机器视觉硬件知识
1.工业相机
光信号转换成电信号，从而实现数字图像。
按芯片类型
CCD相机
CMOS相机
按传感器结构特征
线阵相机
面阵相机
按扫描方式
隔行扫描
逐行扫描
按分辨率大小
普通
高分辨率
按输出信号
模拟相机
数字相机
按输出色彩
黑白相机
彩色相机
按输出数据速度
普通速度相机
高速相机
按响应频率范围
可见光（普通）
红外、紫外
- CCD芯片尺寸：特殊之处——1inch == 16mm != 25.4mm
- 相机芯片尺寸：镜头尺寸≥相机芯片尺寸
- 增益：通过调节电压放大环节调节图像亮度
工业相机接口
接口类型
后截距
螺纹尺寸
C Mount
17.526mm
25.4mm 32tpi thread
CS Mount
12.5mm
25.4mm 32tpi thread
F Mount
46.5mm
卡口
K Mount
45.6mm
卡口
工业相机通信接口
接口类型
传输速度
辅助设备
数据线长度
备注
USB2.0
480Mbps
不需要
5米
成本低，CPU占有率高
1394a
400Mbps
1394卡
4.5米
成本稍高，CPU占有率低
1394b
800Mbps—3.2Gbps
1394卡
100米UTP-5线或光纤
成本较高，CPU占有率低
GigE(千兆网)
1Gbps
千兆网主板
100米
成本非常高
CameraLink
4.8Gbps
CameraLink图像采集卡
10米
相机和采集卡价格最高
2.镜头
2.1重要参数
- 视场（Field of view, 即FOV，也叫视野范围）：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物理部分。※※
- 工作距离（Working Distance，WD）：指从镜头前部到受检测物体的距离，即清晰成像的表面距离（距离是否可调？是否有安装空间？）
- 分辨率：图像系统可以测到的受检测物体上的最小可分辨特征尺寸，在多数情况下，视野越小，分辨率越好。
- 景深DOF：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力。
- 焦距f：透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是相机中从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。】
焦距大小的影响情况：
- 焦距越小，景深越大；
- 焦距越小，畸变越大；
- 焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低。
2.2远心镜头
主要是为了纠正传统工业镜头视差而设计，可以在一定物距范围内使得到的图像放大倍率不会变化，其本质是普通镜头与小孔成像原理的结合。
分类：
- 物方远心
- 像方远心
- 双侧远心
2.3镜头选型
第一部分:远心镜头的原理说明
一般镜头在成像过程中,当工作距离发生变化时,其所成图像大小会相应的发生变化,造成的结果就是同一个焦距的镜头,对应不同的物距,将会有不同的放大倍率,这一现象跟人类视觉系统的近大远小视觉差类似。这一问题在某些应用场合是可以被忽略甚至加以利用的,但是当我们的视觉系统被用来执行精密测量任务时,这一特性则会成为极大的阻碍。
普通的镜头都存在一定范围的景深,当被测物体不在镜头的景深范围内时,图像就会变得模糊,无法清晰聚焦,为此,设计师们在普通镜头上设计了调焦环,当工作距离发生变化时,可以通过调节对焦面来看清楚感兴趣的区域。问题是,如果被测物体本身的深度超出了一定范围,镜头始终没办法同时看清首尾两端
第三个问题,随着现在成像芯片分辨率的不断提高,用户对测量精度的要求也越来越苛刻,普通的镜头受制于其光学成像的原理,最好的也只能做到10um左右,视觉检测领域需要精度更高的成像产品。
第二部分:远心镜头使用范围
选用双远心镜头：
1)当被检测物体厚度较大,需要检测不止一个平面时,典型应用如食品盒,饮料瓶等。
2)当被测物体的摆放位置不确定,可能跟镜头成一定角度时。
3)当被测物体在被检测过程中上下跳动,如生产线上下震动导致工作距离发生变化时。
4)当被测物体带孔径、或是三维立体物体时。
5)当需要低畸变率、图像效果亮度几乎完全一致时。
6)当需要检测的缺陷只在同一方向平行照明下才能检测到时。
7)当需要超过检测精度时,如容许误差为1um。
第三部分:远心镜头的选型方法
- 兼容的CCD靶面尺寸。这一点跟普通镜头的选择类似,要求远心镜头兼容的CCD靶面大于或等于配套的相机靶面,否则会造成分辨率的浪费。
- 接口类型。目前远心镜头提供的接口类型也跟普通镜头类似,有C口,F口等,只要跟相机配套即可使用。
放大倍率,或成像范围。当放大倍率和CCD靶面确定时,成像范围即确定,反之亦然。
- 工作距离。一般以上三点选定的情况下,工作距离已经确定在一个范围之内,这是其成像光路决定的。需要注意的就是此工作距离是否满足实际使用要求。当选用远心系统进行检测时,我们建议先选定镜头,依据其工作距离设计其他机械结构。
- 景深范围。在满足前面几个使用条件的前提下,景深范围越大,说明远心系统的光学特性越好,在选型时可作为参考。
案例分析：工业相机芯片尺寸为2/3’’，C接口，500w像素；视野是100*100mm，工作距离：500mm.
参数
说明
镜头接口
和工业相机保持一致，所以这里也选择C接口
镜头大小
须大于相机芯片，故镜头尺寸最少支持2/3’’
分辨率
高于相机，选择500w以上
焦距
500 * 8.8 / 100=44mm
放大倍率
8.8/100=0.088
3.光源
环光选型：
1、了解光源安装距离，过滤掉某些角度光源；（例如要求光源安装尺寸高，就可以过滤掉大角度光源，选择用小角度光源，同样，安装高度越高，要求光源的直径越大）
2、目标面积小，且主要特性在表面中间，可选择小尺寸0角度或小角度光源；
3、目标需要表现的特征如果在边缘，可选择90度角环光，或大尺寸高角度环形光；
4、检测表面划伤，可选择90度角环光，尽量选择波长短的光源。
条光选型：
1、条光照射宽度最好大于检测的距离，否则可能会照射距离远造成亮度差，或者是距离近而幅射面积不够；
2、条光长度能够照明所需打亮的位置即可，无须太长造成安装不便，同时也增加成本,一般情况下，光源的安装高度会影响到所选用条光的长度，高度越高，光源长度要求越长，否则图像两侧亮度传经比中间暗；
3、如果照明目标是高反光物体，最好加上漫射板，如果是黑色等暗色不反光产品，也可以拆掉漫射板以提高亮度。
条形组合光选型：
1、条形组合光在选择时，不一定要按照资料上的型号来选型，因为被测的目标形状、大小各不一样，所以可以按照目标尺寸来选择不同的条形光源进行组合；
2、组合光在选择时，一定要考虑光源的安装高度，再根据四边被测特征点的长度宽度选择相对应的条形光进行组合。
背光源/平行背光源造型：
1、选择背光源时，根据物体的大小选择合适大小的背光源，以免增加成本造成浪费；
2、背光源四周由于外壳遮挡，因此其亮度会低于中间部位，因此，选择背光源时，尽量不要使目标正好位于背光源边缘；
3、背光源一般在检测轮廓时，可以尽量使用波长短的光源，波长短的光源其衍射性弱，图像边缘不容易产生重影，对比度更高；
4、背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳的效果，并非离得越近效果越好，也非越远越好；
6、检测液位可以将背光源侧立使用；
5、圆轴类的产品，螺旋状的产品尽量使用平行背光源。
同轴光选型：
1、选择同轴光时主要看其发光面积，根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光；
2、同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍左右，因为同轴光的光路设计是让光路通过一片45度半反半透镜改变，光源靠近灯板的地方会比远离灯板的亮度高，因此，尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀；
3、同轴光在安装时尽量不要离目标太高，越高要求选用的同轴光越大，才能保证才均匀性。
平行同轴光选型要领：
1、平行同轴光光路设计独特，主要适用于检测各种划痕；
2、平行同轴光与同轴光表现的特点不一样，不能替代同轴光使用；
3、平行同轴光检测划伤之类的产品，尽量不要选择波长长的光源。
其他光源选型要领：
1、了解特征点面积大小，选择合适尺寸的光源；
2、了解产品特性，选择不同类型的光源；
3、了解产品的材质，选择不同颜色的光源；
4、了解安装空间及其他可能会产生障碍的情况，选择合适的光源。