圖像處理基礎(chǔ)知識筆記10

114 、機器視覺

機器視覺是人工智能正在快速發(fā)展的一個分支。機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是通過機器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置CMOS和CCD兩種)將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號。圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

機器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

一個典型的工業(yè)機器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭（定焦、變倍、遠心、顯微鏡頭）、相機（包括CCD和COMS相機）、圖像處理單元、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊 / 輸入輸出單元等。

115 、工業(yè)鏡頭

機器視覺系統(tǒng)中，鏡頭相當于人的眼睛，其主要作用是將目標的光學(xué)圖像聚焦在圖像傳感器（相機）的光敏面陣上。視覺系統(tǒng)處理的所有圖像信息均通過鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺系統(tǒng)的整體性能。

1.鏡頭失真

可分為枕形失真和桶形失真，如下圖示：

2.光學(xué)倍率

3.監(jiān)視放大

計算方法：

例：VS-MS1＋10x鏡頭 1/2” CCD 照相機, 14”監(jiān)視器上的成像

0.1mm的物體在監(jiān)視器得到的是44.45mm的成像

4.解析度

表示了所能見到了2點的間隔0.61x 使用波長(λ)/ NA=解析度(μ)

以上的計算方法理論上可以計算出解析度，但不包括失真。

※使用波長為550nm

5.解像力

１mm中間可以看到黑白線的條數(shù)。單位（lp）/mm.

6.MTF（Modulation Transfer Function）

成像時再現(xiàn)物體表面的濃淡變化而使用的空間周波數(shù)和對比度。

7.工作距離（Working Distance）

鏡頭的鏡筒到物體的距離

8.O/I（Object to Imager）

物像間距離即物體到像間的長度。

9.成像圈

成像尺寸φ，要輸入相機感應(yīng)器尺寸。

10.照相機 Mount

C-mount：1"diameter x 32 TPI:FB: 17.526mm

CS-mount：1"diameter x 32 TPI:FB: 12.526mm

F-mount：FB:46.5mm

M72-Mount：FB 廠家各有不同

11.視野 (FOV)

視野指使用照相機以后看到的物體側(cè)的范圍

照相機有效區(qū)域的縱向長度（V）/光學(xué)倍率（M）＝視野（V）

照相機有效區(qū)域的橫向長度（H）/光學(xué)倍率（M）＝視野（H）

＊技術(shù)資料上的視野范圍是指由光源及有效區(qū)域的一般數(shù)值計算出來的值。

照相機有效區(qū)域的縱向長度（V）or（H）=照相機一個畫素的尺寸×有効畫素數(shù)（V）or（H）來計算。

12.景深

景深是指成像后物體的距離。同樣，照相機側(cè)的范圍稱為焦點深度。具體的景深的值多少略有不同。

13.焦距 (ｆ)

ｆ（Focal Length）光學(xué)系的后主點（H2）到焦點面的距離。

14.FNO

鏡頭從無限遠時，亮度表示的數(shù)值，值越小越亮。FNO=焦距/入射孔徑或有効口徑=f/D

15.實效F

有限距離時鏡頭的明亮度。

實效F = (1 +光學(xué)倍率) x F#

實效F = 光學(xué)倍率 / 2NA

16.NA（Numerical Aperture）

物體側(cè)的 NA = sin u x n

成像側(cè)的NA' = sin u'x n'

如下圖所示 入社角度 u, 物體側(cè)折射率n, 成像側(cè)的折射率' n'

NA = NA' x 放大率

17.邊緣亮度

相對照度是指中央的照度與周邊的照度的百分比。

18.遠心鏡頭s

主光線與鏡頭光源平行的鏡頭。有物體側(cè)的遠心，成像側(cè)的遠心，兩側(cè)的遠心行頭等方式。

19.遠心

Telecentricity是指物體的倍率誤差。倍率誤差越小，Telecentricity越高。Telecentricity有各種不同的用途，在鏡頭使用前，把握Telecentricity很重要。遠心鏡頭的主光線與鏡頭的光軸平行，Telecentricity不好，遠心鏡頭的使用效果就不好；Telecentricity可以用下圖進行簡單的確認。

20.景深 (DOF)

景深（Depth of Field）可以用以下的計算式計算出來：

景深 = 2 x Permissible COC x 實效F / 光學(xué)倍率2 = 允許誤差值 / (NA x 光學(xué)倍率)

21.通風(fēng)盤及解析度

Airy Disk是指通過沒有失真的鏡頭在將光集中一點時，實際上形成的是一個同心圓。這個同心圓就叫做Airy Disk。Airy Disk的半徑r可以通過以下的計算公式計算出來。這個值稱為解析度。ｒ= 0.61λ/NA Airy Disk的半徑隨波長改變而改變，波長越長，光越難集中于一點。 例：NA0.07的鏡頭 波長550nm r=0.61*0.55/0.07=4.8μ

22.MTF 及解析度

MTF（Modulation Transfer Function) 是指物體表面的濃淡變化，成像側(cè)也被再現(xiàn)出來。表示鏡頭的成像性能，成像再現(xiàn)物體的對比度的程度。測試對比性能，用的是具有特定空間周波數(shù)的黑白間隔測試?？臻g周波數(shù)是指１mm的距離濃淡變化的程度。

圖1所示，黑白矩陣波，黑白的對比度為100%.這個對象被鏡頭攝影后，成像的對比度的變化被定量化。基本上，不管什么鏡頭，都會出現(xiàn)對比度降低的情況。最終對比度降低至0%。，不能進行顏色的區(qū)別。

圖2、3顯示了物體側(cè)與成像側(cè)的空間周波數(shù)的變化。橫軸表示空間周波數(shù)，縱軸表示亮度。物體側(cè)與成像側(cè)的對比度由A、B計算出來。MTF由A,B的比率計算出來。

解析度與MTF的關(guān)系：解析度是指2點之間怎樣被分離認識的間隔。一般從解析度的值可以判斷出鏡頭的好壞，但是實際是MTF與解析度有很大的關(guān)系。圖4顯示了兩個不同鏡頭的MTF曲線。鏡頭a 解析度低但是具有高對比度。鏡頭b對比度低但是解析度高。