图像与机器视觉产品手册详解.doc

2.1 为什么要使用光源 机器视觉系统的核心是图像采集和处理。所有信息均来源于图像之中，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。而光源则是影响机器视觉系统图像质量的重要因素，照明对输入数据的影响至少占到30％。 通过适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。因此，光源及光学系统设计的成败是决定系统成败的首要因素。在机器视觉系统中，光源的作用至少有以下几种： 照亮目标，提高目标亮度； 形成最有利于图像处理的成像效果； 克服环境光干扰，保证图像的稳定性； 用作测量的工具或参照。 由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要设计相应的照明装置，以达到最佳效果。机器视觉系统的光源的价值也正在于此。 3.1 镜头基本构成 常见的以成像为目的的镜头，可以分为透镜组和光阑两部分。 ■ 透镜 单个透镜是进行光束变换的基本单元。 常见的有凸透镜和凹透镜两种，凸透镜对光线具有会聚作用，也称为会聚透镜或正透镜；凹透镜对光线具有发散作用，也称为发散透镜或负透镜。镜头设计中常常将这两类透镜结合使用，校正各种像差和失真，以达到满意的成像效果。 ■ 光阑 光阑的作用就是约束进入镜头的光束成分。使有益的光束进入镜头成像，而有害的光束不能进入镜头。根据光阑设置的目的不同，光阑又可以进一步细分为以下几种： 孔径光阑：它决定了进入镜头的成像光束的多寡（口径）。从而决定了镜头成像面的亮度，是镜头的关键部件之一。通常讲的“调节光圈”，就是调节孔径光阑的口径，从而改变成像面的亮度。 视场光阑：它限制、约束着镜头的成像范围。镜头的成像范围可能受一系列物理的边框、边界约束，因此实际镜头大多存在多个视场光阑。例如，每个单透镜的边框都能限制斜入射的光束，因此它们都可以算作视场光阑；CCD、CMOS或者其它感光器件的物理边界也限制了有效成像的范围，因此这些边界也是视场光阑。 消杂光光阑：为限制杂散光到达像面而设置的光阑。镜头成像的过程中，除了正常的成像光束能到达像面外，仍有一部分非成像光束也到达像面，它们被统称为杂散光。杂散光对成像来说是非常有害的，相对于成像光束它们就是干扰、噪声，它们的存在降低了成像面的对比度，降低了系统的传函。为了减少杂散光的影响，可以在设计过程中设置光阑来吸收阻挡杂散光到达像面，为此目的而引入的光阑都称为消杂光光阑。 一般地可以这样理解，透镜和光阑都是镜头的重要光学功能单元，透镜侧重于光束的变换（例如实现一定的组合焦距、减少像差等），光阑侧重于光束的取舍约束。 3.2镜头主要参数 焦距 焦距（f’）：概念上讲，无限远目标的轴上共轭点是镜头的（像方）焦点，而此焦点到(像方)主面的距离称为焦距。焦距描述了镜头的基本成像规律：在不同物距上,目标的成像位置和成像大小由焦距决定。 ■ 光圈/相对孔径 光圈和相对孔径是两个相关概念，相对孔径（通常用D/f’表示）是镜头入瞳直径与焦距的比值；而光圈（通常用F表示）是相对孔径的倒数。 ■ 视场/视场角 视场和视场角是相似概念，它们都是用来衡量镜头成像范围的。 在远距离成像中，例如望远镜、航拍镜头等场合，镜头的成像范围常用视场角来衡量，用成像最大范围构成的张角表示（2ω）。 在近距离成像中，常用实际物面的幅面表示（Vdx H）成像范围，也称为镜头的视场。 这两个概念的使用没有绝对的界限，视使用方便而定。 ■ 工作距离(Work distance) 镜头与目标之间的距离称作镜头的工作距离。需要注意的是，一个实际镜头并不是对任何物距下的目标都能做到清晰成像（即使调焦也做不到），所以它允许的工作距离是一个有限范围。 ■ 像面尺寸 一个镜头能清晰成像的范围是有限的，像面尺寸指它能支持的最大清晰成像范围（通常用其直径表示）。超过这个范围成像模糊，对比度降低。所以在给镜头选配CCD时，可以遵循“大的兼容小的”原则进行。就是镜头的像面尺寸大于（或等于）CCD尺寸。 ■ 像质（MTF、畸变） 像质就是指镜头的成像质量，用于评价一个镜头的成像优劣。传函（调制传递函数的简称，用MTF表示）和畸变就是用于评价像质的两个重要参数。 MTF：在成像过程中的对比度衰减因子。实际镜头成像，得到的像与实物相比，成像出现“模糊化”，对比度下降，通常用MTF来衡量成像优劣。 如下图所示，为某个镜头中心视场的MTF曲线。 图中横坐标是空间频率，纵坐标就是MTF值。由于实际成像中总有像差存在，成像的对比度总是下降的，作为对比度衰减因子的MTF也总是小于1的。像面上任何位置的MTF值都是空