISP組成，圖像處理分析在相機(jī)內(nèi)部完成。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理部分視覺傳感器廠商產(chǎn)品常見的視覺傳感器廠家目前市面上國(guó)內(nèi)外視覺傳感器的廠家有：日本基恩士（Keyence）、日本歐姆龍（OMRON）、美國(guó)康耐視（Cognex）、深圳視覺龍、廈門麥克瑪視等。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理2.智能相機(jī)智能相機(jī)是一種高度集成化的微小型嵌入式機(jī)器視覺系統(tǒng)。它集圖像信號(hào)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換，和圖像信號(hào)處理于一體，直接給出處理的結(jié)果。工作原理圖如下圖所示：1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理圖1.2-5智能相機(jī)工作原理圖特點(diǎn)：智能相機(jī)集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝體積小，空間利用率高，適用于環(huán)境嚴(yán)苛的特定應(yīng)用場(chǎng)合。運(yùn)算速度快，魯棒性好，基于嵌入式技術(shù)和并行計(jì)算技術(shù)的智能相機(jī)，在速度和穩(wěn)定性上大大超過(guò)PC系統(tǒng)。同時(shí)它還具有很強(qiáng)的可配置性，視覺系統(tǒng)功能非常強(qiáng)大，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜的視覺項(xiàng)目。常見的智能相機(jī)廠家日本基恩士（Keyence）、美國(guó)康耐視（Cognex）、美國(guó)邁思肯（Microscan）、意大利得利捷（datalogic）、深圳視覺龍、廈門麥克瑪視等。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理圖1.2-6部分智能相機(jī)廠商產(chǎn)品3.視覺處理器視覺處理器一般是基于PC視覺系統(tǒng)和工業(yè)PC機(jī)，開發(fā)合適的機(jī)器視覺應(yīng)用軟件，再配合光學(xué)硬件，如工業(yè)相機(jī)、鏡頭和光源等，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化(FA)所需的定位、測(cè)量、識(shí)別、控制等功能。視覺處理器原理圖如下：1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理圖1.2-7視覺處理器工作原理示意圖特點(diǎn)視覺處理器的圖像處理、通信、存儲(chǔ)功能由視覺控制器完成，它可以接多個(gè)相機(jī)進(jìn)行任務(wù)多配置工作，針對(duì)不同外部控制系統(tǒng)可以開發(fā)專用通訊結(jié)構(gòu)。同時(shí)它也具有很強(qiáng)的可配置性，視覺系統(tǒng)功能非常強(qiáng)大，可應(yīng)對(duì)多相機(jī)，多工位，多類型的視覺項(xiàng)目。常見的視覺處理器廠家日本基恩士（Keyence）、美國(guó)康耐視（Cognex）、美國(guó)邁思肯（Microscan）深圳視覺龍等等。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理對(duì)比名稱結(jié)構(gòu)形式視覺傳感器（嵌入式）智能相機(jī)（嵌入式）視覺處理器（PC式）一體化一體化較低集成度價(jià)位低端市場(chǎng)高端市場(chǎng)高端市場(chǎng)靈活性/可編程性低高高I/O簡(jiǎn)單復(fù)雜復(fù)雜處理能力小大大內(nèi)存配置低中高分辨率低高高檢測(cè)速度較低高檢測(cè)精度較小較大多相機(jī)支持不可以可以復(fù)雜運(yùn)算能力弱能力強(qiáng)系統(tǒng)成本低高工作空間小大操作難度難度小難度大集成能力強(qiáng)弱嵌入式視覺系統(tǒng)與PC式對(duì)比上面介紹的這三種產(chǎn)品均可歸類為智能相機(jī)，取智能相機(jī)的“無(wú)需編程，輕松配置”的特點(diǎn)，是按廣義的智能相機(jī)定義，下圖為三種產(chǎn)品形式進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。按照狹義的智能相機(jī)定義，只有前兩種才能被稱為智能相機(jī)。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理課時(shí)作業(yè)按照操作方式劃分，視覺系統(tǒng)可以分為哪幾類？按照性能劃分，視覺系統(tǒng)可分為哪幾類？簡(jiǎn)要表述開發(fā)視覺系統(tǒng)的整體流程？對(duì)于比較復(fù)雜的項(xiàng)目，我們一般需要選擇什么類型的視覺系統(tǒng)？如果你需要開發(fā)一個(gè)帶5個(gè)相機(jī)的視覺系統(tǒng)，應(yīng)該選擇嵌入式還是PC式視覺系統(tǒng)？1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理1.ⅤisionProVisionPro是美國(guó)Cognex公司推出的一款圖像處理算法。拖拽式操作，易于上手，方便進(jìn)行簡(jiǎn)單項(xiàng)目快速應(yīng)用。除此之外，提供.net腳本編程接口，十分靈活，功能強(qiáng)大，是當(dāng)下機(jī)器視覺應(yīng)用技術(shù)的主流軟件之一。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理1.2.2機(jī)器視覺的發(fā)展與應(yīng)用常用機(jī)器視覺開發(fā)軟件2.NIVisionAssistantNI公司的視覺開發(fā)模塊是專為從事開發(fā)機(jī)器視覺和科學(xué)成像應(yīng)用的科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員設(shè)計(jì)的。該模塊包括NIVisionBuilder和IMAQVison兩部分。VisionBuilder是一個(gè)交互式的開發(fā)環(huán)境，開發(fā)人員無(wú)需編程，即能快速完成視覺應(yīng)用系統(tǒng)模型的建立；IMAQVision是一個(gè)包含各種圖像處理函數(shù)的功能庫(kù)，它將400多種函數(shù)集成到LabVIEW和MeasurementStudio、LabWindows/CVI、VisualC++及VisualBasic開發(fā)環(huán)境中，為圖像處理提供了完整的開發(fā)功能。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理NIVisionAssistant可自動(dòng)生成LabVIEW程序框圖,該程序框圖中包含NIVisionAssistant建模時(shí)一系列操作的相同功能，可以將程序框圖集成到自動(dòng)化應(yīng)用或生產(chǎn)測(cè)試應(yīng)用中，用于運(yùn)動(dòng)控制、儀器控制和數(shù)據(jù)采集等，其主要功能如下：高級(jí)機(jī)器視覺、圖像處理功能及顯示工具。2）

高速模式匹配功能，用來(lái)定位大小、方向各異的多種對(duì)象，甚至在光線不佳時(shí)也可實(shí)現(xiàn)。3)用于計(jì)算82個(gè)參數(shù)(包括對(duì)象的面積、周長(zhǎng)和位置等)的顆粒分析(BlobAnaly-sis)功能。一維、二維條碼和OCR讀取工具。用于糾正透鏡變形和相機(jī)視角的圖像校準(zhǔn)功能。6)灰度、彩色和二值圖像處理及分析功能。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理3.HALCON來(lái)自德國(guó)MVTec公司的圖像處理軟件.HALCON源自學(xué)術(shù)界，它有別于市面上一般的商用軟件包。事實(shí)上，HALCON是一個(gè)圖像處理庫(kù)，它由1000多個(gè)各自獨(dú)立的函數(shù)以及底層的數(shù)據(jù)管理核心構(gòu)成。其中包含了各類濾波、色彩以及數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換、形態(tài)學(xué)計(jì)算分析、校正、分類辨識(shí)、形狀搜尋等基本的幾何和影像計(jì)算功能，由于這些功能大多并非針對(duì)特定工作而設(shè)計(jì)，因此只要涉及圖像處理，就可以利用HALCON強(qiáng)大的計(jì)算分析能力來(lái)完成工作，其應(yīng)用范圍幾乎沒有限制，涵蓋從醫(yī)學(xué)、遙感探測(cè)、監(jiān)控，到工業(yè)上的各類自動(dòng)化檢測(cè)等眾多領(lǐng)域。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理HAICON支持Windows、Linux和Macosx等操作環(huán)境。整個(gè)函數(shù)庫(kù)可以用C、C++、C#、VisualBasie(VB）和Delphi等多種普通編程語(yǔ)言訪問。HALCON為大量的圖像獲取設(shè)備（包括百余種工業(yè)相機(jī)和圖像采集卡，如GenlCam、GigE和IIDC1394等）提供接口，保證了硬件的獨(dú)立性。HALCON具有以下特點(diǎn)：1）為了讓使用者能在最短的時(shí)間里開發(fā)出視覺系統(tǒng)，HAICON使用了一種交互式程序設(shè)計(jì)界面HDevelop，可在其中以HALCON程序代碼直接撰寫、修改、執(zhí)行程序，并且可以查看計(jì)算過(guò)程中的所有變量，設(shè)計(jì)完成后，可以直接輸出C、C++、VB、C#、VB.NET等程序代碼。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理2)HAICON不限制取像設(shè)備，用戶可以自行挑選合適的設(shè)備。原廠已提供60余種相機(jī)的驅(qū)動(dòng)鏈接，即使是尚末支持的相機(jī)，除了可以通過(guò)指針(Pointer)輕易地抓取影像，還可以利用HALCON的開放式架構(gòu)，自行撰寫DLL文件和系統(tǒng)鏈接。3)HAICON提供了強(qiáng)大的三維視覺處理功能，其所有三維技術(shù)，如多目立體視覺，都可用于表面重構(gòu)。同時(shí)也支持直接通過(guò)現(xiàn)成的三維硬件掃描儀進(jìn)行三維重構(gòu)。此外，針對(duì)表面檢測(cè)中的特殊應(yīng)用，HIAICON對(duì)光度立體視覺方法進(jìn)行了改善。不僅如此，HALCON現(xiàn)在還支持許多三維目標(biāo)處理方法，如點(diǎn)云的計(jì)算和三角測(cè)量、形狀和體積等特征計(jì)算、通過(guò)切面進(jìn)行點(diǎn)云分割等。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理4.VisionMaster?？禉C(jī)器人公司。常用。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理20世紀(jì)50年代20世紀(jì)60年代20世紀(jì)70年代20世紀(jì)80年代從模式識(shí)別開始，主要集中在二維圖像分析和識(shí)別。如字符識(shí)別、工件表面檢測(cè)、顯微圖片等。機(jī)器視覺概念提出麻省理工人工智能實(shí)驗(yàn)

室正式開設(shè)“機(jī)器視覺”課程。實(shí)驗(yàn)室提出著名

“馬爾視覺理論”。CCD圖像傳感器和CCD相機(jī)替代硅靶設(shè)備，是一個(gè)重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。真正開始發(fā)展美國(guó)學(xué)者拉里·羅伯茨開創(chuàng)了三維

機(jī)器視覺的研究。提出“積木世界”分析方法。開始研究3D視覺開始了全球性的機(jī)器視覺研究熱潮，出現(xiàn)了絮都新的研究方法和理論。進(jìn)入發(fā)展上升期國(guó)外機(jī)器視覺發(fā)展史20世紀(jì)90年代理論得到進(jìn)一步發(fā)展，開始在工業(yè)領(lǐng)域得倒

應(yīng)用。主要的機(jī)器視覺廠商還未進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。發(fā)展趨于成熟21世紀(jì)，機(jī)

器視覺技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺發(fā)展史國(guó)外機(jī)器視覺發(fā)展史美國(guó)學(xué)者L.R.羅伯茲關(guān)于理解多面體組成的“積木世界”當(dāng)時(shí)運(yùn)用的預(yù)處理、邊緣檢測(cè)、輪廓線構(gòu)成、對(duì)象建模、匹配等技術(shù)，后來(lái)一直在機(jī)器視覺中應(yīng)用。羅伯茲在圖像分析過(guò)程中，采用了自底向上的方法。用邊緣檢測(cè)技術(shù)來(lái)確定輪廓線，用區(qū)域分析技術(shù)將圖像劃分為由灰度相近的像素組成的區(qū)域，這些技術(shù)統(tǒng)稱為圖像分割。其目的在于用輪廓線和區(qū)域?qū)λ治龅膱D像進(jìn)行描述，以便同機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的模型進(jìn)行比較匹配。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理國(guó)外機(jī)器視覺發(fā)展史David

Marr提出了不同于“積木世界”分析方法的計(jì)算機(jī)視覺(computationalvision)理論——也就是著名的“馬爾視覺理論”馬爾計(jì)算視覺理論包含二個(gè)主要觀點(diǎn)：首先，馬爾認(rèn)為人類視覺的主要功能是復(fù)原三維場(chǎng)景的可見幾何表面，即三維重建問題；其次，馬爾認(rèn)為這種從二維圖像到三維幾何結(jié)構(gòu)的復(fù)原過(guò)程是可以通過(guò)計(jì)算完成的，并提出了一套完整的計(jì)算理論和方法。因此，馬爾視覺計(jì)算理論在一些文獻(xiàn)中也被稱為三維重建理論。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理初期階段引入階段發(fā)展階段高速發(fā)展階段1990-1997在大學(xué)與一些研究所開始研究圖像處理與模式識(shí)別。市場(chǎng)需求不大，工業(yè)界對(duì)機(jī)器視覺缺少認(rèn)知。times2003-2007開始出現(xiàn)一些企業(yè)對(duì)視覺軟硬件進(jìn)行自主核心技術(shù)研發(fā)，生產(chǎn)產(chǎn)線開始有實(shí)際應(yīng)用。times1998-2002中國(guó)企業(yè)主要通過(guò)代理業(yè)務(wù)對(duì)客戶進(jìn)行服務(wù)。初步了解圖像采集與處理過(guò)程，能夠建立起一些簡(jiǎn)單的視覺應(yīng)用系統(tǒng)。times2008-Now機(jī)器視覺發(fā)展迅猛，傳

統(tǒng)制造業(yè)面臨新的顛覆。越來(lái)越多自動(dòng)化產(chǎn)線引

入機(jī)器視覺，中國(guó)成為

增長(zhǎng)速度最快地區(qū)之一。times國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺發(fā)展史機(jī)器視覺廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)行業(yè)，帶來(lái)哪些變化?1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺引入階段：許多著名視覺廠商，諸如：Cognex、DVT、CCS、Data

Translation、Matrix、Coreco等等開始接觸中國(guó)市場(chǎng)尋求本地合作伙伴。機(jī)器視覺發(fā)展階段：本土機(jī)器視覺企業(yè)開始起步探索更多由自主核心技術(shù)承載的機(jī)器視覺軟硬件器件的研發(fā)。器件層：國(guó)內(nèi)廠商陸續(xù)推出了全系列模擬接口和USB2.0接口的相機(jī)和采集卡，逐漸占據(jù)入門級(jí)市場(chǎng)。設(shè)備和系統(tǒng)集成：例如PCB檢測(cè)，SMT檢測(cè)等等設(shè)備國(guó)產(chǎn)設(shè)備迅速興起，憑借產(chǎn)品性價(jià)比和服務(wù)的優(yōu)勢(shì)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)相關(guān)市場(chǎng)需求。部分海外從業(yè)人員回國(guó)創(chuàng)業(yè)，一些高端設(shè)備，如LCD的前道檢測(cè)設(shè)備也開始在國(guó)內(nèi)落地，應(yīng)用在在部分產(chǎn)業(yè)如汽車，制藥包裝等。國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺發(fā)展史1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理國(guó)內(nèi)機(jī)器視覺發(fā)展史機(jī)器視覺高速發(fā)展階段：眾多機(jī)器視覺各種核心器件研發(fā)廠商出現(xiàn)，從相機(jī)、采集卡、光源、鏡頭到圖像處理軟件，這些產(chǎn)品在廣泛實(shí)踐中不斷完善，國(guó)內(nèi)企業(yè)的視覺技術(shù)能力也得到了長(zhǎng)足的積累和進(jìn)步。從此打破了國(guó)外廠商的壟斷地位。隨著視覺技術(shù)在PCB、SMT、半導(dǎo)體、太陽(yáng)能、LCD、煙草、印刷、表面檢測(cè)、制藥包裝、汽車等多個(gè)行業(yè)的

廣泛深度應(yīng)用，特別值得一提的是消費(fèi)電子類產(chǎn)品，如手機(jī)，電腦等等組裝生產(chǎn)過(guò)程中的引導(dǎo)，測(cè)量，有無(wú)檢測(cè)等相關(guān)需求的不斷涌現(xiàn)，使得一大批真正的系統(tǒng)級(jí)工程師被培養(yǎng)出來(lái)。他們能夠從系統(tǒng)的角度設(shè)計(jì)相關(guān)的視覺系統(tǒng)，掌握視覺和自動(dòng)化相關(guān)的綜合知識(shí)，最終將視覺的價(jià)值發(fā)揮到更多的領(lǐng)域中解決各類實(shí)際問題。在此過(guò)程中整個(gè)視覺產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值和規(guī)模也逐年高速攀升，影響飛速擴(kuò)大。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺的四大功能機(jī)器視覺就是采用成像技術(shù)，獲取被測(cè)目標(biāo)的圖像，再經(jīng)過(guò)快速圖像處理與圖像識(shí)別算法，從攝取圖像中獲取目標(biāo)的尺寸、方位、光譜結(jié)構(gòu)、缺陷等信息，從而可以執(zhí)行產(chǎn)品的檢驗(yàn)、分類與分組、裝配線上的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)、零部件的識(shí)別與定位、生產(chǎn)過(guò)程中質(zhì)量監(jiān)控與過(guò)程反饋等任務(wù)。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理機(jī)器視覺應(yīng)用場(chǎng)景圖1.2-11機(jī)器視覺的四大應(yīng)用GIGE機(jī)器視覺的四大功能①引導(dǎo)(Guide):實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，提供靈活性。通過(guò)提取到的信息來(lái)指導(dǎo)執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行下一步的邏輯運(yùn)動(dòng)。②檢測(cè)(Inspect):其實(shí)就是更側(cè)重于對(duì)設(shè)定的目標(biāo)跟實(shí)際的目標(biāo)進(jìn)行判斷，OK或者NG判斷功能。如有無(wú)缺陷。③測(cè)量(Gauge):如測(cè)量工件尺寸信息。④識(shí)別(Identify):用于對(duì)產(chǎn)品信息的追溯，如讀取二維碼、條形碼，再結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)的功能實(shí)現(xiàn)可控物料流程，實(shí)現(xiàn)可追溯性，收集重要數(shù)據(jù)，也是目前很重要的應(yīng)用之一。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理四大典型應(yīng)用·視覺檢測(cè)傳統(tǒng)人工檢測(cè)視覺檢測(cè)技術(shù)人眼容易疲勞，受人工熟練程度和工作狀態(tài)等主觀因素影響，檢測(cè)出來(lái)的品質(zhì)不穩(wěn)定。機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。采用機(jī)器視覺技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)觀、外觀等多角度進(jìn)行檢測(cè)。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理四大典型應(yīng)用·視覺檢測(cè)有/無(wú)判斷（Presence

Check）面積檢測(cè)（Size

Inspection）方向檢測(cè)（Direction

Inspection）角度檢測(cè)（Angle

Inspection）位置檢測(cè)（Position

Detection）圖形匹配（Image

Matching）數(shù)量檢測(cè)（Quantity

Count）顏色識(shí)別（Color

Verification）標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)功能1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理四大典型應(yīng)用·視覺定位傳統(tǒng)人工定位視覺定位技術(shù)傳統(tǒng)的人工定位方法，檢測(cè)人員的眼睛容易疲勞，不同的人對(duì)定位判斷標(biāo)準(zhǔn)有浮動(dòng)，且速度慢、精度低。機(jī)器視覺定位技術(shù)能夠自動(dòng)判斷物體的位置，并將位置信息通過(guò)一定的通信協(xié)議輸出。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理四大典型應(yīng)用·視覺定位視覺定位應(yīng)用機(jī)器人上下料機(jī)器人碼垛無(wú)序分揀機(jī)器人打磨傳送帶跟蹤對(duì)位貼合定位組裝1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理四大典型應(yīng)用·視覺測(cè)量傳統(tǒng)人工測(cè)量機(jī)器視覺測(cè)量技術(shù)典型的方法是利用卡尺或千分尺在被測(cè)物體工件上針對(duì)某個(gè)參數(shù)進(jìn)行多次測(cè)量后取平均值。這些檢測(cè)手段測(cè)試速度慢、測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)處理，不適合自動(dòng)化的生產(chǎn)?？梢栽诰€測(cè)量，就是在生產(chǎn)線上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，這樣可以及時(shí)地得到產(chǎn)品的測(cè)量信息，并實(shí)時(shí)反饋給生產(chǎn)設(shè)備，來(lái)改進(jìn)工藝、提高制造精度、降低廢品率。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理四大典型應(yīng)用·讀碼與識(shí)別傳統(tǒng)人工讀碼與識(shí)別機(jī)器視覺讀碼與識(shí)別技術(shù)識(shí)別速度很慢，同時(shí)受條碼印刷技術(shù)和材質(zhì)、產(chǎn)品本身在產(chǎn)線上的運(yùn)動(dòng)速度和角度影響，識(shí)別準(zhǔn)確率難以保證。機(jī)器視覺技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行采集、處理、分析和理解，可以對(duì)各種材質(zhì)表面的條碼或二維碼進(jìn)行讀取識(shí)別，大大提高了現(xiàn)代化生產(chǎn)的效率。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理習(xí)題與思考：你見過(guò)的機(jī)器視覺應(yīng)用場(chǎng)景有哪些呢？你覺得哪些場(chǎng)景可以用到機(jī)器視覺技術(shù)呢？請(qǐng)舉例說(shuō)明。1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理習(xí)題：1.機(jī)器視覺是_________________________2.機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成包括____、____、_____、_____3.機(jī)器視覺的四大類應(yīng)用分別是____、_____、_____、_____4.寫出你知道的機(jī)器視覺開發(fā)軟件。5.列舉1~2個(gè)機(jī)器視覺應(yīng)用案例，并解釋其工作原理。6.機(jī)器視覺系統(tǒng)中涉及哪些通訊環(huán)節(jié)或技術(shù)？1.2什么是機(jī)器視覺？與工業(yè)相機(jī)的關(guān)系是怎樣的？工業(yè)相機(jī)原理第1章緒論1.3.工業(yè)相機(jī)基本成像原理1.3.1相機(jī)成像原理與發(fā)展過(guò)程1.3.2數(shù)字圖像的表示與格式工業(yè)相機(jī)原理1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，其本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。工業(yè)相機(jī)原理1.3.1相機(jī)成像原理與發(fā)展過(guò)程一、成像的基本光學(xué)原理在發(fā)明相機(jī)之前，人們就已經(jīng)開始利用小孔成像原理制造各類光學(xué)成像裝置，這種裝置被稱為暗箱。19世紀(jì)上半葉，人們終于找到了固定保存暗箱中投影面上光學(xué)圖像的方法與介質(zhì)，照相機(jī)工業(yè)由此發(fā)端，因此暗箱被認(rèn)為是照相機(jī)的祖先。圖1.3-1為相機(jī)成像示意圖，照相機(jī)的成像原理即來(lái)源于小孔成像，鏡頭是智能化的小孔，通過(guò)復(fù)雜的鏡頭組件實(shí)現(xiàn)不同的成像距離(即俗稱的各個(gè)焦段)。1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理圖1.3-1成像的基本光學(xué)原理一、成像的基本光學(xué)原理對(duì)于膠片相機(jī)而言，景物的反射光線經(jīng)過(guò)鏡頭的會(huì)聚，在膠片上形成潛影，這個(gè)潛影是光和膠片上的乳劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，再經(jīng)過(guò)顯影和定影處理形成影像。數(shù)字相機(jī)是通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)將影像聚焦在成像元件CCD/CMOS上，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器將每個(gè)像素上的光電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)碼信號(hào)再經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)處理成數(shù)碼圖像，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)介質(zhì)中。1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理工業(yè)相機(jī)原理1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理二、相機(jī)的發(fā)展過(guò)程三、數(shù)字圖像的表示與格式

工業(yè)相機(jī)最本質(zhì)的功能就是通過(guò)CCD或CMOS成像傳感器將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻碾娦盘?hào)，并將這些信息通過(guò)相應(yīng)接口傳送到計(jì)算機(jī)。

1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理什么是圖像？圖像是當(dāng)光輻射能量照在物體上，經(jīng)過(guò)它的反射或透射，或由發(fā)光物體本身發(fā)出的光能量，在人的視覺器官中所重現(xiàn)出的物體的視覺信息。模擬圖像和數(shù)字圖像按照?qǐng)D像信息的坐標(biāo)取值是否連續(xù)，分為模擬圖像和數(shù)字圖像。模擬圖像：坐標(biāo)（ｘ,ｙ）為連續(xù)值，Ｉ＝ｆ（ｘ,ｙ）表示該點(diǎn)的某個(gè)性質(zhì)的度量值。比如說(shuō)照片，繪畫等。數(shù)字圖像：坐標(biāo)（ｘ,ｙ）為離散值，采樣形成像素點(diǎn)(pixel)，從而形成了離散的二維矩陣。數(shù)碼相機(jī)、計(jì)算機(jī)處理的圖像都屬于數(shù)字圖像。1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理一幅m×n的數(shù)字圖像可用矩陣表示為數(shù)字圖像中的每個(gè)像素(pixel)都對(duì)應(yīng)于矩陣中相應(yīng)的元素。把數(shù)字圖像表示成矩陣的優(yōu)點(diǎn)在于，能應(yīng)用矩陣?yán)碚搶?duì)圖像進(jìn)行分析處理。1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理圖像表示對(duì)比2.二值圖像是指像素灰度只有兩級(jí)（通常取0（黑色）或1（白色））；1.灰度圖像是指每個(gè)像素由一個(gè)量化灰度來(lái)描述的圖像，沒有彩色信息；1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理3.彩色圖像是指每個(gè)像素由紅、綠、藍(lán)（分別用R、G、B表示）3原色構(gòu)成的圖像，其中R、G、B是由不同的灰度級(jí)描述的。1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理數(shù)字圖象的產(chǎn)生3D場(chǎng)景經(jīng)過(guò)光學(xué)器件在圖像傳感器靶面上成像，感光器件把收到的光能轉(zhuǎn)換成電荷，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行顯示處理就可顯示圖象，如圖所示。數(shù)字圖像的產(chǎn)生數(shù)字相機(jī)工作原理常見產(chǎn)生數(shù)字圖像的設(shè)備有CCD/CMOS攝像機(jī)：CCD電耦合器件，CMOS互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體。1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理圖象量化與圖像灰度灰度圖是指只含亮度信息，不含色彩信息的圖像。就像我們平時(shí)見到的亮度由暗到明的黑邊照片，變化是連續(xù)的。因此要表示灰度圖，就需要把亮度值進(jìn)行量化。通常劃分成0到255共256個(gè)灰度等級(jí)（位深=8），0表示全黑，255表示全白（最亮）。灰度圖使用比較方便，首先GRB的值都一樣，其次是圖像數(shù)據(jù)即調(diào)色板索引值，也就是實(shí)際的RGB

的亮度值。另外，因?yàn)槭?56色的調(diào)色板，所以圖像數(shù)據(jù)中一個(gè)字節(jié)代表一個(gè)像素。因此，機(jī)器視覺一般采用灰度圖。如果不特殊說(shuō)明，都是針對(duì)256級(jí)灰度圖的。BMP格式的文件中并沒灰度圖這個(gè)概念，但可用256色的調(diào)色板表示灰度：即令每一項(xiàng)的RGB值都相同，即R=G=B，這樣灰色圖就可以用256色圖來(lái)表示了。1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理數(shù)字圖像格式圖像經(jīng)過(guò)數(shù)字化后，圖像數(shù)據(jù)必須采用一定格式存儲(chǔ)成圖像文件才可能顯示、處理及傳送。圖像文件需包含的主要內(nèi)容有：①描述圖像各種物理特征的數(shù)據(jù)，如圖像寬度、亮度；②顏色定義：如何描述圖像色彩，如描述一個(gè)像素所需位數(shù)。常見圖像格式有很多種，如BMP、TIFF、JPEG、MPEG等等，但機(jī)器視覺所用的圖像一般都是經(jīng)壓縮的原始數(shù)據(jù)。BMP格式圖像BMP圖像文件格式是Microsoft為其Windows環(huán)境設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)圖像格式。隨著Windows操作系統(tǒng)的普及，BMP文件格式成為流行圖像格式，所有圖像處理軟件都支持BMP。1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理BMP文件組成：文件頭，位圖信息頭，圖像數(shù)據(jù)定義①

文件頭：對(duì)文件屬性進(jìn)行說(shuō)明，包含文件大小、圖像數(shù)據(jù)相對(duì)于文件頭的偏移量等等；為了便于擴(kuò)展，還保留了四個(gè)字節(jié)。文件頭定義偏移量0~1字節(jié)內(nèi)容BMP文件格式表示：BM,ASCII碼：0x424D。字節(jié)數(shù)22~5字節(jié)文件大小（以字節(jié)為單位）46~7字節(jié)保留字，值為0。28~9字節(jié)保留字，值為0。210~13字節(jié)圖像數(shù)據(jù)相對(duì)于文件頭的偏移量41.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理②

位圖信息頭：位圖信息頭包含圖像的尺寸、圖像是否壓縮、圖像所用的顏色數(shù)（調(diào)色板）位圖信息頭的定義b偏移量?jī)?nèi)容字節(jié)數(shù)14~17字節(jié)信息頭所占字節(jié)數(shù)，固定值為40418~21字節(jié)圖像寬度，以像素為單位422~25字節(jié)圖像高度，以像素為單位426~27字節(jié)目標(biāo)設(shè)備平面數(shù)，必須為1228~29字節(jié)描述每個(gè)像素所需位圖（位深）2位圖信息頭的定義a偏移量?jī)?nèi)容字節(jié)數(shù)30~33字節(jié)位圖的壓縮類型，有三種取值434~37字節(jié)圖像數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)438~41字節(jié)目標(biāo)設(shè)備水平方向分辨率442~45字節(jié)目標(biāo)設(shè)備垂直方向分辨率446~49字節(jié)該圖像實(shí)際用到的顏色數(shù)。若為0，則是2的“位深”次方。450~53字節(jié)重要顏色數(shù)。若為0則所有顏色都重要4其中：位深--某數(shù)值的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù),二值圖像的位深為1；16色圖像的位深為4；256色圖像的位深為8；真彩色圖像的位深為24；三種壓縮類型--“0”表示不壓縮；“1”表示壓縮方法是BI_RLE8;“2”表示壓縮方法是BI_RLE4。1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理③

圖像數(shù)據(jù)定義圖像數(shù)據(jù)的表示方法，如下圖從圖像左下角開始，按照從左到右、從下到上的順序逐個(gè)像素記錄顏色值。圖1.3-7圖像數(shù)據(jù)的掃描記錄1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理1.3工業(yè)相機(jī)基本成像原理工業(yè)相機(jī)原理圖1.3-8圖像數(shù)據(jù)的保存工業(yè)相機(jī)原理87工業(yè)相機(jī)原理主編：李紹麗，李德健，田野第二章基礎(chǔ)知識(shí)2.1.圖像解析原理2.2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理圖像掃描是產(chǎn)生圖像視覺的關(guān)鍵技術(shù),也是學(xué)習(xí)和掌握?qǐng)D像傳感器，利用圖像傳感器完成機(jī)器視覺檢測(cè)與識(shí)別的關(guān)鍵。本章主要介紹利用各種光電傳感器完成對(duì)圖像信息進(jìn)行采集的方法和類別，以及還原圖像(圖像顯示)的技術(shù),為學(xué)習(xí)圖像傳感器的基本工作原理奠定基礎(chǔ)。將場(chǎng)景圖像分解(變換)成一維時(shí)序信號(hào)?如何將一維時(shí)序信號(hào)還原成圖像畫面？是本章要解決的兩個(gè)問題。顯然,它包括圖像掃描(分解)的基本原理,一維時(shí)序信號(hào)的特點(diǎn),電視制式包含的內(nèi)容,以及圖像顯示技術(shù)等。第二章基礎(chǔ)知識(shí)工業(yè)相機(jī)原理第二章基礎(chǔ)知識(shí)2.1.圖像解析原理2.1.1圖像的解析方法2.1.2圖像傳感器的基本技術(shù)參數(shù)工業(yè)相機(jī)原理二維場(chǎng)景只有通過(guò)成像物鏡(鏡頭)才能使感光底片感光,將場(chǎng)景圖像留于感光膠片上。很多人已經(jīng)熟知,如何將場(chǎng)景二維空間光強(qiáng)的分布(光學(xué)圖像)傳送出去,以便于更方便地觀察、分析與判斷其中所需要的信息,以及如何將遙遠(yuǎn)的圖像傳送到人們的面前。但其中的工作原理卻都不知道。其中包括圖像解析(分解)、信號(hào)發(fā)送、接收與再現(xiàn)等過(guò)程。圖像解析是指將二維光強(qiáng)分布的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變成一維時(shí)序電信號(hào)的過(guò)程。完成圖像解析過(guò)程的器件常稱其為圖像傳感器,如CCD圖像傳感器。CCD圖像傳感器又是如何將通過(guò)成像物鏡獲得的二維光強(qiáng)分布變換成一維時(shí)序信號(hào)輸出的呢?要解決這個(gè)問題需要詳細(xì)了解圖像的解析方法與原理。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理1.1圖像的解析方法1.光機(jī)掃描圖像解析方法光機(jī)掃描圖像解析方法是借助于光電傳感器完成的,光電傳感器有分立的和集成的兩類。集成的又分為線陣列與面陣列的,為了便于學(xué)習(xí),先討論單元光電傳感器光機(jī)掃描方式對(duì)圖像的解析。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理1.1圖像的解析方法(1)單元光電傳感器光機(jī)掃描方式采用單元光電傳感器(包括各種獨(dú)立光電傳感器、熱電傳感器等)與機(jī)械掃描裝置相配合可以將一幅完整的圖像分解成按行與列方式排列的點(diǎn)元光信息,單元光電傳感器將這些點(diǎn)元圖像轉(zhuǎn)換成電信息輸出Uxy,其中,x為圖像的行(x)坐標(biāo),y為圖像的列(y)坐標(biāo)。當(dāng)單元光電傳感器以一定的速率做相對(duì)于光學(xué)圖像運(yùn)動(dòng)時(shí)(如圖2.1-1所示的運(yùn)動(dòng)),則輸出信號(hào)電壓Uxy成為光學(xué)圖像的解析信息(或信號(hào)),即信號(hào)電壓Uxy解析了光學(xué)圖像。為此,可以將具有機(jī)械掃描裝置的單元光電傳感器系統(tǒng)稱為單元掃描圖像傳感器。這里指自然場(chǎng)景圖像1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理圖2.1-1單元光機(jī)掃描方式原理圖顯然,單元掃描圖像傳感器必須具備以下條件：①單元光電傳感器的面積與被掃描圖像的面積相比必須很小,才可以將圖像分解為一個(gè)像元點(diǎn);②單元光電傳感器必須對(duì)圖像發(fā)出各種波長(zhǎng)的光敏感；③單元光電傳感器必須相對(duì)被分解圖像做有規(guī)則的周期運(yùn)動(dòng)(掃描),且掃描速率應(yīng)該較圖像的變化速率快。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)帶動(dòng)單元光電傳感器的光敏面在光學(xué)圖像上做水平(x)方向高速往返運(yùn)動(dòng)的過(guò)程稱為行掃描。行掃描中,自左向右運(yùn)動(dòng)速率較慢,掃描花費(fèi)的時(shí)間(Txz)長(zhǎng),稱其為行正程時(shí)間;自右向左的返回運(yùn)動(dòng)速率快,所用時(shí)間(Txr)短,稱其為行逆程時(shí)間。行正程行逆程場(chǎng)逆程場(chǎng)正程一種可能的掃描方式1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理在垂直(y)方向所做的掃描為場(chǎng)掃描,自上而下的掃描速率更慢,所用時(shí)間(Tyz)更長(zhǎng),稱為場(chǎng)正程掃描:返回的運(yùn)動(dòng)是自下而上的,且運(yùn)動(dòng)速率較快,所耗時(shí)間(Tyr)較短,稱為場(chǎng)逆程時(shí)間。上下往返的運(yùn)動(dòng)稱為場(chǎng)掃描。通常場(chǎng)掃描周期遠(yuǎn)大于行掃描周期,即在一場(chǎng)掃描周期內(nèi)要進(jìn)行多次的行掃描。這樣才能使圖像在垂直方向上獲取更高的分辨率。行正程行逆程場(chǎng)逆程場(chǎng)正程一種可能的掃描方式1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理規(guī)定行、場(chǎng)正程掃描過(guò)程中都有輸出信號(hào)Uxy,而行、場(chǎng)逆程期間均沒有信號(hào)輸出,以確保圖像的質(zhì)量。在使用CRT顯示器顯示圖像時(shí),在行、場(chǎng)逆程期間采用對(duì)掃描電子束“消隱”的技術(shù),不使逆程顯現(xiàn)掃描亮線,因此,有時(shí)也稱行逆程為行消隱,場(chǎng)逆程為場(chǎng)消隱。行、場(chǎng)掃描應(yīng)滿足下面兩個(gè)條件：①行周期與場(chǎng)周期滿足T

y=nTx(1-1)式中,Ty為光敏單元掃描整幅圖像的場(chǎng)周期。Ty為場(chǎng)正程時(shí)間Tyz與場(chǎng)逆程時(shí)間Tyr之和。同樣,Tx為光敏單元掃描一行圖像所用的時(shí)間,稱為行周期。它也由行正程時(shí)間Txz與逆程時(shí)間Txr之和構(gòu)成,即Tx=Txz+Txr。其中n為一場(chǎng)圖像掃描的行數(shù)。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理②行、場(chǎng)掃描的時(shí)間分配。為將圖像分解得更清晰,光敏單元的軌跡將布滿整個(gè)像面,光敏單元輸出的信號(hào)是光學(xué)圖像對(duì)應(yīng)位置的光照強(qiáng)度信號(hào)。這常被稱為光敏單元對(duì)光學(xué)圖像的解析。為此將光敏單元稱為像元(像素),它的輸出信號(hào)是時(shí)間的一元函數(shù)(時(shí)序信號(hào)),因此該光機(jī)掃描機(jī)構(gòu)能夠?qū)⒐鈱W(xué)圖像解析成一維的視頻信號(hào)輸出。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理當(dāng)然,光機(jī)掃描方式也可以采用停頓方式進(jìn)行間斷式工作。在y方向掃描到某行yi時(shí),暫停y方向的掃描,掃描完x方向的一行后再啟動(dòng)y掃描,光電傳感器輸出一行的信號(hào)后返回到x方向的起始位置,啟動(dòng)y方向的掃描,再前進(jìn)一行,進(jìn)入第y+1行的掃描,再進(jìn)行一行的掃描與輸出,如此往復(fù),完成對(duì)整個(gè)像面的掃描輸出。這種停頓式的掃描方式速度慢,只適用于靜止圖像的分解、轉(zhuǎn)換,不能用于變化圖像的轉(zhuǎn)換和采集工作,但是,它很容易獲得更清晰的掃描圖像。一種可能的間歇式掃描行正程行逆程場(chǎng)逆程場(chǎng)正程1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理單元光電傳感器的光機(jī)掃描方式的水平分辨率正比于光學(xué)圖像水平方向的尺寸與光電傳感器光敏面在水平方向的尺寸之比。對(duì)于尺度較大的圖像,一行之內(nèi)(行正程時(shí)間內(nèi))輸出的像元點(diǎn)數(shù)越多,水平分辨率自然也越高。同樣,垂直分辨率也正比于光學(xué)圖像垂直方向的尺寸與光電傳感器光敏面在垂直方向的尺寸之比。因此,減小光電傳感器的面積是提高光機(jī)掃描方式分辨率的有效方法。然而,光電傳感器光敏面的減小,掃描點(diǎn)數(shù)的提高,使行正程的時(shí)間增長(zhǎng),或必須提高行掃描速度(當(dāng)要求行正程時(shí)間不變的情況下),對(duì)光機(jī)掃描結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的難度。因此,單元光電傳感器光機(jī)掃描方式的水平分辨率受到掃描速度的限制。提高光機(jī)掃描方式分辨率與掃描速度的方法是,采用多元光電自掃描傳感器(例如線陣CCD)構(gòu)成多元光機(jī)掃描方式。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理(2)多元光機(jī)掃描方式采用多個(gè)光電傳感器,并將其排成一行,構(gòu)成如圖2.1-4所示的多元光機(jī)掃描方式。在該方式中,行掃描通過(guò)光電傳感器的順序輸出完成。在行正程期間,按排列順序?qū)⒐怆妭鞲衅鞯妮敵鲂盘?hào)取出形成行視頻信號(hào)。在這種情況下,機(jī)械掃描只需要進(jìn)行y方向的一維掃描便可以將整幅圖像轉(zhuǎn)換成視頻信號(hào)輸出,彌補(bǔ)了機(jī)械掃描速度慢的缺點(diǎn),同時(shí)減少了雙向行掃描帶來(lái)的繁雜機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理圖2.1-4多元光機(jī)掃描方式原理圖例如,由線陣CCD光電傳感器構(gòu)成的圖像掃描儀是一個(gè)典型的多元光機(jī)掃描系統(tǒng),該系經(jīng)線陣CCD完成水平方向的自掃描,而y方向由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)光學(xué)成像系統(tǒng)完成對(duì)整幅圖像的掃描運(yùn)動(dòng),再由線陣CCD完成對(duì)整幅圖像的轉(zhuǎn)換與輸出。一些生產(chǎn)線上的質(zhì)量檢測(cè)也屬于多元光機(jī)掃描方式成像的案例,例如玻璃表面瑕疵的檢測(cè)。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理圖2.1-5多元光機(jī)掃描成像示意圖2.電子束掃描圖像解析方法電子束掃描方式的傳感器是最早應(yīng)用于圖像傳感器的,如早期的各種電真空攝像管,真空視像管,以及紅外成像系統(tǒng)中的熱釋電攝像管等。在這種電子束掃描成像方式中,被攝景物圖像通過(guò)像物鏡成像在攝像管(見圖1-3)的靶面(光電導(dǎo)靶)上,以靶面的電位分布或以靶面的電阻分布形式將面元光強(qiáng)度分布圖像信號(hào)存于靶面,并通過(guò)電子束將其檢取出來(lái),形成視頻信號(hào)。預(yù)熱后的燈絲發(fā)出的電子束在攝像管偏轉(zhuǎn)線圈與聚焦線圈的作用下,進(jìn)行行掃描與場(chǎng)掃描,完成對(duì)整個(gè)圖像的掃描(或分解)。當(dāng)然,行掃描與場(chǎng)掃描要遵守一定的規(guī)則。電子束攝像管電子掃描系統(tǒng)遵循的則稱為電視制式。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理電子束掃到靶面某點(diǎn)(x,y),由于該點(diǎn)記錄了圖像光強(qiáng)分布的信息,而電子束帶負(fù)電使之在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生壓降，URL經(jīng)放大器輸出成為視頻信號(hào)。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理圖2.1-6電子束攝像管的結(jié)構(gòu)3.固體自掃描圖像解析方法固體自掃描圖像傳感器是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的新型圖像傳感器件,如面陣CCD器件、CMOS圖像傳感器件等,這類器件本身具有自掃描功能。例如面陣CCD體攝像器件的光敏面夠?qū)⒊上裼谄渖系墓鈱W(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電荷密度分布的電荷圖像,它可以在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下按照一定的規(guī)則(如電視制式)一行行地輸出,形成圖像信號(hào)(或視頻信號(hào))。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理圖2.1-7自掃描成像示意圖上述三種掃描方式中,電子束掃描方式由于電子束攝像管逐漸被固體圖像傳感器所取代,已漸被淘汰。目前光機(jī)掃描方式與固體自掃描方式在光電圖像傳感器中占據(jù)主導(dǎo)地位。但是,在有些應(yīng)用中通過(guò)將一些掃描方式組合起來(lái),能夠獲得性能更為優(yōu)越的圖像傳感器。例如,將幾個(gè)線CCD圖像傳感器或幾個(gè)面陣圖像傳感器拼接起來(lái),再利用機(jī)械掃描機(jī)構(gòu),形成一個(gè)視場(chǎng)更大、分辨率更高的圖像傳感器,以滿足人們探索宇宙奧秘的需要。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理1.2圖像傳感器基本技術(shù)參數(shù)與光電成像器件有關(guān)的參數(shù)(1)掃描速率不同的掃描方式有不同的掃描速率要求。例如,單元光機(jī)掃描方式的掃描速率由掃描機(jī)構(gòu)在水平和垂直兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速率(轉(zhuǎn)動(dòng)角速率)決定。行掃描速率(行正程)vxz取決于光學(xué)圖像在水平方向的尺寸A和行正程時(shí)間Txz,即νxz=A/Txz

（1-2）1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理同樣,垂直方向的場(chǎng)掃描速率(場(chǎng)正程)vyz取決于光學(xué)圖像在垂直方向的尺寸B和場(chǎng)正程時(shí)間Tyz,即νyz=B/Tyz

（1-3）多元光機(jī)掃描方式圖像傳感器的行掃描速率取決于讀取一行像元所需的時(shí)間TH與一行內(nèi)像元數(shù)N,即νxz=N/TH

（1-4）對(duì)應(yīng)于線陣CCD為行積分時(shí)間的數(shù)。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理垂直方向的場(chǎng)掃描速率，取決于光學(xué)圖像在垂直方向的尺寸B和場(chǎng)正程時(shí)間Tyz,即νyz=B/Tyz

（1-5）固體自掃描圖像傳感器的水平掃描速率取決于傳感器水平行的像元數(shù)與行掃描時(shí)間之比;垂直方向的場(chǎng)掃描速率取決于傳感器在垂直方向的像元行數(shù)與場(chǎng)掃描時(shí)間之比。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理(2)分辨率光機(jī)掃描方式圖像傳感器水平方向的分辨率(解像率)δ正比于機(jī)械掃描長(zhǎng)度A與光電傳感器在水平方向的長(zhǎng)度（光電傳感器尺寸）a之比,即顯然,傳感器在水平方向的相對(duì)長(zhǎng)度a越小,水平分辨率越高。當(dāng)然水平分辨率還與成像物鏡的水平分辨率有關(guān)。對(duì)于線陣CCD掃描方式,水平分辨率與線陣CCD分解圖像長(zhǎng)度A及有效像元數(shù)量有關(guān)。顯然,充分利用線陣CCD的像元數(shù)是獲得最高水平分辨率的有效措施。垂直分辨率也與光電傳感器在垂直方向的長(zhǎng)度b有關(guān),另外與垂直方向的掃描長(zhǎng)度及掃描速率有關(guān)。顯然,垂直方向掃描速率越低獲得的垂直分辨率越高。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理固體自掃描圖像傳感器的水平與垂直分辨率分別與器件本身在兩個(gè)方向上的分辨率有關(guān)。1.圖像解析原理工業(yè)相機(jī)原理第二章基礎(chǔ)知識(shí)2.2.圖像的顯示與電視制式2.2.1電視監(jiān)視器的掃描2.2.2電視制式工業(yè)相機(jī)原理前面介紹了利用各種掃描方式將光學(xué)圖像分解成一維視頻信號(hào)的方法。本節(jié)介紹將一維視頻信號(hào)還原成光學(xué)圖像的方法,即圖像的顯示問題。圖像的顯示方法很多,采用計(jì)算機(jī)顯示器可以顯示各種數(shù)字圖形與圖像;也可以采用發(fā)光器件顯示各種不同規(guī)則(制式)的數(shù)字或模擬圖形與圖像。本節(jié)首先介紹電視監(jiān)視器的圖像顯示器及其相關(guān)的電視制式。2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理2.2.1電視監(jiān)視器的掃描CRT電視監(jiān)視器與CRT電視接收機(jī)的顯示部分原理是相同的,它們都是利用電子束激發(fā)具有余輝特性的熒光物質(zhì),使其發(fā)光來(lái)完成電光轉(zhuǎn)換并顯示光學(xué)圖像的。在CRT監(jiān)視器中的電子束在顯像管的電磁偏轉(zhuǎn)線圈作用下受洛倫茲力做水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn)(即行、場(chǎng)兩個(gè)方向掃熒光屏)。電子束掃描的同時(shí),視頻輸出電壓控制電子束的強(qiáng)度,使熒光屏的亮度被視頻信號(hào)調(diào)制。熒光屏的發(fā)光強(qiáng)度與視頻信號(hào)具有如下的函數(shù)關(guān)系Lv=L（Uo）

（1-7）式中,L為與CRT熒光材料有關(guān)的電光轉(zhuǎn)換系數(shù),Uo為遵守電視制式的視頻電壓信號(hào),在行、場(chǎng)掃描鋸齒脈沖的作用下形成電視圖像。2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理電視圖像掃描的場(chǎng)掃描常有逐行掃描與隔行掃描兩種方式,通過(guò)這兩種方式能將攝像機(jī)景物圖像分解成一維全電視信號(hào)輸出,CRT接收全電視信號(hào),再將其解碼出全電視信息,并分解出行場(chǎng)同步控制掃描脈沖,最終,將一維全電視信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像,顯示在熒光屏上。而且,攝像機(jī)與圖像顯示器必須遵守同一個(gè)掃描制式才能確保完整圖像的解析與還原。2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理1.逐行掃描顯像管的電子槍裝有水平與垂直兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)線圈,線圈中分別流過(guò)如圖2.2-1所示的鋸齒波電流,電子束在偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場(chǎng)作用下同時(shí)進(jìn)行水平方向和垂直方向的偏轉(zhuǎn),完成對(duì)顯像管熒光屏的掃描。場(chǎng)掃描電流的周期Tvt遠(yuǎn)大于行掃描的周期Tht,即電子束從上向下的掃描時(shí)間遠(yuǎn)大于水平方向的掃描時(shí)間,在場(chǎng)掃描周期中可以有幾百個(gè)行掃描周期。而且,場(chǎng)掃描周期中電子束由上向下的掃描為場(chǎng)正程，場(chǎng)正程時(shí)間Tvt遠(yuǎn)大于電子束從下面返回初始位置的場(chǎng)逆程時(shí)間Tvr,即Tvt>>Tvr。電子束上下掃一個(gè)來(lái)回的時(shí)間稱為場(chǎng)周期,場(chǎng)周期Tv=Tvt+Tvr.場(chǎng)周期的倒數(shù)為場(chǎng)頻,用fv表示。圖2.2-1逐行掃描電流波形2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理場(chǎng)掃描鋸齒波電流（b）行掃描鋸齒波電流定義電子束自左向右的掃描為行正程,即t1時(shí)刻到t2時(shí)刻的掃描為行正程掃描時(shí)間Tht。電子束從右返回到左邊初始位置的過(guò)程稱為回掃,或?yàn)樾心娉?。顯然,行逆程時(shí)間Thr為t2到t3的時(shí)間，Tht>>Thr。電子束左右掃一個(gè)周期的時(shí)間稱為行周期,行周期Th=Tht+Thr。行周期的倒數(shù)為行頻,用fh表示。

2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理圖2.2-1逐行掃描電流波形場(chǎng)掃描鋸齒波電流（b）行掃描鋸齒波電流在行、場(chǎng)掃描電流的同時(shí)作用下,電子束受水平偏轉(zhuǎn)力和垂直偏轉(zhuǎn)力的合力作用,進(jìn)行掃描。由于電子束在水平方向的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于垂直方向的運(yùn)動(dòng)速度,所以,在屏幕上電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡為如圖2.2-2所示的稍微傾斜的“水平”直線。當(dāng)然,電子束具有一定的動(dòng)能,它將使熒光屏發(fā)出光點(diǎn),它的軌跡成為一條條的光柵。逐行掃描的光柵也如圖2.2-2中所示。2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理圖2.2-2逐行掃描圖像圖2.2-2的一場(chǎng)中只有8行的“水平”光柵,因此光柵的水平度不高。但是當(dāng)一場(chǎng)內(nèi)有幾百行時(shí),水平度自然提高。即一場(chǎng)圖像由幾百行掃描光柵構(gòu)成。無(wú)論是行掃描的逆程,還是場(chǎng)掃描的逆程,都不希望電子束使熒屏發(fā)光,即在回掃時(shí)不讓熒光屏發(fā)光,這就要加入行消隱與場(chǎng)消隱脈沖,使電子束在行逆程與場(chǎng)逆程期間截止。實(shí)際上,行消隱脈沖的寬度常常稍大于行逆程時(shí)間,場(chǎng)消隱脈沖的寬度也稍大于場(chǎng)逆程時(shí)間以確保顯示圖像的質(zhì)量。2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理圖2.2-2逐行掃描圖像逐行掃描方式中的每一場(chǎng)都包含著行掃描的整數(shù)倍,這樣,重復(fù)的圖像才能穩(wěn)定地被顯示。即要求Tv=NTh,或fh=Nfv,其中N為正整數(shù)。逐行掃描的幀頻與場(chǎng)頻相等。對(duì)人眼來(lái)說(shuō),圖像的重復(fù)頻率高于48Hz的圖像分辨不出圖像的變化(人眼對(duì)高于48Hz的圖像沒有閃爍的感覺),因此要獲得穩(wěn)定的圖像,圖像的重復(fù)頻率必須高于48Hz,即要求場(chǎng)頻高于48Hz。2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理2.隔行掃描根據(jù)人眼對(duì)圖像的分辨能力,掃描行數(shù)至少應(yīng)大于600行,這對(duì)逐行掃描方式來(lái)說(shuō),行掃描頻率必須大于

29kHz才能保證人眼視覺對(duì)圖像的最低要求。這樣高的行掃描頻率,無(wú)論對(duì)攝像系統(tǒng)還是對(duì)顯示系統(tǒng)都提出了更高的要求。為了降低行掃描頻率,又能保證人眼視覺對(duì)圖像分辨率及閃耀感的要求,早在20世紀(jì)初,人們就提出了隔行掃描分解圖像和顯示圖像的方法。隔行掃描使用兩個(gè)真空管嗎？不是，請(qǐng)見下頁(yè)2.圖像的顯示與電視制式29000/600=48.33那么29000增加，則48.33增加，人眼看起來(lái)將不會(huì)閃爍工業(yè)相機(jī)原理圖2.2-3隔行掃描圖像示意圖隔行掃描采用如圖2.2-3所示的掃描方式,由奇、偶兩場(chǎng)構(gòu)成一幀。奇數(shù)場(chǎng)由1,3,5,…奇數(shù)行組成,偶數(shù)場(chǎng)由2,4,6,…偶數(shù)行組成,奇、偶兩場(chǎng)合成一幀圖像。人眼看到的變化頻率為場(chǎng)頻fv,人眼分辨的圖像是一幀,幀行數(shù)為場(chǎng)行數(shù)的2倍。這樣,既提高了圖像分辨率又降低了行掃描頻率是一種很有實(shí)用價(jià)值的掃描方式。因此,這種掃描方式一直為電視系統(tǒng)和監(jiān)視系統(tǒng)所采用。2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理圖2.2-3隔行掃描圖像示意圖兩場(chǎng)光柵均勻交錯(cuò)疊加是對(duì)隔行掃描的基本要求,否則圖像的質(zhì)量將大為降低。因此隔行掃描應(yīng)滿足下面兩個(gè)條件:第一,下一幀圖像的掃描起始點(diǎn)應(yīng)與上一幀起始點(diǎn)相同,確保各幀掃描光柵重疊;·第二,相鄰兩場(chǎng)光柵必須均勻地鑲嵌,確保獲得最高的清晰度。根據(jù)第一個(gè)條件,每幀掃描的行數(shù)應(yīng)為整數(shù)。在各場(chǎng)掃描電流都一樣的情況下,要滿足第二個(gè)條件,每幀均應(yīng)為奇數(shù),那么每場(chǎng)的掃描行數(shù)就要出現(xiàn)半行的情況。我國(guó)現(xiàn)行的隔行掃描電視制式就是每幀掃描行數(shù)為625行,每場(chǎng)掃描行數(shù)為

312.5行。2.圖像的顯示與電視制式工業(yè)相機(jī)原理逐行和隔行這兩個(gè)詞是指掃描輸出畫面的方式，掃描是指CRT(陰極射線顯像管)顯示器從上到下發(fā)出電子渲染畫面的過(guò)程。正常就是逐行，沒有什么其他意思，這個(gè)詞是相對(duì)隔行的，整個(gè)畫面一行不漏全部渲染出來(lái)，但是剛開始設(shè)備渲染不了這么快，因?yàn)槿搜刍局灰袀€(gè)20多毫秒就不會(huì)覺得卡了，所以在幀率足夠的情況下，會(huì)前一幀掃描奇數(shù)行，后一幀掃描偶數(shù)行，兩種畫面交替呈現(xiàn)，這個(gè)就是隔行掃描。逐行優(yōu)缺點(diǎn)：畫面效果肯定是要更好的，但是畫面切換的時(shí)候會(huì)比較突然（一次性畫面全變）。隔行優(yōu)缺點(diǎn)：省了一半的畫面對(duì)應(yīng)的硬件成本能省很多，雖然基本能看，但是畫面質(zhì)量肯定是不如逐行的。補(bǔ)充：隔行掃描當(dāng)初誕生是給電視用的，雖然CRT電視已經(jīng)基本被液晶電視取代，退出了時(shí)代，但是隔行掃描后來(lái)卻被一些圖像采集設(shè)備學(xué)了過(guò)去，拍攝視頻的時(shí)候就只存一半，所以現(xiàn)在市面上偶爾還是能見到這種格式的。2.圖像的顯示與電