一、參考博客

光學(xué)放大倍率、電子放大倍率及顯示器放大倍率
https://blog.csdn.net/szx123_/article/details/103926728

機(jī)器視覺一些概念
https://blog.csdn.net/hzfalling2016/article/details/72639586?utm_medium=distribute.pc_relevant.none-task-blog-title-6&spm=1001.2101.3001.4242

選型參考
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
鏡頭選型：https://blog.csdn.net/weixin_43197380/article/details/90522203

參考書籍
《機(jī)器視覺的自動(dòng)檢測技術(shù)》 余文勇 石繪編著

二、機(jī)器視覺相關(guān)知識(shí)總結(jié)

機(jī)器視覺系統(tǒng)的硬件組成包括工業(yè)相機(jī)、鏡頭以及光源，下面分別從類型、相關(guān)參數(shù)以及選型三個(gè)方面對這三個(gè)硬件進(jìn)行介紹。

2.1 工業(yè)相機(jī)

2.1.1 工業(yè)相機(jī)的類型

按芯片技術(shù)分類， 分為CCD（電荷耦合器件）和CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）。兩者的區(qū)別及特點(diǎn)：
（1）將光轉(zhuǎn)化為電信號的方式不同，對于CCD傳感器，光照射到像元上，像元產(chǎn)生電荷，電荷通過少量的輸出電極傳輸轉(zhuǎn)化為電流、緩沖、信號輸出；對于CMOS傳感器，每個(gè)像元自己完成電荷到電壓的轉(zhuǎn)換，同時(shí)產(chǎn)生數(shù)字信號，所以處理過程很快，適用于高幀率相機(jī)；
（2）CCD相機(jī)的照度范圍是CMOS傳感器感光度的3~10倍，所以目前一般CCD相機(jī)成像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS相機(jī)；照度是指物體被照亮的程度，采用單位面積所接受的光通量表示，單位為勒（Lux）。
（3）CMOS可以將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、數(shù)字信號處理器和計(jì)算機(jī)接口控制電路集成在一塊硅片上，有結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、速度快、耗電低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率低等問題，但是在“有源像元單元”結(jié)構(gòu)出現(xiàn)后，使得CMOS在一些參數(shù)上接近于CCD相機(jī)，而其價(jià)格、功能、尺寸等方面優(yōu)于CCD相機(jī)，所以被廣泛應(yīng)用。

按輸出圖像信號格式分類，分為模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)，模擬相機(jī)所輸出的信號形式為標(biāo)準(zhǔn)的模擬量視頻信號，需要配專用的圖像采集卡才能轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信息。一般用于電視攝像和監(jiān)控領(lǐng)域，具有通用性好、成本低的特點(diǎn)，但一般分辨率低、采集速度慢。數(shù)字相機(jī)是在內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換電路，可以直接將模擬量的圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，不僅有效避免了圖像傳輸線路中的干擾問題，而且由于擺脫了標(biāo)準(zhǔn)視頻信號格式的制約，對外的信號輸出使用更加高速和靈活的數(shù)字信號傳輸協(xié)議，可以做成各種分辨率的形式，出現(xiàn)了目前數(shù)字相機(jī)百花齊放的形式。

按像元排列方式分類， 分為面陣相機(jī)和線陣相機(jī)。
（1）面陣相機(jī)：其像元是按行列整齊排列的，每個(gè)像元對應(yīng)圖像上的一個(gè)像素點(diǎn)，一般所說的分辨率就是指像元的個(gè)數(shù)。這類相機(jī)拍攝速度快，對所拍攝景物及光照條件無特殊要求。
（2）線陣相機(jī)：其像元是一維線狀排列的，即只有一行像元，每次只能采集一行的圖像數(shù)據(jù)，所以在機(jī)器視覺系統(tǒng)中一般用于被測物體連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場合，尤其適合運(yùn)動(dòng)速度較快、分辨率要求較高的情況。

根據(jù)成像色彩，可以分為黑白、彩色及拜耳相機(jī)。黑白相機(jī)直接將光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成圖像灰度值，生成的是灰度圖像；彩色相機(jī)能獲得景物中紅、綠、藍(lán)三個(gè)分量的光信號，輸出彩色圖像。彩色相機(jī)能夠提供比黑白相機(jī)更多的圖像信息。拜耳相機(jī)是一個(gè)4×4陣列，由8個(gè)綠色、4個(gè)藍(lán)色和4個(gè)紅色像素組成，在將灰度圖形轉(zhuǎn)換為彩色圖片時(shí)會(huì)以2×2矩陣進(jìn)行9次運(yùn)算，最后生成一幅彩色圖形。

2.1.2 工業(yè)相機(jī)的參數(shù)

分辨率

最大幀率

曝光方式和快門速度，對于工業(yè)線陣相機(jī)都是逐行曝光的方式，可以 選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時(shí)間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間； 面陣相機(jī)有幀曝光、場曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見方式，工業(yè)數(shù)字相機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功 能。快門速度一般可到10微秒，高速相機(jī)還可以更快。

傳感器尺寸

像素深度，一般為8BIt，對于數(shù)字相機(jī)，一般還有10Bit、12Bit等。

像元尺寸，像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機(jī)靶面的大小。目前工業(yè)數(shù) 字相機(jī)像元尺寸一般為3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。

固定圖像噪聲：不隨像素點(diǎn)的空間坐標(biāo)改變的噪聲，其中主要是暗電流噪聲。

動(dòng)態(tài)范圍：相機(jī)探測光信號的范圍。

光學(xué)接口：相機(jī)和鏡頭之間的接口，常用的接口有C口、CS口和F口。

光譜回應(yīng)特性：像元傳感器對不同光波的敏感程度，一般相應(yīng)范圍為350~1000nm.

2.1.3 工業(yè)相機(jī)的選型

根據(jù)應(yīng)用的不同分別選用CCD或CMOS相機(jī)
CCD工業(yè)相機(jī)主要應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)物體的圖像提取，當(dāng)然隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展，很多貼片機(jī)也在選用CMOS工業(yè)相機(jī)。用在視覺自動(dòng)檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD工業(yè)相機(jī)比較多。CMOS工業(yè)相機(jī)由成本低，功耗低也應(yīng)用越來越廣泛。

黑白/彩色
對于沒有色彩要求的檢測場合，使用黑白相機(jī)可以直接獲取灰度圖像，不需要后續(xù)圖像灰度化。

分辨率的選擇
　　首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據(jù)精度選擇分辨率。相機(jī)像素精度=單方向視野范圍大小/相機(jī)單方向分辨率。則相機(jī)單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。
　　若單視野為5mm長，理論精度為0.02mm，則單方向分辨率=5/0.02=250。然而為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，不會(huì)只用一個(gè)像素單位對應(yīng)一個(gè)測量/觀察精度值，一般可以選擇倍數(shù)4或更高。這樣該相機(jī)需求單方向分辨率為1000，選用130萬像素已經(jīng)足夠。
　　其次看工業(yè)相機(jī)的輸出，若是體式觀察或機(jī)器軟件分析識(shí)別，分辨率高是有幫助的；若是VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴于顯示器的分辨率，工業(yè)相機(jī)的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；利用存儲(chǔ)卡或拍照功能，工業(yè)相機(jī)的分辨率高也是有幫助的。

相機(jī)幀數(shù)選擇
　　當(dāng)被測物體有運(yùn)動(dòng)要求時(shí)，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機(jī)。但一般來說分辨率越高，幀數(shù)越低；

曝光時(shí)間
要滿足物體運(yùn)動(dòng)速度Vp*曝光時(shí)間Ts<允許最長拖影S。運(yùn)動(dòng)速度比較快的物體拍照，為了防止長的拖影就需要極短的曝光時(shí)間，選用感光比較好的工業(yè)相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)。

與鏡頭的匹配
　　傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配。

相關(guān)計(jì)算公式
光學(xué)放大倍率=靶面尺寸/視野大小
電子放大倍率=顯示屏大小（in）*25.4/相機(jī)靶面對角線長度（mm）
可分辨的景物精度=像素尺寸、放大倍率
鏡頭焦距=物距/(1+1/放大倍率）

2.2 光源系統(tǒng)

光源是獲取高質(zhì)量圖像的關(guān)鍵，也會(huì)影響圖像處理的效率和準(zhǔn)確性，光源系統(tǒng)的意義：
（1）照亮被測物體，提高圖像亮度；
（2）增強(qiáng)圖像對比度，使目標(biāo)特征突出，降低圖像處理算法難度，提高系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性；
（3）減弱環(huán)境光對成像的干擾。
（4）用作測量的工具或參照
針對不同的檢測物需要不同的光源系統(tǒng)。
2.2.1光源的類型
1.根據(jù)光源的發(fā)光機(jī)理不同，可以分為高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)簟ED（發(fā)光二極管）光源、氣體放電燈、激光二極管LD。
（1）高頻熒光燈
高頻熒光燈的發(fā)光原理和日光燈類似，只是燈管是工業(yè)級產(chǎn)品，并且采用高頻電源，也就是光源閃爍的頻率遠(yuǎn)高于相機(jī)采集圖像的頻率，消除圖像的閃爍。適合大面積照明，亮度高，且成本低。但需要一定時(shí)間換燈管，國外高頻燈管最快可做到60HZ。
原理： 日光燈主要由bai燈管、鎮(zhèn)流器和du啟動(dòng)器組成。燈管的兩端zhi各有一個(gè)燈絲，dao管中充有稀簿的氬和微量水銀蒸氣，管壁上涂著熒光粉。兩個(gè)燈絲之間的氣體在導(dǎo)電時(shí)發(fā)射的電子與水銀原子撞擊發(fā)出紫外線，熒光粉受到紫外線的照射才發(fā)出可見光。
（2）鹵素?zé)?br /> 鹵素?zé)粢步泄饫w光源，因?yàn)楣饩€是通過光纖傳輸?shù)?#xff0c;適合小范圍的高亮度照明。它真正發(fā)光的是鹵素?zé)襞?#xff0c;功率大，可達(dá)100多瓦。適合對環(huán)境溫度比較敏感的場合，比如二次元量側(cè)儀的照明。缺點(diǎn)是壽命只有2000h左右。
（3）發(fā)光二極管LED
LED是一種固態(tài)半導(dǎo)體器件，可以直接將電轉(zhuǎn)化為光。優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕、便于集成；工作電壓低、耗電少、驅(qū)動(dòng)簡便，容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制；比普通光源單色型好，有多種顏色可選；發(fā)光亮度高，發(fā)光效率高，亮度便于調(diào)整壽命長（10000~30000h）、響應(yīng)快（短于1us）；可以設(shè)計(jì)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同的光源照射角度。
有各種形式組合，面光源常用作背光源；同軸光源：光線方向基本都是平行同軸的；環(huán)形光源（高角度入射光源：光線入射角度和被檢測表面的夾角接近垂直）。
（4）氣體放電燈
一般包括汞燈、鈉燈、氙燈等。發(fā)光原理是靠氣體分子激發(fā)后放電發(fā)出光。優(yōu)點(diǎn)是功率大，光色接近日光，紫外線豐富，主要應(yīng)用在錢廣、色溫要求接近日光的場合。
（5）激光二極管LD
激光光源是利用激發(fā)態(tài)粒子在受激輻射作用下發(fā)光的點(diǎn)光源，是一種相干光源。特點(diǎn)是方向性好、發(fā)散角小（約0.18度），比普通光源小2~3個(gè)數(shù)量級，亮度高、能量高度集中，亮度比普通光源高幾百萬倍、單色性好、光譜范圍極小，頻率單一；相干性好，受激輻射，傳播方向/振動(dòng)方向/頻率/相位一致，時(shí)間相干性、空間相干性好。
2.2.2選擇光源
1.選擇光源需要考慮系統(tǒng)特性。
（1）對比度
（2）亮度
（3）魯棒性：對部件位置變化不敏感，
（4）光源可測性
（5）物體表面
（6）控制反射
（7）表面紋理
（8）表面形狀
（9）光源均勻性
（10）光源技術(shù)的應(yīng)用
2.照明技術(shù)
（1）一般目的照明：一般采用環(huán)狀或點(diǎn)狀照明。環(huán)狀最常用，便于安裝在鏡頭前方，可以給漫反射表面提供足夠的照明。
（2）背光照明
（3）同軸照明：與攝像頭的軸向有相同的光照射到物體表面。對于實(shí)現(xiàn)扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。此外還可以實(shí)現(xiàn)使表面角度變化部分高亮，因?yàn)椴淮怪庇跀z像頭的表面反射的光不會(huì)進(jìn)入鏡頭，從而造成表面較暗。
（4）連續(xù)漫反射照明
（5）暗域照明：用以表面有凸起或紋理變化的照明

（6）結(jié)構(gòu)光：一種投影在物體表面的有一定幾何形狀的光（如線形、圓形、正方形）。多用于測距。
3.灰度照明技術(shù)
（1）直射和漫射照明
直射照明指光源的反射光直接進(jìn)入相機(jī)鏡頭，漫射照明指光源反射光不直接進(jìn)入鏡頭，而是經(jīng)過多級反射后進(jìn)入鏡頭。

（2）背向照明和前向照明
背向照明將光源置于物體的后面，這種照明方式可以突出不透明物體的陰影或觀察透明物體的內(nèi)部，可以很好地提取出目標(biāo)物體的邊緣輪廓。如晶片或玻璃基底上的傷痕檢測、LCD 檢測、微小電子元件尺寸形狀、靶標(biāo)測試等。優(yōu)點(diǎn)在于可以將被測物體的邊緣輪廓清晰地勾勒出來，由于在圖像中，被測物被遮擋的部分為黑色，未被遮擋的部分為白色，因此，形成黑白分明易于分析的圖像。光的波長越長，對物體的穿透力越強(qiáng)，紅光穿透力最強(qiáng)，紫光最弱。還分為中心照明和斜射照明。
前向照明是指將光源放置于檢測物前方，主要是照射物體的表面缺陷、劃痕和重要的細(xì)節(jié)特征。

2.3 工業(yè)鏡頭

相機(jī)的鏡頭類似于人眼的晶狀體。如果沒有鏡頭，相機(jī)無法輸出清晰的圖像。在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，鏡頭的作用是將成像目標(biāo)聚焦在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭對成像質(zhì)量有著關(guān)鍵作用，他對成像質(zhì)量的幾個(gè)最主要指標(biāo)都有影響，包括分辨率、對比度、景深及各種像差。
2.3.1 鏡頭類型
（1）根據(jù)有效像場的大小部分
鏡頭的有效像場應(yīng)該大于或等于攝像機(jī)的靶面尺寸，否則成像的邊角部分會(huì)模糊甚至沒有影像。

（2）根據(jù)焦距劃分
根據(jù)焦距是否可調(diào)，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭。根據(jù)焦距長度，定焦鏡頭又可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、長焦鏡頭四大類。變焦鏡頭又分為手動(dòng)變焦和電動(dòng)變焦。

（3）根據(jù)光圈劃分
鏡頭有手動(dòng)光圈和自動(dòng)光圈。
（4）根據(jù)鏡頭接口類型劃分
C接口、CS、V、T2、萊卡接口、M42、M50接口。
（5）特殊用途
顯微鏡頭、微距鏡頭、遠(yuǎn)心鏡頭、紫外和紅外鏡頭。
鏡頭是由透鏡和光闌組成。
2.3.2鏡頭參數(shù)
（1）焦距（f）
（2）光圈/相對孔徑
光圈和相對直徑是兩個(gè)概念，光圈用F表示，以鏡頭焦距f和通光孔徑D的比值來衡量，F值越大，光圈越小。相對孔徑（D/f表示）是鏡頭入瞳直徑與焦距比值，而光圈是相對孔徑的倒數(shù)。
（3）視野范圍（FOV）：相機(jī)實(shí)際拍到的區(qū)域尺寸。
（4）工作距離（WD）
（5）像面尺寸
（6）像質(zhì)：成像質(zhì)量，實(shí)際成像可能有桶形畸變和枕形畸變。
（7）工作波長與透射率
（8）景深：是指在被攝物體聚焦清楚后，在物體前后一定距離內(nèi)，其影像仍然清晰的范圍。隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化，光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；焦距越長，景深越小；焦距越短，景深越大。距離拍攝物體越近時(shí)，景深越小，距離拍攝物體越遠(yuǎn)時(shí)，景深越大。
（9）接口
（10）對應(yīng)最大CCD尺寸：鏡頭成像直徑可覆蓋的最大CCD芯片尺寸。
（11）分辨率
（12）鏡頭的放大倍數(shù)
（13）數(shù)值孔徑：數(shù)值孔徑（NA）是透鏡與被檢物體之間介質(zhì)的折射率（n）和孔徑角（2α）半數(shù)的正弦之乘積。用公式表示如下：NA = n * sin α。他與分辨率成正比，與放大倍率成正比。
（14）后倍焦
2.3.2 鏡頭的選型
為控制系統(tǒng)該選擇鏡頭時(shí)候，機(jī)器視覺集成商應(yīng)該考慮四個(gè)主要因素：可以檢測物體類別和特性；景深或者焦距；加載和檢測距離；運(yùn)行環(huán)境。
（1）波長、變焦與否
根據(jù)應(yīng)用場景，如果不需要改變倍率就選擇定焦，否則變焦。對于波長，一般是可見光波段，也有其他波段，另外處理，根據(jù)需求選擇。
（2） 景深
景深是指保持理想對焦?fàn)顟B(tài)下物體允許的移動(dòng)量。
（3）工作距離、焦距
根據(jù)成像的放大率和物距這兩個(gè)條件來選擇合適焦距的鏡頭。先明確系統(tǒng)的分辨率，結(jié)合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再結(jié)合空間結(jié)構(gòu)約束知道大概的物像距離，進(jìn)一步估算焦距。
f=L/(1+1/m) m——放大倍率，L——物距。
m=靶面尺寸/視野大小
（4）像面大小和像質(zhì)
相機(jī)感光面不能超過鏡頭標(biāo)示的像面尺寸，否則邊緣視場的像質(zhì)不保。
（5）光圈和接口
鏡頭的光圈主要影響像面的亮度。接口要與相機(jī)相配合。
（6）成本和技術(shù)成熟度

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的机器视觉硬件选型相关知识的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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