工業(yè)視覺系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

第四章視覺成像

學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握鏡頭成像原理，理解焦距、光圈、景深、視場角等工業(yè)鏡頭的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；掌握工業(yè)相機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，理解CCD和CMOS傳感器的成像機(jī)制；能夠根據(jù)應(yīng)用需求，進(jìn)行核心成像參數(shù)的計算與選型。自主創(chuàng)新是民族企業(yè)發(fā)展的必由之路1建設(shè)制造強(qiáng)國，必須牢牢把握戰(zhàn)略機(jī)遇，堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，勇立時代潮頭。大疆創(chuàng)新以自主創(chuàng)新為引領(lǐng)，主導(dǎo)制定消費(fèi)級無人機(jī)國際標(biāo)準(zhǔn)，首創(chuàng)飛行視覺系統(tǒng)安全規(guī)范，用顛覆性視覺技術(shù)重塑行業(yè)格局。實踐深刻證明，唯有將自主創(chuàng)新融入發(fā)展基因，將產(chǎn)業(yè)報國鑄就精神內(nèi)核，民族企業(yè)才能實現(xiàn)從“追趕者”到“領(lǐng)跑者”的歷史性跨越。我們要匯聚全社會創(chuàng)新合力，加快推動中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)型、中國速度向中國質(zhì)量升級、中國產(chǎn)品向中國品牌躍遷，奮力譜寫制造強(qiáng)國建設(shè)的嶄新篇章。2光學(xué)鏡頭及其參數(shù)工業(yè)鏡頭一般是由多個不同的光學(xué)元件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，包括透鏡組、光圈與焦距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、固定部件和連接機(jī)構(gòu)等，通過特定的排列和光路設(shè)計完成對光線的處理，聚焦光線并形成圖像。對焦裝置用于調(diào)整透鏡組中的光學(xué)元件的位置，從而改變焦點(diǎn)的位置，以便在不同距離上實現(xiàn)清晰聚焦，確保物體在圖像傳感器上形成清晰的成像。光圈環(huán)是用于控制鏡頭光圈開口大小的一個可旋轉(zhuǎn)環(huán)，光圈的大小直接影響鏡頭的曝光量和成像景深。鏡頭接環(huán)是鏡頭連接到相機(jī)機(jī)身的連接件，鏡頭接環(huán)的主要作用是機(jī)械連接、光學(xué)對準(zhǔn)和兼容擴(kuò)展。鏡頭濾光片是安裝在鏡頭前端或內(nèi)部，可以精確控制進(jìn)入相機(jī)的光線波長，旨在控制和優(yōu)化通過鏡頭到達(dá)圖像傳感器的光線的光學(xué)元件。常見的濾光片類型有：UV濾光片（紫外線濾光片），能夠阻擋紫外線光，減少紫外線造成的圖像質(zhì)量下降；IR濾光片（紅外線濾光片），能阻擋紅外線光，防止紅外線干擾圖像傳感器，導(dǎo)致成像失真；偏振光濾光片，僅允許特定方向的偏振光通過，減少反光面（如金屬、玻璃、水面等）的散射光和反射光，提高圖像對比度和清晰度。鏡頭外殼和框架等支撐部件在鏡頭的整體結(jié)構(gòu)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們不僅提供機(jī)械穩(wěn)定性和耐久性，還能起到保護(hù)內(nèi)部的光學(xué)元件和電子組件的作用。鏡頭類型鏡頭通常是使用折射率不同的各種硝材經(jīng)研磨、拋光和鍍膜等工藝，加工成高精度的曲面鏡片，并把這些鏡片進(jìn)行組合。（1）標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鏡頭工業(yè)鏡頭是專門設(shè)計用于工業(yè)應(yīng)用中的光學(xué)成像和檢測任務(wù)的鏡頭，通常具有較高的光學(xué)精度和分辨率，旨在確保在復(fù)雜、多變和高要求的工業(yè)環(huán)境中提供高精度、高可靠性和高質(zhì)量的成像和檢測服務(wù)。（2）長焦鏡頭工業(yè)長焦鏡頭是專門為滿足工業(yè)領(lǐng)域中遠(yuǎn)距離、高精度成像需求而設(shè)計的。長焦鏡頭具有高放大倍率，支持較長的工作距離（WD），能在不干擾目標(biāo)物體的前提下進(jìn)行遠(yuǎn)距離成像。（3）廣角鏡頭廣角鏡頭是指具有較大的視角（視場角），通常具有90度以上的視角，一些甚至能達(dá)到180度，可以覆蓋更大的工作區(qū)域，減少盲點(diǎn)，特別適用于需要大范圍監(jiān)控和檢測的場景。（4）微距鏡頭微距鏡頭專為近距離拍攝設(shè)計，能夠在非常近的距離拍攝對象，捕捉微小細(xì)節(jié)，適合于微小物體的高精度成像。（5）魚眼鏡頭工業(yè)魚眼鏡頭是一種特殊用途的廣角鏡頭，能夠提供極寬廣的視角，在需要廣域監(jiān)控和全景成像的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。鏡頭參數(shù)（1）工業(yè)鏡頭接口類型鏡頭的接口也稱鏡頭安裝規(guī)格，是指鏡頭與攝像設(shè)備（如相機(jī)、攝像機(jī)等）之間的連接方式和物理接口標(biāo)準(zhǔn)。常見的工業(yè)視覺標(biāo)準(zhǔn)接口包括C接口（C-Mount）、CS接口（CS-Mount）、F接口（F-Mount）、M42/12接口（M42/12-Mount）等多種安裝類型等。鏡頭接口不僅是機(jī)械連接，現(xiàn)代鏡頭接口有些還提供電子接點(diǎn)，可用于實現(xiàn)電子光圈控制、自動對焦和鏡頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋＃?）焦距工業(yè)鏡頭的焦距是指從鏡頭主光學(xué)中心到成像平面的距離，是衡量光學(xué)系統(tǒng)匯聚或發(fā)散光線能力強(qiáng)弱程度的度量方式。短焦鏡頭視場角大，適合大范圍的監(jiān)控、需要涵蓋大面積或多個目標(biāo)的檢測任務(wù)；長焦鏡頭適合于拍攝遠(yuǎn)距離場景或特定細(xì)節(jié)，可以對遠(yuǎn)距離的物體進(jìn)行細(xì)致、高分辨率的觀察和分析。（3）工作距離工業(yè)視覺領(lǐng)域一般將鏡頭組中心到被測對象的距離稱為工作距離（WD）。不同的鏡頭在不同工作距離上的成像效果不同，正確的工作距離能夠確保光線通過鏡頭后正確會聚在成像傳感器上，從而形成清晰的圖像。鏡頭的工作距離、視野、焦距和適配的相機(jī)CCD尺寸是成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，它們之間彼此關(guān)聯(lián)，共同影響成像質(zhì)量和系統(tǒng)性能。工作距離、視野、焦距和適配的相機(jī)CCD尺寸符合以下比例公式：（4）視野視野是鏡頭可以捕捉到的實際空間范圍，工業(yè)視覺應(yīng)用中常用視場角或視角來描述視野范圍。（5）鏡頭倍率鏡頭倍率也稱為鏡頭光學(xué)倍率，是指被測對象的實際大小（通常也指拍攝的視野范圍）與光學(xué)系統(tǒng)的成像大?。ㄋ褂孟鄼C(jī)的傳感器尺寸）的比值。（6）光圈光圈用于控制照射光線透過鏡頭進(jìn)入相機(jī)感光面的總體光通量，調(diào)節(jié)光圈可以控制光路系統(tǒng)能夠接收的光線能量，影響成像的明暗效果；同時，光圈也是決定鏡頭景深的關(guān)鍵參數(shù)。3工業(yè)相機(jī)成像工業(yè)相機(jī)是一種專門為工業(yè)檢測和監(jiān)控應(yīng)用而設(shè)計及的高性能相機(jī)，以CCD或CMOS圖像傳感器為核心部件，集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。相機(jī)成像原理相機(jī)是獲取圖像的前端采集設(shè)備，主要依賴于CCD（電荷耦合器件）或CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器。（1）像元像元，或稱為像素（Pixel），有時也稱為光敏元，是組成圖像傳感器的最小感光圖像單元。（2）CCD與COMSCCD（ChargeCoupledDevice，電荷耦合器件）和CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）是兩種主要的圖像傳感器技術(shù)，集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD通過光電二極管將光轉(zhuǎn)換為電荷，通過電荷耦合方式將這些電荷逐行傳輸?shù)揭粋€讀出放大器進(jìn)行信號處理。CMOS傳感器同樣通過光電二極管將光轉(zhuǎn)換為電荷，但每個像素內(nèi)包含一個單獨(dú)的放大器，允許直接訪問和讀取每個像素的電壓信號。CCD傳感器由于采用的是電荷逐行傳輸?shù)姆绞?，色彩一致性較好，噪聲水平較低；CMOS傳感器能夠支持高幀率拍攝，而且CMOS傳感器可以集成更多的功能，如圖像處理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），這也減少了外部組件的需求，簡化了設(shè)計并降低了成本。相機(jī)參數(shù)（1）分辨率分辨率又稱為解析度或解像度，主要用于描述相機(jī)對被攝物的分辨能力，通常以

（兩個方向上的像素數(shù)）來表示。如1280×720，其分辨率就是921600像素，也就是常說的100萬像素。主流工業(yè)線陣相機(jī)包含2k，4k以及8k分辨率，能夠滿足多樣化的市場需求。（2）幀率幀率也成為幀速，即相機(jī)每秒能夠捕捉的圖像數(shù)量，用以衡量相機(jī)采集和傳輸圖像的速率，通常以幀數(shù)FPS（FramesPerSecond）表示。在工業(yè)自動化產(chǎn)線檢測中，視覺系統(tǒng)必須能夠快速采集相機(jī)視野范圍內(nèi)移動的工件，因此在應(yīng)用中要根據(jù)視覺項目檢測要求選擇適合的幀率。（3）像元尺寸像元尺寸指芯片像元陣列上每個像元的實際物理尺寸，通常以微米（μm）表示。像元尺寸越大，單個像元能夠接收到的光子就越多，該芯片的感光性能也就越強(qiáng)。（4）像素位深像素位深是指用多少位數(shù)據(jù)來描述每個像元的圖像信息。一般常用的有8位、10位、12位和16位等，如像素位深8位表示能夠輸出的圖像數(shù)據(jù)位是2的8次冪，即0-255共256級。像素位深越高，其表達(dá)的圖像數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)就越精細(xì)，但是像元位深越大，其圖像采集和運(yùn)算處理時間也越長。（5）快門類型快門是一種用于控制感光元件或膠片曝光時間的機(jī)械開合裝置，在快門開啟與閉合的時間內(nèi)，讓通過鏡頭的光線使相機(jī)內(nèi)的感光元件或膠片獲得正確的曝光。（6）接口類型相機(jī)與計算機(jī)或其他設(shè)備的連接方式，常見接口包括USB、GigE、CameraLink等，選擇時需考慮數(shù)據(jù)傳輸速度和傳輸距離。視覺成像系統(tǒng)搭建在確定視覺系統(tǒng)整體方案前，先要確定項目檢測的方向，屬于測量、檢測還是識別定位等類別，不同的檢測方向?qū)︾R頭和相機(jī)等硬件的需求是不同的。確定檢測內(nèi)容所需的工作空間、系統(tǒng)精度等參數(shù)，再根據(jù)項目精度要求及工作空間，并綜合考慮硬件成本等完成視覺系統(tǒng)設(shè)計選型。4工業(yè)視覺系統(tǒng)選型案例1.項目需求現(xiàn)有一工業(yè)包裝產(chǎn)線缺陷檢測項目，客戶要求檢測區(qū)域內(nèi)方塊產(chǎn)品表面有無有無臟污；不區(qū)分顏色；產(chǎn)品視野范圍大小約為

；單像素精度為0.1mm；相機(jī)成像靶面要求不小于

（英寸）；被測產(chǎn)品放置于低速流水線傳送狀態(tài)，最高需要在一秒內(nèi)拍10張圖片；產(chǎn)品檢測裝置可安裝在產(chǎn)線上方

范圍內(nèi)，無空間限制或其他特殊需求。2.選型方案該項目測試的是固定視野大小的產(chǎn)品，用于污漬缺陷檢測，無色彩要求，產(chǎn)品檢測速度為低速流水線傳送，所以可以選擇全局曝光方式的黑白面陣相機(jī)。計算相機(jī)所需的最小分辨率為：選定2448×2048（500萬）像素工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)MV-CS050-10GM為備選型號根據(jù)檢測內(nèi)容和現(xiàn)場環(huán)境設(shè)定工作距離為150mm，目標(biāo)視野高度方向尺寸為90mm，CMOS相機(jī)傳感器在該方向的尺寸為

2048*3.45/1000=7.0656mm則適配鏡頭的焦距=150*7.0656/90（mm），經(jīng)計算焦距約為

。選擇MVL-MF1224M-5MPE工業(yè)鏡頭做為相機(jī)的配套鏡頭。視覺系統(tǒng)的光源