一、參考博客

光學放大倍率、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
《機器視覺的自動檢測技術》 余文勇 石繪編著

二、機器視覺相關知識總結

機器視覺系統的硬件組成包括工業相機、鏡頭以及光源，下面分別從類型、相關參數以及選型三個方面對這三個硬件進行介紹。

2.1 工業相機

2.1.1 工業相機的類型

按芯片技術分類， 分為CCD（電荷耦合器件）和CMOS（互補金屬氧化物半導體）。兩者的區別及特點：
（1）將光轉化為電信號的方式不同，對于CCD傳感器，光照射到像元上，像元產生電荷，電荷通過少量的輸出電極傳輸轉化為電流、緩沖、信號輸出；對于CMOS傳感器，每個像元自己完成電荷到電壓的轉換，同時產生數字信號，所以處理過程很快，適用于高幀率相機；
（2）CCD相機的照度范圍是CMOS傳感器感光度的3~10倍，所以目前一般CCD相機成像質量要優于CMOS相機；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轉換器、存儲器、數字信號處理器和計算機接口控制電路集成在一塊硅片上，有結構簡單、處理功能多、速度快、耗電低、成本低等優點，但存在成像質量差、像敏單元尺寸小、填充率低等問題，但是在“有源像元單元”結構出現后，使得CMOS在一些參數上接近于CCD相機，而其價格、功能、尺寸等方面優于CCD相機，所以被廣泛應用。

按輸出圖像信號格式分類，分為模擬相機和數字相機，模擬相機所輸出的信號形式為標準的模擬量視頻信號，需要配專用的圖像采集卡才能轉化為計算機可以處理的數字信息。一般用于電視攝像和監控領域，具有通用性好、成本低的特點，但一般分辨率低、采集速度慢。數字相機是在內部集成A/D轉換電路，可以直接將模擬量的圖像信號轉化為數字信息，不僅有效避免了圖像傳輸線路中的干擾問題，而且由于擺脫了標準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字信號傳輸協議，可以做成各種分辨率的形式，出現了目前數字相機百花齊放的形式。

按像元排列方式分類， 分為面陣相機和線陣相機。
（1）面陣相機：其像元是按行列整齊排列的，每個像元對應圖像上的一個像素點，一般所說的分辨率就是指像元的個數。這類相機拍攝速度快，對所拍攝景物及光照條件無特殊要求。
（2）線陣相機：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據，所以在機器視覺系統中一般用于被測物體連續運動的場合，尤其適合運動速度較快、分辨率要求較高的情況。

根據成像色彩，可以分為黑白、彩色及拜耳相機。黑白相機直接將光強信號轉換成圖像灰度值，生成的是灰度圖像；彩色相機能獲得景物中紅、綠、藍三個分量的光信號，輸出彩色圖像。彩色相機能夠提供比黑白相機更多的圖像信息。拜耳相機是一個4×4陣列，由8個綠色、4個藍色和4個紅色像素組成，在將灰度圖形轉換為彩色圖片時會以2×2矩陣進行9次運算，最后生成一幅彩色圖形。

2.1.2 工業相機的參數

分辨率

最大幀率

曝光方式和快門速度，對于工業線陣相機都是逐行曝光的方式，可以 選擇固定行頻和外觸發同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以設定一個固定的時間； 面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，工業數字相機一般都提供外觸發采圖的功 能。快門速度一般可到10微秒，高速相機還可以更快。

傳感器尺寸

像素深度，一般為8BIt，對于數字相機，一般還有10Bit、12Bit等。

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

固定圖像噪聲：不隨像素點的空間坐標改變的噪聲，其中主要是暗電流噪聲。

動態范圍：相機探測光信號的范圍。

光學接口：相機和鏡頭之間的接口，常用的接口有C口、CS口和F口。

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

2.1.3 工業相機的選型

根據應用的不同分別選用CCD或CMOS相機
CCD工業相機主要應用在運動物體的圖像提取，當然隨著CMOS技術的發展，很多貼片機也在選用CMOS工業相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD工業相機比較多。CMOS工業相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。

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

分辨率的選擇
　　首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據精度選擇分辨率。相機像素精度=單方向視野范圍大小/相機單方向分辨率。則相機單方向分辨率=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。然而為增加系統穩定性，不會只用一個像素單位對應一個測量/觀察精度值，一般可以選擇倍數4或更高。這樣該相機需求單方向分辨率為1000，選用130萬像素已經足夠。
　　其次看工業相機的輸出，若是體式觀察或機器軟件分析識別，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，工業相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；利用存儲卡或拍照功能，工業相機的分辨率高也是有幫助的。

相機幀數選擇
　　當被測物體有運動要求時，要選擇幀數高的工業相機。但一般來說分辨率越高，幀數越低；

曝光時間
要滿足物體運動速度Vp*曝光時間Ts<允許最長拖影S。運動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間，選用感光比較好的工業相機，可以實現。

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。

相關計算公式
光學放大倍率=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

光源是獲取高質量圖像的關鍵，也會影響圖像處理的效率和準確性，光源系統的意義：
（1）照亮被測物體，提高圖像亮度；
（2）增強圖像對比度，使目標特征突出，降低圖像處理算法難度，提高系統的精度和穩定性；
（3）減弱環境光對成像的干擾。
（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。
2.2.1光源的類型
1.根據光源的發光機理不同，可以分為高頻熒光燈、光纖鹵素燈、LED（發光二極管）光源、氣體放電燈、激光二極管LD。
（1）高頻熒光燈
高頻熒光燈的發光原理和日光燈類似，只是燈管是工業級產品，并且采用高頻電源，也就是光源閃爍的頻率遠高于相機采集圖像的頻率，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、鎮流器和du啟動器組成。燈管的兩端zhi各有一個燈絲，dao管中充有稀簿的氬和微量水銀蒸氣，管壁上涂著熒光粉。兩個燈絲之間的氣體在導電時發射的電子與水銀原子撞擊發出紫外線，熒光粉受到紫外線的照射才發出可見光。
（2）鹵素燈
鹵素燈也叫光纖光源，因為光線是通過光纖傳輸的，適合小范圍的高亮度照明。它真正發光的是鹵素燈泡，功率大，可達100多瓦。適合對環境溫度比較敏感的場合，比如二次元量側儀的照明。缺點是壽命只有2000h左右。
（3）發光二極管LED
LED是一種固態半導體器件，可以直接將電轉化為光。優點是體積小、重量輕、便于集成；工作電壓低、耗電少、驅動簡便，容易實現計算機控制；比普通光源單色型好，有多種顏色可選；發光亮度高，發光效率高，亮度便于調整壽命長（10000~30000h）、響應快（短于1us）；可以設計成復雜的結構，實現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。發光原理是靠氣體分子激發后放電發出光。優點是功率大，光色接近日光，紫外線豐富，主要應用在錢廣、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態粒子在受激輻射作用下發光的點光源，是一種相干光源。特點是方向性好、發散角小（約0.18度），比普通光源小2~3個數量級，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/振動方向/頻率/相位一致，時間相干性、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）光源技術的應用
2.照明技術
（1）一般目的照明：一般采用環狀或點狀照明。環狀最常用，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。對于實現扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。此外還可以實現使表面角度變化部分高亮，因為不垂直于攝像頭的表面反射的光不會進入鏡頭，從而造成表面較暗。
（4）連續漫反射照明
（5）暗域照明：用以表面有凸起或紋理變化的照明

（6）結構光：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
（1）直射和漫射照明
直射照明指光源的反射光直接進入相機鏡頭，漫射照明指光源反射光不直接進入鏡頭，而是經過多級反射后進入鏡頭。

（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部，可以很好地提取出目標物體的邊緣輪廓。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、靶標測試等。優點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，紅光穿透力最強，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、劃痕和重要的細節特征。

2.3 工業鏡頭

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

（2）根據焦距劃分
根據焦距是否可調，可分為定焦鏡頭和變焦鏡頭。根據焦距長度，定焦鏡頭又可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭四大類。變焦鏡頭又分為手動變焦和電動變焦。

（3）根據光圈劃分
鏡頭有手動光圈和自動光圈。
（4）根據鏡頭接口類型劃分
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
（1）焦距（f）
（2）光圈/相對孔徑
光圈和相對直徑是兩個概念，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。
（3）視野范圍（FOV）：相機實際拍到的區域尺寸。
（4）工作距離（WD）
（5）像面尺寸
（6）像質：成像質量，實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，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，景深越小，距離拍攝物體越遠時，景深越大。
（9）接口
（10）對應最大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
（13）數值孔徑：數值孔徑（NA）是透鏡與被檢物體之間介質的折射率（n）和孔徑角（2α）半數的正弦之乘積。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
為控制系統該選擇鏡頭時候，機器視覺集成商應該考慮四個主要因素：可以檢測物體類別和特性；景深或者焦距；加載和檢測距離；運行環境。
（1）波長、變焦與否
根據應用場景，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，根據需求選擇。
（2） 景深
景深是指保持理想對焦狀態下物體允許的移動量。
（3）工作距離、焦距
根據成像的放大率和物距這兩個條件來選擇合適焦距的鏡頭。先明確系統的分辨率，結合CCD像素尺寸就能知道放大倍率，再結合空間結構約束知道大概的物像距離，進一步估算焦距。
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
相機感光面不能超過鏡頭標示的像面尺寸，否則邊緣視場的像質不保。
（5）光圈和接口
鏡頭的光圈主要影響像面的亮度。接口要與相機相配合。
（6）成本和技術成熟度

總結

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容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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