課題智能視覺系統(tǒng)的硬件

課時(shí)6課時(shí)(270min)

知識(shí)技能目標(biāo)：

(?)了解工業(yè)相機(jī)的分類及參數(shù)

(2)了解工業(yè)鏡頭的分類及參數(shù)

(3)了解光源的分類及參數(shù)

(4)能合理選擇工業(yè)相機(jī)

教學(xué)目標(biāo)

(5)能合理選擇工業(yè)鏡頭

(6)能合理選擇光源

素質(zhì)目標(biāo)：

(1)養(yǎng)成腳踏實(shí)地、好學(xué)上進(jìn)、拼搏創(chuàng)新、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)

(2)踐行服務(wù)集體、服從紀(jì)律、團(tuán)結(jié)協(xié)作、顧全大局的團(tuán)隊(duì)精神

教學(xué)重點(diǎn)：工業(yè)相機(jī)的分類及參數(shù)，工業(yè)鏡頭的分類及參數(shù)，光源的分類及參數(shù)

教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)難點(diǎn)：工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭和光源的選擇

教學(xué)方法問(wèn)答法、討論法、講授法、練習(xí)法

教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材

教學(xué)過(guò)程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟

【教師】使用APP進(jìn)行簽到

考勤

【學(xué)生】班干部報(bào)請(qǐng)假人員及原因

【教師】組織學(xué)生下載“任務(wù)工單一選擇工業(yè)相機(jī)”，并根據(jù)任務(wù)工單進(jìn)行分組和分工，然后思考以下問(wèn)

題：

(1)工業(yè)相機(jī)的類型有哪些？

任務(wù)導(dǎo)入(2)CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？

(3)工業(yè)相機(jī)的參數(shù)主要有哪些？

(4)在選擇工業(yè)相機(jī)時(shí)，需要注意哪些問(wèn)題？

【學(xué)生】下載任務(wù)工單、分組、分工、聆聽、思考、回答

【教師】通過(guò)學(xué)生的回答，引入新知，講解工業(yè)相機(jī)的概念、組成、分類、參數(shù)和選擇等知識(shí)

任務(wù)1.1認(rèn)識(shí)工業(yè)相機(jī)

1.1.1工業(yè)相機(jī)概述

【教師】播放“工業(yè)相機(jī)與普通相機(jī)究竟哪里不同”視頻(詳見教材)，并提出以下問(wèn)題：

工業(yè)相機(jī)與普通相機(jī)究竟哪里不同？

【學(xué)生】觀看、思考、舉手回答

【教師】總結(jié)學(xué)生回答

傳授新知

工業(yè)相機(jī)是智能視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要負(fù)責(zé)將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行輸出，其性能直接

影響了系統(tǒng)所獲得圖像的質(zhì)量。

【教師】利用多媒體展示相機(jī)的組成“圖片，并進(jìn)行講解

工業(yè)相機(jī)主要由相機(jī)芯片(圖像傳感器)、驅(qū)動(dòng)與控制電路、傳輸接口、光學(xué)接口等組成，如圖所示。

1.1.2工業(yè)相機(jī)的分類

工業(yè)相機(jī)根據(jù)選擇維度與模塊構(gòu)成的不同，有諸多分類方式，常見的分類方式如下。

I.按輸出信號(hào)格式分類

工業(yè)相機(jī)按輸出信號(hào)格式的不同，可分為模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)兩種。

模擬相機(jī)輸出的是模擬信號(hào)，需要配置專業(yè)的圖像采集卡將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為可供計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)。

模擬相機(jī)通用性好、成本較低，但采集速度慢，在圖像傳輸中容易受到噪聲干擾，從而導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。因

此，模擬相機(jī)多用于對(duì)圖像質(zhì)量要求不高的智能視覺系統(tǒng)中。

數(shù)字相機(jī)輸出的是數(shù)字信號(hào)，其內(nèi)部集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字相機(jī)抗干擾

能力強(qiáng)、分辨率高、視頻信號(hào)格式多樣、視頻輸出接口豐富，但所獲得的圖像缺乏層次感，后期維修成本較高。

因此，數(shù)字相機(jī)大多用于非標(biāo)準(zhǔn)的、逐行的、較復(fù)雜的智能視覺系統(tǒng)中。

2.按圖像傳感器像素排列方式分類

工業(yè)相機(jī)按圖像傳感器像素排列方式的不同，可分為面陣相瓶口線陣相機(jī)兩種。

面陣相機(jī)是一種可一次性獲取圖像并能及時(shí)進(jìn)行圖像采集的工業(yè)相機(jī)，其應(yīng)用范圍比較廣，可用于面積、

形狀、尺寸、位置甚至溫度等的測(cè)量。面陣相機(jī)可直接觀測(cè)圖像，并快速、準(zhǔn)確地獲取二維夢(mèng)像信息。

線陣相機(jī)是一種特殊的工業(yè)相機(jī)，只有一行感光元素，可對(duì)單行圖像進(jìn)行處理，或者定多行組成的一幀圖

像進(jìn)行處理。線陣相機(jī)常用于需要連續(xù)檢測(cè)或需要高精度掃描數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，如印刷品、布匹等的檢測(cè)。

3.按圖像傳感器類型分類

工業(yè)相機(jī)按圖像傳感器類型的不同，可分為CCD（chargecoupleddevice,電荷耦合器件）相機(jī)和CMOS

（complementarymetaloxidesemiconductor.4補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件）相機(jī)兩種.

CCD圖像傳感器的構(gòu)造類似于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)像素都與一個(gè)電容相連，記錄下來(lái)的光信號(hào)會(huì)被轉(zhuǎn)換為電信

號(hào)并函亍輸出。CCDK目機(jī)具有較高的光靈敏度和對(duì)比度，所獲得的圖像也比CMOS相機(jī)的更清晰、更細(xì)膩；但

成本較高，信息讀取方式復(fù)雜，不能直接訪問(wèn)單個(gè)像素單元。CCD相機(jī)廣泛應(yīng)用于屏幕檢測(cè)、智慧交通、遠(yuǎn)程

醫(yī)療等高端領(lǐng)域。

CMOS圖像傳感器的構(gòu)造類似于一個(gè)由眾多微型圖像傳感器構(gòu)成的陣列，每個(gè)像素都對(duì)應(yīng)一個(gè)轉(zhuǎn)換電路，

記錄下來(lái)的光信號(hào)會(huì)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并逐個(gè)輸出。CMOS相機(jī)體積小、功耗低、成本低，可直接讀取陣列中的

電信號(hào)并同時(shí)處理各像素的圖像信息，信息讀取速度是CCD相機(jī)的10倍以上，且具有更快的數(shù)據(jù)傳輸速率；

但光靈敏度較低，噪聲較大。CMOS相機(jī)廣泛應(yīng)用于安防監(jiān)控、自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。

【教師】利用多媒體展示“CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)的工作原理”圖片，并進(jìn)行講解

CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)的工作原理如圖所示。

【教師】隨機(jī)邀請(qǐng)學(xué)生回答以下問(wèn)題：

CCD和CMOS相機(jī)有哪些不同？

【學(xué)生】聆聽、思考、回答

【教師】總結(jié)學(xué)生的回答

CCD和CMOS都是用來(lái)采集圖像的感光器件。在分辨率相同的情況下，CCD相機(jī)的成像效果要比CMOS

相機(jī)的好，但CCD相機(jī)價(jià)格昂貴。因此，在成像效果要求不太高的情況下，可選擇CMOS相機(jī)。在某些領(lǐng)域，

CMOS相機(jī)憑借高性價(jià)比、低功耗等優(yōu)勢(shì)，已逐漸替代CCD相機(jī)。

4.按成像色彩分類

工業(yè)相機(jī)按成像色彩的不同，可分為黑白相機(jī)和彩色相機(jī)兩種。其中,彩色相機(jī)又可分為3CCD彩色相機(jī)、

單CCD彩色相機(jī)等。

【教師】利用多媒體展示“黑白相機(jī)和彩色相機(jī)的成像原理”圖片，井進(jìn)行講解

黑白相機(jī)可直接將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為灰度值，輸出的是灰度圖像信息。而彩色相機(jī)可獲取圖像中紅、綠、藍(lán)3

個(gè)分量的光信號(hào)，輸出的是彩色圖像信息。黑白相機(jī)I口彩色相機(jī)的成像原理如圖所示。

在工業(yè)應(yīng)用中,對(duì)于需要檢測(cè)顏色信息的場(chǎng)合,如細(xì)胞外部形態(tài)檢測(cè)、彩色印刷品質(zhì)量檢測(cè)等場(chǎng)合，應(yīng)選

用彩色相機(jī)；對(duì)于不需要檢測(cè)顏色信息的場(chǎng)合，如文字識(shí)別、尺寸測(cè)量等場(chǎng)合，通常選用黑白相機(jī)。這是由于

黑白相機(jī)更高效，且在分辨率相同的情況下，黑白相機(jī)的精度要比彩色相機(jī)的高。

1.1.3工業(yè)相機(jī)的參數(shù)

工業(yè)相機(jī)的參數(shù)主要有分辨率、像素尺寸、傳感器尺寸、幀率、像素深度、光譜響應(yīng)特性、曝光方式、快

門時(shí)間等，這些參數(shù)直接決定了工業(yè)相機(jī)所采集圖像的質(zhì)量。

1.分辨率

分辨率用來(lái)描述工業(yè)相機(jī)對(duì)被拍攝物的分辨能力。工業(yè)相機(jī)的分辨率越高，所采集的圖像也就越清晰。-

般情況下，面陣相機(jī)的分辨率就是其感光芯片的像素個(gè)數(shù)，如面陣相機(jī)的分辨率為，則表示其感光芯片橫向有

1920像素，縱向有1080像素，共有約200萬(wàn)像素。對(duì)于線陣相機(jī)，分辨率就是傳感器水平方向上的像素?cái)?shù)，

常見的有2k、4k、8k、16k等。

2.像素尺寸

像素尺寸是指單個(gè)像素的面積。單個(gè)像素的面積越小，單位面積內(nèi)的像素?cái)?shù)就越多，工業(yè)相機(jī)的分辨率也

就越高。工業(yè)相機(jī)的像素尺寸一般為L(zhǎng)4~14pm.

3.傳感器尺寸

【教師】利用多媒體展示“常見的傳感器尺寸”圖片，并進(jìn)行講解

傳感器尺寸又稱靶面尺寸，是指圖像傳感器的感光面積，一般用圖像傳感器感光區(qū)域?qū)︷€的長(zhǎng)度來(lái)表示，

單位為in（英寸）。傳感器尺寸越大，圖像傳感器的感光面積就越大，感光性能就越好，信噪比也就越高。常

見的傳感器尺寸如圖所示。分辨率和像素尺寸共同決定了工業(yè)相機(jī)的傳感器尺寸。

【教師】隨機(jī)邀請(qǐng)學(xué)生回答以下問(wèn)題：

什么是信噪比？

【學(xué)生】聆聽、思考、回答

【教師】總結(jié)學(xué)生的回答

信噪比國(guó)旨信號(hào)功率與噪聲功率的比值，單位為dB（分貝）。信噪比越高，圖像傳感器的性能就越好。

4.幀率

幀率是指工業(yè)相機(jī)處理、傳輸圖像信息的速率，即每秒采集圖像的幀數(shù)，單位為f/se工業(yè)相機(jī)采集、處理

圖像信息的時(shí)間越短，幀率越高，采集的畫面就會(huì)越流暢；反之，采集的畫面就會(huì)產(chǎn)生停頓、跳躍現(xiàn)象。幀率

并不是越高越好，手機(jī)錄制視頻的幀率大多為3（）%,電視機(jī)顯示畫面的幀率為50f/s或6（）f/s,高速攝影機(jī)的幀

率一般大于240f/s。

5.像素深度

【教師】播放“什么是像素深度”視頻（詳見教材），并提出以下問(wèn)題：

什么是像素深度？

【學(xué)生】觀看、思考、舉手回答

【教師】總結(jié)學(xué)生回答

像素深度是指存儲(chǔ)每個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)所需要的位數(shù)，用于反映工業(yè)相機(jī)的測(cè)量精度，也可用于反映工業(yè)相機(jī)的

分辨率.像素深度決定了彩色圖像每個(gè)像素所包含的顏色值，或者灰度圖像每個(gè)像素點(diǎn)所包含的灰度值。像素

深度一般是R位，輸出的圖像灰度等級(jí)為256級(jí)，即。~255共256級(jí)。

6.光譜響應(yīng)特性

【教師】利用多媒體展示“光譜響應(yīng)曲線”圖片，并進(jìn)行講解

光譜響應(yīng)特性是指圖像傳感器對(duì)不同光波的敏感特性。例如，一些工業(yè)相機(jī)在圖像傳感器和工業(yè)鏡頭之間

加裝了濾鏡，用來(lái)濾除紅外光線，這些工業(yè)相機(jī)只響應(yīng)可見光。人們一般用光譜響應(yīng)曲線（見圖所示）描述工

業(yè)相機(jī)的光譜響應(yīng)特性，工業(yè)相機(jī)的光譜響應(yīng)范圍一般為350~100（）nm,在光譜響應(yīng)曲線中，橫軸表示波長(zhǎng)，

單位為nm；縱軸表示響應(yīng)能力，其值為光譜響應(yīng)范圍與入射光譜范圍的比值。

7.曝光方式

工業(yè)相機(jī)常用的曝光方式有幀曝光和行曝光兩種。

幀曝光又稱全局快門是指圖像傳感器陣列中所有像素同時(shí)曝光。幀曝光用于CCD相機(jī)和部分CMOS相機(jī)。

采用這種曝光方式的工業(yè)相機(jī)適合拍攝運(yùn)動(dòng)的物體，所拍攝的圖像不會(huì)發(fā)生偏移。

行曝光又稱卷簾快門，是指同一行上的像素同時(shí)曝光，不同行的曝光起始時(shí)間不同，但每行的曝光時(shí)間是

相同的。行曝光用于CMOS相機(jī)，所有的曝光動(dòng)作都在極短的時(shí)間內(nèi)完成。采用這種曝光方式的工業(yè)相機(jī)適合

拍攝靜止的物體，若掃攝運(yùn)動(dòng)的物體，則所拍攝的圖像將會(huì)發(fā)生偏移.

對(duì)于需要高速拍攝的場(chǎng)合，為了防止圖像變形，應(yīng)使用幀曝光式CMOS相機(jī)。對(duì)于不需要高速拍攝或?qū)D

像沒有特殊要求的場(chǎng)合，可使用行曝光式CMOS相機(jī)，因?yàn)榕c幀曝光式CMOS相機(jī)相比，行曝光式CMOS相

機(jī)技術(shù)難度小、分辨率高、成本低.

8.快門時(shí)間

快門時(shí)間是指快門從打開到關(guān)閉所用的時(shí)間，單位為s,它決定了圖像傳感器曝光時(shí)間的長(zhǎng)短。光線條件較

差時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)曝光時(shí)間，光線條件較好時(shí)則可適當(dāng)縮短曝光時(shí)間。

1.1.4工業(yè)相機(jī)的選擇

【教師】利用多媒體展示相機(jī)的選擇流程”圖片，并進(jìn)行游解

工業(yè)相機(jī)類型及參數(shù)的選擇不僅直接決定了所采集圖像的圖像質(zhì)量等，還與智能視覺系統(tǒng)的整體性能直接

相關(guān)。工業(yè)相機(jī)的選擇流程如圖所示。

選擇工業(yè)相機(jī)的方法如下。

首先，應(yīng)根據(jù)視野范圍及檢測(cè)方式(動(dòng)態(tài)檢測(cè)或靜態(tài)檢測(cè))，確定T'W相機(jī)的類型及晦光時(shí)間.對(duì)于運(yùn)動(dòng)

的物體，混光時(shí)間越短，所獲取的圖像就越精確，但曝光時(shí)間過(guò)短會(huì)提高圖像傳感器對(duì)光照強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱照度)

的要求。因此，要選擇合適的曝光時(shí)間。

然后，根據(jù)精度需求確定工業(yè)相機(jī)的分辨率，從而確定工業(yè)相機(jī)的幀率。若需要檢測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡，則

需要盡可能地選取高幀率的工業(yè)相機(jī)，以保證物體的運(yùn)動(dòng)軌跡清晰。

最后，根據(jù)其他特性及是否有特殊需求,并結(jié)合其他參數(shù)及成本，選擇合適的工業(yè)相機(jī)，

【教師】隨機(jī)邀請(qǐng)學(xué)生回答以下問(wèn)題：

國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見的工業(yè)相機(jī)有哪些？

【學(xué)生】聆聽、思考、回答

【教帥】利用多媒體展示“國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用較多的工業(yè)相機(jī)”圖片，開總結(jié)學(xué)生的回答

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用較多的工業(yè)相機(jī)為大恒圖像水星相機(jī)、寶世納ace2相福口視覺龍VDC相機(jī)，如圖

標(biāo)

大恒圖像水星相機(jī)可靠性高、安裝與使用方便，并提供了多種不同分辨率和幀率的工業(yè)相機(jī)型號(hào)，廣泛應(yīng)

用于工業(yè)檢測(cè)、醫(yī)療、科研、教育、安防等領(lǐng)域；寶世納ace2相機(jī)羥濟(jì)實(shí)惠、型號(hào)較多，是一種廣泛應(yīng)用于工

業(yè)圖像處理的工業(yè)相機(jī)；視覺龍VDC相機(jī)可通過(guò)編程設(shè)置增益、曝光時(shí)間、白平衡等參數(shù)，廣泛應(yīng)用于新能源、

激光加工等領(lǐng)域。

【學(xué)生】聆聽、思考、理解、記錄

【教師】講述任務(wù)情景，然后組織學(xué)生以小組為單位，為企業(yè)選擇工業(yè)相機(jī)

(?)各小組根據(jù)要求合理地選擇工業(yè)相機(jī)的型號(hào)，將實(shí)施內(nèi)容及完成情況填入實(shí)施內(nèi)容及完成情況表中，

并進(jìn)行任務(wù)總結(jié)。

課堂實(shí)踐(2)教師根據(jù)學(xué)生的任務(wù)完成情況對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià),

【學(xué)生】聆聽、思考、討論、準(zhǔn)備工具和器材、制定實(shí)施方案、選擇工業(yè)相機(jī)，根據(jù)分工填寫任務(wù)工單、進(jìn)

行任務(wù)總結(jié)

【教師】評(píng)價(jià)各組學(xué)生的任務(wù)完成情況,并進(jìn)行總結(jié)

【教師】組織學(xué)生下載“任務(wù)工單一選擇工業(yè)鏡頭”，并根據(jù)任務(wù)工單進(jìn)行分組和分工，然后思考以下問(wèn)

任務(wù)導(dǎo)入

題：

(I)工業(yè)鏡頭的類型有哪些？

(2)工業(yè)鏡頭的參數(shù)主要有哪些？

(3)焦距和工業(yè)鏡頭的其他參數(shù)有什么聯(lián)系？

(4)在選擇工業(yè)鏡頭時(shí)，需要注意哪些事項(xiàng)？

下載任務(wù)工單、分組、分工、聆聽、思考、回答

【教師】通過(guò)學(xué)生的回答，引入新知，講解工業(yè)鏡頭的概念、作用、分類、參數(shù)和選擇等知識(shí)

任務(wù)1.2認(rèn)識(shí)工業(yè)鏡頭

1.2.1工業(yè)鏡頭概述

【教師】利用多媒體展示“工業(yè)鏡頭”圖片，并進(jìn)行講解

工業(yè)鏡頭(見圖所示)是智能視覺系統(tǒng)的重要光學(xué)器件，其主要功能是捕捉目標(biāo)物體的圖像，并將光線聚

焦到圖像傳感器上，以獲取目標(biāo)物體的圖像細(xì)節(jié)，從而生成銳利的圖像。工業(yè)鏡頭的質(zhì)量決定了智能視覺系統(tǒng)

的成像質(zhì)量，直接影響了智能視覺系統(tǒng)的整體性能。由于工業(yè)鏡頭具有多種光學(xué)校正方式，可有效降低畸變率，

因此適用于工廠自動(dòng)化、智能視覺、圖像處理等對(duì)畫質(zhì)要求較高的場(chǎng)合。

1.2.2工業(yè)鏡頭的分類

1.按焦距能否調(diào)節(jié)分類

工業(yè)鏡頭按其焦距能否調(diào)節(jié),可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭兩種。

【教師】利用多媒體展示“定焦鏡頭”圉片，并進(jìn)彳方并解

定焦鏡頭(見圖所示)的焦距是固定的，常用的規(guī)格有8mm、12mm、16mm、25mm、35mm、50

mm、75mm等。定焦鏡頭所獲得的圖像質(zhì)量較好、視野較大，可通過(guò)聚焦環(huán)對(duì)不同距離的物體進(jìn)行成像，還

可通過(guò)光咽控制進(jìn)光量，是目前智能視覺領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的鏡頭。定焦鏡頭僅有一個(gè)固定的焦距，因此只能通

過(guò)移動(dòng)拍攝位置來(lái)改變畫面的視角。

【教師】利用多媒體展示“變焦鏡頭”圖片，并進(jìn)行講解

變焦鏡頭(見圖所示)的焦距有f的變化范圍，常用的規(guī)格有3.5~8mm、12~36mm等。變焦鏡頭的

焦距可調(diào)整，拍攝時(shí)可根據(jù)對(duì)焦距離伸長(zhǎng)或縮短焦距，因此在改變畫面視角時(shí)不需要來(lái)回移動(dòng)拍攝位置。但變

傳授新知

焦鏡頭的最大光圈通常偏小，其背景虛化效果不如定焦鏡頭的好。

2.按接口類型分類

【教師】利用多媒體展示“不同的接口類型”圖片，并進(jìn)行講解

工業(yè)鏡頭按接口類型的不同，可分為C接口、CS接口、F接口、謝型接口等。不同的受口類型如圖所示。

C接口和CS接口是工業(yè)鏡頭中最常用的接口，適用于物鏡焦距小于25mm且物鏡直徑不大的場(chǎng)合；F接口是

通用型接口，適用于物鏡焦距大于25mm的場(chǎng)合。一般情況下，CS接口的工業(yè)相機(jī)可與C接口和CS接口的

工業(yè)鏡頭連接使用，但在連接C接口的工業(yè)鏡頭時(shí)需要加一個(gè)5mm的接圈；而C接口的工業(yè)相機(jī)不能用CS

接口的工業(yè)鏡頭。

【教師】隨機(jī)邀請(qǐng)學(xué)生回答以下問(wèn)題：

除了上述接口，你還了解哪些接口?

【學(xué)生】聆聽、思考、回答

【教師】利用多媒體展示“國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用較多的工業(yè)相機(jī)”圖片，并總結(jié)學(xué)生的回答

工業(yè)鏡頭的接口類型除常用的C接口、CS接口、F堂口外，還包含V接口、T2接口、像卡接口、M42接

口、M50接口等特殊型接口.其中，F(xiàn)接口是尼康鏡頭的除準(zhǔn)接口，又稱尼康接口，一般用于傳感器尺寸大于I

in的工業(yè)相機(jī)及其對(duì)應(yīng)的工業(yè)鏡頭中；V接口是施耐德鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)接口，一般用于傳感器尺寸較大或具有特殊

用途的工業(yè)相機(jī)及其對(duì)應(yīng)的工業(yè)鏡頭中。

3.按成像特點(diǎn)分類

【教師】利用多媒體展示“遠(yuǎn)心鏡頭與普通鏡頭的成像特點(diǎn)對(duì)比”圖片，并進(jìn)行講解

工業(yè)境頭按成像特點(diǎn)的不同，可分為遠(yuǎn)心境頭和普通境頭兩種。遠(yuǎn)心境頭與普通境頭的成像特點(diǎn)對(duì)比如圖

戶后。

遠(yuǎn)心鏡頭主要是為糾正普通鏡頭的視差而特別設(shè)計(jì)的鏡頭,在一定的物距范圍內(nèi),利用遠(yuǎn)心鏡頭得到的圖

像，其放大倍率不隨物距的變化而變化。因此，遠(yuǎn)心鏡頭適用于被測(cè)物體不在同一物面上的場(chǎng)合。此外，遠(yuǎn)心

鏡頭具有較低的遠(yuǎn)心度、超大的景深、恒定的放大倍率、零畸變和超高的解析力，因此還可用于高精度尺寸測(cè)

量。

1.2.3工業(yè)鏡頭的參數(shù)

工業(yè)鏡頭的參數(shù)主要有工作距離、放大倍率、焦距、光圈、景深、畸變、分辨率、對(duì)比度、視場(chǎng)角等，這

些參數(shù)直接決定了工業(yè)鏡頭的成像質(zhì)量。

1.工作距離

工作距離是指工業(yè)鏡頭最前端到被測(cè)物體表面的距離，用WD表示。通常情況下,普通鏡頭的工作距離是

一個(gè)范圍，但遠(yuǎn)心鏡頭的工作距離是固定不變的。

2.放大倍率

【教師】利用多媒體展示“放大倍率的計(jì)算原理”圖片，并進(jìn)行講解

放大倍率是指物體先經(jīng)物鏡放大再經(jīng)目鏡放大后，人眼所看到的最終圖像大小與原物體大小的比值，一般

用￡表示。放大倍率的計(jì)算原理如圖所示。

由圖可知，放大倍率為

式中：

h——像方水平尺寸；

H一物方水平尺寸；

v——像方垂直尺寸；

V——物方垂直尺寸。

經(jīng)驗(yàn)傳承

若工業(yè)鏡頭和工業(yè)相機(jī)一起使用，則此時(shí)的像方尺寸就是工業(yè)相機(jī)的傳感器尺寸。

3.焦距

【教師】利用多媒體展示“焦距”圖片，并進(jìn)行講解

焦距是指當(dāng)入射光為平行光時(shí)從透鏡中心到光聚集焦點(diǎn)的距離，又稱焦長(zhǎng)，用/表示，如圖所示。焦距是

用來(lái)衡量光的聚集或發(fā)散程度的參數(shù)。焦距長(zhǎng)短與所成圖像的大小成正比：焦距越長(zhǎng)，所成圖像越大；焦距越

短，所成圖像越小。

由圖可知，工業(yè)境頭的焦距、工作距離、物方尺寸、像方尺寸之間有一定的聯(lián)系，即

因此，工業(yè)鏡頭的焦距可表示為

hv

/?=WDx—=WDx—(1-3)

HV

4.光圈

【教師】利用多媒體展示“光圈標(biāo)記的標(biāo)準(zhǔn)系列”圖片，并進(jìn)行講解

光圈是指用來(lái)控制光線透過(guò)工業(yè)鏡頭的總體光通量、景深及所成圖像對(duì)比度的孑uw光圈的大小通常用工

業(yè)鏡頭的相對(duì)孑胞表示，記為1：X,其中X為焦距與有效孑密的比值。相對(duì)孑胞的倒數(shù)稱為F數(shù)，用作光圈標(biāo)

記。光圈標(biāo)記的標(biāo)準(zhǔn)系列有F2.8、F4F22等，如圖所示。F數(shù)越小，光圈就越大，工業(yè)鏡頭的光通量就

越大，所獲取的畫面也就越亮；反之，則所獲取的畫面越暗。

5.景深

【教師】利用多媒體展示“景深”圖片，并進(jìn)行講解

景深是指物體距離其可清晰聚焦圖像的最遠(yuǎn)點(diǎn)與最近點(diǎn)之間的距離，用DOF表示，如圖所示。其中，能夠

獲得清晰圖像的最近物平面稱為近景平面，它與對(duì)準(zhǔn)平面之間的距離稱為前景深，用DOI*表示；獲得清晰圖

像的最遠(yuǎn)物平面稱為遠(yuǎn)景平面，它與對(duì)準(zhǔn)平面之間的距離稱為后景深，用DOE表示。一般情況下，工業(yè)鏡頭

的前景深要小于后景深，而景深為前景深與后景深之和。景深與光圈、分辨率成反比，景深越大，對(duì)應(yīng)的光圈

就越小，分辨率也就越低；反之，景深越小，對(duì)應(yīng)的光圈就越大，分辨率也就越高。

6.畸變

【教師】播放“畸變小百科”視頻(詳見教材)，并提出以下問(wèn)題：

請(qǐng)談?wù)勀銓?duì)畸變的理解。

【學(xué)生】觀看、思考、舉手回答

【教師】利用多媒體展示“畸變”圖片，并總結(jié)學(xué)生回答

畸變是指工業(yè)鏡頭對(duì)物體所成的像相對(duì)于物體本身而言的失真程度，是一種單色光學(xué)像差，其值為實(shí)際像

高與理想像高之差。在實(shí)際應(yīng)用中，畸變常用畸變率來(lái)表示，即實(shí)際像高與理想像高之差占理想像高的百分比。

畸變按圖像變形方式的不同，可分為桶形畸變和枕形畸變兩種，如圖所示.桶形畸變的對(duì)角線向內(nèi)縮短，畸變

值為負(fù)，在短焦鏡頭成像時(shí)較為常見；枕形畸變的對(duì)角線向外延長(zhǎng)，畸變值為正，在長(zhǎng)焦鏡頭成像時(shí)較為常見。

7.分辨率

分辨率是指在所成的圖像平面上1mm間距內(nèi)能分辨出的黑白相間的線條對(duì)數(shù)又稱分辨力單位為lp/mm

(線對(duì)每亳米).

8.對(duì)比度

【教師】利用多媒體展示“對(duì)比度增強(qiáng)前后的圖像“圖片，并迸行講解

對(duì)比度是指一幅圖像中明暗區(qū)域的反差程度。若圖像的對(duì)比度發(fā)生變化，則圖像整體的明暗程度也會(huì)隨之

改變。若對(duì)比度增強(qiáng)，則畫面中亮的地方會(huì)更亮，暗的地方會(huì)更暗，明暗反差增強(qiáng)。對(duì)比度增強(qiáng)前后的圖像如

圖所示.

9.視場(chǎng)角

【教師】利用多媒體展示“視場(chǎng)角與焦距之間的關(guān)系”圖片，并進(jìn)行講解

視場(chǎng)角是指在成像過(guò)程中，工業(yè)相機(jī)可接收影像的角度范圍，用FOV表示。視場(chǎng)角與焦距成反比，視場(chǎng)角

越小，焦距就越長(zhǎng)，視野也就越小，此時(shí)工業(yè)相機(jī)能拍攝較遠(yuǎn)的物體；視場(chǎng)角越大，焦距就越短，視野也就越

大，此時(shí)工業(yè)相機(jī)無(wú)法清晰地拍攝較遠(yuǎn)的物體。視場(chǎng)角與焦距之間的關(guān)系如圖所示.

1.2.4工業(yè)鏡頭的選擇

工業(yè)鏡頭的選擇對(duì)智能視覺系統(tǒng)尤為重要，在選擇時(shí)需要綜合考慮工作距離、視野范圍，以及工業(yè)鏡頭的

類型、焦距、視場(chǎng)角及景深等因素,具體方法如下。

首先，根據(jù)被測(cè)物體的尺寸或數(shù)量，確定視野范圍、工作距離、分辨率.

然后，根據(jù)實(shí)際需要選擇工業(yè)鏡頭的類型。對(duì)于一般的檢測(cè)或平面內(nèi)的尺寸測(cè)量，需要選擇普通鏡頭；對(duì)

于非平面內(nèi)的尺寸測(cè)量，則需要選擇遠(yuǎn)心鏡頭；沒有變焦要求時(shí)，常選擇定焦鏡頭.

接著，根據(jù)視野范圍、工作距離、工業(yè)相機(jī)傳感器尺寸等參數(shù)，計(jì)算得到工業(yè)鏡頭的焦距；根據(jù)視野

范圍、工作距離，計(jì)算得到視場(chǎng)角的大?。桓鶕?jù)實(shí)際需求選擇合適的景深。

最后，根據(jù)是否有其他特殊需求，結(jié)合工業(yè)鏡頭的其他參數(shù)，選擇合適的工業(yè)鏡頭。

【學(xué)生】聆聽、思考二理解、記錄

【教師】講述任務(wù)情景，然后組織學(xué)生以小組為單位，為企業(yè)選擇工業(yè)鏡頭

(1)組織各小組根據(jù)要求合理地選擇工業(yè)鏡頭的型號(hào)，將實(shí)施內(nèi)容及完成情況填入實(shí)施內(nèi)容及完成情況表

中，并進(jìn)行任務(wù)總結(jié)。

課堂實(shí)踐

(2)教師根據(jù)學(xué)生的任務(wù)完成情況對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià),

【學(xué)生】聆聽、思考、討論、準(zhǔn)備工具和器材、制定實(shí)施方案、選擇工業(yè)鏡頭，根據(jù)分工填寫任務(wù)工單、進(jìn)

行任務(wù)總結(jié)

【教師】評(píng)價(jià)各組學(xué)生的任務(wù)完成情況，并進(jìn)行總結(jié)

【教師】組織學(xué)生下載“任務(wù)工單——選擇光源”，并根據(jù)任務(wù)工單進(jìn)行分組和分工，然后思考以下問(wèn)題：

(1)常見的光源類型有哪些？

(2)環(huán)形光源和條形光源分別應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？

任務(wù)導(dǎo)入

(3)高壓鈉燈、白熾燈、鹵素?zé)舻纳珳馗魇嵌嗌伲?/p>

(4)在選擇光源時(shí)，需要注意哪些問(wèn)題？

【學(xué)生】下裝任務(wù)工單、分組、分工、聆聽、思考、回答

【教師】通過(guò)學(xué)生的回答，引入新知，講解光源的作用、分類、參數(shù)和選擇等知識(shí)

任務(wù)1.3認(rèn)織光源

1.3.1光源概述

【教師】利用多媒體展示“光漉”圖片，并進(jìn)行講解

光源(見圖所示)是智能視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其主要作用是通過(guò)合理的照明方式凸顯目標(biāo)的特征，

提高圖像的亮度和對(duì)比度，同時(shí)最大限度地將背景和干擾信息過(guò)濾或淡化，從而使智能視覺系統(tǒng)獲得最有利于

處理的圖像，以保證整個(gè)系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。針對(duì)不同的檢測(cè)內(nèi)容和被測(cè)物體，需要選用不同的光源來(lái)達(dá)到

最佳的檢測(cè)效果。

1.3.2光源的分類

1.按位置分類

光源按位置的不同，可分為前光源和背光源兩種。

1)前

前光源是指放置在被測(cè)物體前方的光源，主要用于檢測(cè)物體的反光及表面的平整情況。前光源的照明方式

如圖所示。在實(shí)際應(yīng)用中，前光源常用于檢測(cè)IC(integratedcircuit,集成電路)芯片上的印刷式字符、電子元器

件、橡膠類制品、包裝袋標(biāo)記及封蓋內(nèi)部等。

【教師】利用多媒體展示“低角度光源下的雕刻式字符”和“高角度光源下的印刷式字符”圖片，并進(jìn)行

講解

前光源又可分為低角度光源和高角度光源兩種，兩者的主要區(qū)別在于光源和被測(cè)物體表面夾角。的大小不

傳授新知

同。低角度光源常用于雕刻式字符的識(shí)別，如圖所示；高角度光源常用于印刷式字符的識(shí)別，如圖所示.

2)背光源

【教師】利用多媒體展示“背光源的照明方式”圖片，并進(jìn)行講解

背光源是，旨放置在被測(cè)物體后方的光源，主要用于突出物體的外形輪廓特征。背光源的照明方式如圖所示。

背光源常用于機(jī)械零件尺寸測(cè)量和表面缺陷檢測(cè)、印刷海報(bào)缺陷檢測(cè)等。

2.按形狀分類

光源按形狀的不同，可分為環(huán)形光源和條形光源兩種。

1)環(huán)形光源

【教師】利用多媒體展示“環(huán)形光源的照明方式”圖片，并進(jìn)彳方并解

環(huán)形光源一般為高密度的LED陣列，可提供不同角度的照射，以突出被測(cè)物體邊緣和高度的變化，使用者

可根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求選擇合適的角度進(jìn)行照射。環(huán)形光源的照明方式如圖所示。環(huán)形光源可直接安裝在

工業(yè)鏡頭上，以減小阻影面積、降低圖像對(duì)比度。在實(shí)際應(yīng)用中，環(huán)形光源常用于工件邊緣檢測(cè)以及金屬表面

的刻字和損傷檢測(cè)等。

2)條形光源

【教師】利用多媒體展示“條形光源的照明方式”圖片，并進(jìn)行講解

條形光源一般也為高密度的LED陣列，但應(yīng)用場(chǎng)景與環(huán)形光源的不同。條形光源大多是從單邊或多邊以一

定的角度照射物體，以突出被測(cè)物體的邊緣特征，是對(duì)較大的物體進(jìn)行邊緣檢測(cè)時(shí)的首選光源。條形光源的照

明方式如圖所示“條形光源常用于字符檢測(cè)、定位標(biāo)記、液晶元件檢測(cè)、金屬表面檢測(cè)，以及大面積物體表面

的劃痕和裂縫檢測(cè)等。

3.按發(fā)光原理分類

【教師】利用多媒體展示“不同發(fā)光原理的光源”圖片，并進(jìn)行講解

光源按發(fā)光原理的不同，可分為熒光燈、鹵素?zé)?、LED燈等，如圖所示。

【教師】利用多媒體展示“常見光源的顏色、壽命及特點(diǎn)”表格,并進(jìn)行講解

熒光燈又稱日光燈，是一種由低壓汞蒸氣在通電后釋放紫外線，從而使熒光粉發(fā)出可見光的光源；鹵素?zé)?/p>

由鋁絲制成，使用壽命比白熾燈的長(zhǎng)；LED燈是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換為可見光的固態(tài)半導(dǎo)體器件，是目前應(yīng)用

最廣泛的光源之一。二述常見光源的顏色、壽命及特點(diǎn)如表所示。

1.3.3光源的參數(shù)

光源的參數(shù)主要有光通量、發(fā)光強(qiáng)度（簡(jiǎn)稱光強(qiáng)）、照度、波長(zhǎng)、色溫、顯色性等，這些參數(shù)直接決定了

圖像的質(zhì)量。

I.光通量

光通量是指光源發(fā)出光的總量,即光通過(guò)的量，單位為1m（流明）。

2.光強(qiáng)

光強(qiáng)是指光源在某一特定方向角內(nèi)的光通量，單位為cd（坎德拉）。光強(qiáng)是用來(lái)描述光源向某一特定方向

輻射光通量大小的參數(shù)。

3.照度

照度是指單位面積所接收的可見光的光通量，單位為lx（勒克斯）.照度是用來(lái)描述光照的強(qiáng)弱和物體表

面被照明程度的參數(shù)。在實(shí)際照射中，若要被照射點(diǎn)看起來(lái)更亮，不僅要提高光通量，還要使光線聚集，這樣

才能獲得更高的照度，

4.波長(zhǎng)

波長(zhǎng)是指光波在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)傳播的距離，單位為m（米）.可見光是指波長(zhǎng)在380~780nm之間，

能被人眼感知的光。其中，紅色光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，為627~78011m；紫色光波長(zhǎng)最短,為380~450nnio

5.色溫

色溫是指當(dāng)光源的顏色與某一溫度下的黑體（完全輯射體）所發(fā)出的光色相同時(shí)黑體的溫度，單位為K（開

爾文）,光源的色溫通常用黑體發(fā)出光譜成分相同的光時(shí)所處的絕對(duì)溫度表示.不同的光源，其色溫也不同.高

壓鈉燈的色溫為2200K左右，白熾燈和鹵素?zé)舻纳珳貫?700-3000K,直射陽(yáng)光的色溫為乙800K左右。

6.顯色性

【教師】播放“一分鐘看懂顯色性”