相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成為有序的電信號。選擇合適的攝像機(jī)也是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，相機(jī)的不僅是直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。

主要參數(shù)

1. 分辨率（Resolution）：攝像機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)（Pixels），對于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對應(yīng)的，對于模擬攝像機(jī)則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480。

2. 像素深度（Pixel Depth）：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit等。

3. 最大幀率（Frame Rate）/行頻（Line Rate）：攝像機(jī)采集傳輸圖像的速率，對于面陣攝像機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec.），對于線陣攝像機(jī)為每秒采集的行數(shù)（Hz）。 

4. 曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）：對于線陣攝像機(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；面陣攝像機(jī)有幀曝光、場曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見方式，數(shù)字?jǐn)z像機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能?？扉T速度一般可到10微秒，高速攝像機(jī)還可以更快。 

5. 像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了攝像機(jī)靶面的大小。目前數(shù)字?jǐn)z像機(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。 

6. 光譜響應(yīng)特性（Spectral Range）：是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm，一些攝像機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對紅外感光時(shí)可去掉該濾鏡。

機(jī)器視覺系統(tǒng)中常用相機(jī)的分類

     根據(jù)不同感光芯片劃分為：有CCD和CMOS兩種：

１．CCD攝像機(jī)，CCD稱為電荷耦合器件，CCD實(shí)際上只是一個(gè)把從圖像半導(dǎo)體中出來的電子有組織地儲(chǔ)存起來的方法。

２．CMOS攝像機(jī)，CMOS稱為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，CMOS實(shí)際上只是將晶體管放在硅塊上的技術(shù)，沒有更多的含義。

  盡管CCD表示“電荷耦合器件”而CMOS表示“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，但是不論CCD或者CMOS對于圖像感應(yīng)都沒有用，真正感應(yīng)的傳感器稱做“圖像半導(dǎo)體”，CCD和CMOS傳感器實(shí)際使用的都是同一種傳感器“圖像半導(dǎo)體”，圖像半導(dǎo)體是一個(gè)P N結(jié)合半導(dǎo)體，能夠轉(zhuǎn)換光線的光子爆炸結(jié)合處成為成比例數(shù)量的電子。電子的數(shù)量被計(jì)算信號的電壓，光線進(jìn)入圖像半導(dǎo)體得越多，電子產(chǎn)生的也越多，從傳感器輸出的電壓也越高。

   因?yàn)槿搜勰芸吹?/span>1Lux照度（滿月的夜晚）以下的目標(biāo)，CCD傳感器通常能看到的照度范圍在0.1~3Lux，是CMOS傳感器感光度的3到10倍，所以目前一般CCD攝像機(jī)的圖像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS攝像機(jī)。

         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，具有結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、速度快、耗電低、成本低等特點(diǎn)。CMOS攝像機(jī)存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率低等問題，1989年后出現(xiàn)了“有源像敏單元”結(jié)構(gòu)，不僅有光敏元件和像敏單元的尋址開關(guān)，而且還有信號放大和處理等電路，提高了光電靈敏度、減小了噪聲，擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍，使得一些參數(shù)與CCD攝像機(jī)相近，而在功能、功耗、尺寸和價(jià)格方面要優(yōu)于CCD，逐步得到廣泛的應(yīng)用。CMOS傳感器可以做得非常大并有和CCD傳感器同樣的感光度，因此非常適用于特殊應(yīng)用。CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過程，直接將圖像半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)變成電壓信號，因此就非?？?，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得CMOS傳感器對于高幀攝像機(jī)非常有用，高幀速度能達(dá)到400到100000幀/秒。

       按輸出圖像信號格式劃分為：模擬和數(shù)字兩種。

         模擬攝像機(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。模擬攝像機(jī)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)，但一般分辨率較低、采集速度慢，而且在圖像傳輸中容易受到噪聲干擾，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降，所以只能用于對圖像質(zhì)量要求不高的機(jī)器視覺系統(tǒng)。常用的攝像機(jī)輸出信號格式有：

 1、PAL（黑白為CCIR），中國電視標(biāo)準(zhǔn)，625行，50場

 2、NTSC（黑白為EIA），日本電視標(biāo)準(zhǔn)，525行，60場

 3、SECAM

 4、S-VIDEO

 5、分量傳輸

           數(shù)字?jǐn)z像機(jī)是在內(nèi)部集成了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?jǐn)z像機(jī)百花齊放的形勢。常見的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)圖像輸出標(biāo)準(zhǔn)有：

1、IEEE1394 

2、USB2.0

 3、DCOM3

 4、RS-644 LVDS

 5、Channel Link LVDS

 6、Camera Link LVDS

 7、千兆網(wǎng)

         按像元排列方式，劃分為面陣式和線陣式。

  面陣攝像機(jī)是我們常見的形式，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)，我們一般所說的分辨率就是指像元的個(gè)數(shù)。需要指出的是我們計(jì)算機(jī)中的彩色圖像一般是每個(gè)像素點(diǎn)由R、G、B三個(gè)值來表示，但我們一般的彩色攝像機(jī)卻并不是這樣的，下面分別進(jìn)行介紹：

 1、黑白攝像機(jī)，每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)像元，該像元對于各種波長的光具有較一致的敏感度，采集得到的只是每個(gè)像素點(diǎn)的灰度值。 

2、采用BAYER轉(zhuǎn)化的單片彩色攝像機(jī)，這種攝像機(jī)的每個(gè)像素點(diǎn)實(shí)際只對應(yīng)R、G、B三種之一的像元，R、G、B三種像元按一定的規(guī)律排列，我們實(shí)際所得到的每個(gè)像素點(diǎn)的R、G、B三原色的數(shù)值是根據(jù)該像素點(diǎn)及其周圍若干點(diǎn)的三色數(shù)值進(jìn)行BAYER插分計(jì)算而來的，所以這種攝像機(jī)所得到的圖像往往不能得到很好的彩色效果，尤其是對應(yīng)邊緣位置會(huì)有較明顯的色彩失真和細(xì)節(jié)的丟失。目前我們常見的彩色攝像機(jī)一般是這種形式的，其價(jià)格和同檔次的黑白攝像機(jī)相近。

3、3CCD彩色攝像機(jī)，這種攝像機(jī)每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)有R、G、B三個(gè)感光元件，采用分光棱鏡將入射光線分別折射到三個(gè)CCD靶面上，分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到R、G、B三色的數(shù)值（見下圖）。這種攝像機(jī)得到的圖像質(zhì)量好，沒有細(xì)節(jié)丟失的問題，但由于攝像機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以一般較昂貴。另外由于這種攝像機(jī)采用了分光棱鏡的方式，光線到達(dá)每個(gè)CCD靶面的光程是不一樣的，所以需要鏡頭做針對性的設(shè)計(jì)才能達(dá)到比較好的圖像效果，所以使用3CCD的攝像機(jī)還需要配備專用的鏡頭。

      線陣攝像機(jī)是一種比較特殊的形式，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)，只有當(dāng)攝像機(jī)與被攝物體在縱向相對運(yùn)動(dòng)時(shí)才能得到我們平?？吹降亩S圖像。所以在機(jī)器視覺系統(tǒng)中一般用于被測物連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場合，尤其適合于運(yùn)動(dòng)速度較快、分辨率要求較高的情況。

 1、黑白攝像機(jī)，也是最常用的線陣攝像機(jī)，每個(gè)像素點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)像元，采集得到的是灰度圖像。

 2、3Line彩色攝像機(jī)，該攝像機(jī)的具有R、G、B三行像元，分別對紅、綠、蘭三種波長的光敏感，所以每個(gè)像素點(diǎn)都會(huì)對應(yīng)R、G、B三個(gè)通道的數(shù)值，形成彩色的圖像數(shù)據(jù)。需要注意的是，由于R、G、B三行像元在同一時(shí)刻所采集的并非同一位置的信息（見圖），在實(shí)際應(yīng)用中需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校正才能得到所需的彩色圖像。一般的攝像機(jī)都提供內(nèi)部進(jìn)行運(yùn)動(dòng)校正處理的功能，但對于對比度非常高的圖像邊緣還是容易出現(xiàn)色彩失真的現(xiàn)象。

 3、3CCD彩色攝像機(jī)，與面陣的3CCD攝像機(jī)原理相同，采用分光棱鏡將入射光線分別折射到三個(gè)CCD靶面上，分別進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換得到R、G、B三色的數(shù)值。圖像質(zhì)量好，但需配備專用鏡頭。

光學(xué)鏡頭概述及分類

        光學(xué)鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡稱鏡頭，其功能就是光學(xué)成像。鏡頭是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的重要組件，對成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用，它對成像質(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。鏡頭不僅種類繁多，而且質(zhì)量差異也非常大，但一般用戶在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)往往對鏡頭的選擇重視不夠，導(dǎo)致不能得到理想的圖像，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)失敗。本文的目的是通過對各種常見鏡頭的分類及主要參數(shù)介紹，總結(jié)各種因素之間的相互關(guān)系，使讀者掌握機(jī)器視覺系統(tǒng)中鏡頭的選用技巧。

       根據(jù)有效像場的大小劃分，把攝影鏡頭安裝在一很大的伸縮暗箱前端，并在該暗箱后端安裝一塊很大的磨砂玻璃。當(dāng)將鏡頭光圈開至最大，并對準(zhǔn)無限遠(yuǎn)景物調(diào)焦時(shí)，在磨砂玻璃上呈現(xiàn)出的影像均位于一圓形面積內(nèi)，而圓形外則漆黑，無影像。此有影像的圓形面積稱為該鏡頭的最大像場。在這個(gè)最大像場范圍的中心部位，有一能使無限遠(yuǎn)處的景物結(jié)成清晰影像的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域稱為清晰像場。照相機(jī)或攝影機(jī)的靶面一般都位于清晰像場之內(nèi)，這一限定范圍稱為有效像場。由于視覺系統(tǒng)中所用的攝像機(jī)的靶面尺寸有各種型號，所以在選擇鏡頭時(shí)一定要注意鏡頭的有效像場應(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。

   根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭兩大類。依據(jù)焦距的長短，定焦距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。需要注意的是焦距的長短劃分并不是以焦距的絕對值為首要標(biāo)準(zhǔn)，而是以像角的大小為主要區(qū)分依據(jù)，所以當(dāng)靶面的大小不等時(shí)，其標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦距大小也不同。變焦鏡頭上都有變焦環(huán)，調(diào)節(jié)該環(huán)可以使鏡頭的焦距值在預(yù)定范圍內(nèi)靈活改變。變焦距鏡頭最長焦距值和最短焦距值的比值稱為該鏡頭的變焦倍率。變焦鏡頭有可分為手動(dòng)變焦和電動(dòng)變焦兩大類。

   變焦鏡頭由于具有可連續(xù)改變焦距值的特點(diǎn)，在需要經(jīng)常改變攝影視場的情況下非常方便使用，所以在攝影領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以最大相對孔徑不能做得太大，致使圖像亮度較低、圖像質(zhì)量變差，同時(shí)在設(shè)計(jì)中也很難針對各種焦距、各種調(diào)焦距離做像差校正，所以其成像質(zhì)量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比。

  實(shí)際中常用的鏡頭的焦距是從4毫米到300毫米的范圍內(nèi)有很多的等級，如何選擇合適焦距的鏡頭是在機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的一個(gè)主要問題。光學(xué)鏡頭的成像規(guī)律可以根據(jù)兩個(gè)基本成像公式牛頓公式和高斯公式來推導(dǎo)，對于機(jī)器視覺系統(tǒng)的常見設(shè)計(jì)模型，我們一般是根據(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的。

         根據(jù)鏡頭接口類型劃分，鏡頭和攝像機(jī)之間的接口有許多不同的類型，工業(yè)攝像機(jī)常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徠卡接口、M42接口、M50接口等。接口類型的不同和鏡頭性能及質(zhì)量并無直接關(guān)系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各種常用接口之間的轉(zhuǎn)接口。

         C接口和CS接口是工業(yè)攝像機(jī)最常見的國際標(biāo)準(zhǔn)接口，為1英寸－32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區(qū)別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的攝像機(jī)可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用C口鏡頭時(shí)需要加一個(gè)5mm的接圈；C型接口的攝像機(jī)不能用CS口的鏡頭。

         F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標(biāo)準(zhǔn)，所以又稱尼康口，也是工業(yè)攝像機(jī)中常用的類型，一般攝像機(jī)靶面大于1英寸時(shí)需用F口的鏡頭。

        V接口鏡頭是著名的專業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標(biāo)準(zhǔn)，一般也用于攝像機(jī)靶面較大或特殊用途的鏡頭。

特殊用途的鏡頭

· 顯微鏡頭（Micro），一般是指成像比例大于10:1的拍攝系統(tǒng)所用，但由于現(xiàn)在的攝像機(jī)的像元尺寸已經(jīng)做到3微米以內(nèi)，所以一般成像比例大于2:1時(shí)也會(huì)選用顯微鏡頭。

· 微距鏡頭（Macro），一般是指成像比例為2:1～1:4的范圍內(nèi)的特殊設(shè)計(jì)的鏡頭。在對圖像質(zhì)量要求不是很高的情況下，一般可采用在鏡頭和攝像機(jī)之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達(dá)到放大成像的效果。

· 遠(yuǎn)心鏡頭（Telecentric），主要是為糾正傳統(tǒng)鏡頭的視差而特殊設(shè)計(jì)的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不會(huì)隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。

  我們在評價(jià)鏡頭質(zhì)量時(shí)一般還會(huì)從分辨率、明銳度和景深等幾個(gè)實(shí)用參數(shù)判斷：

1. 分辨率（Resolution）：又稱鑒別率、解像力，指鏡頭清晰分辨被攝景物纖維細(xì)節(jié)的能力，制約鏡頭分辨率的原因是光的衍射現(xiàn)象，即衍射光斑（愛里斑）。分辨率的單位是“線對/毫米“ （lp/mm）。

2. 明銳度（Acutance）：也稱對比度，是指圖像中最亮和最暗的部分的對比度。

3. 景深（DOF)：在景物空間中，位于調(diào)焦物平面前后一定距離內(nèi)的景物，還能夠結(jié)成相對清晰的影像。上述位于調(diào)焦物平面前后的能結(jié)成相對清晰影像的景物間之縱深距離，也就是能在實(shí)際像平面上獲得相對清晰影像的景物空間深度范圍，稱為景深。

4. 最大相對孔徑與光圈系數(shù)：相對孔徑，是指該鏡頭的入射光孔直徑（用D表示）與焦距（用f表示）之比，即：相對孔徑＝D/ f 。相對孔徑的倒數(shù)稱為光圈系數(shù)（aperture scale），又稱為f/制光圈系數(shù)或光孔號碼。一般鏡頭的相對孔徑是可以調(diào)節(jié)的，其最大相對孔徑或光圈系數(shù)往往標(biāo)示在鏡頭上，如1:1.2或f/1.2 。如果拍攝現(xiàn)場的光線較暗或曝光時(shí)間很短，則需要盡量選擇最大相對孔徑較大的鏡頭。

鏡頭各參數(shù)間的相互影響關(guān)系

一個(gè)好的鏡頭，在分辨率、明銳度、景深等方面都有很好的體現(xiàn)，對各種像差的校正也比較好，但同時(shí)其價(jià)格也會(huì)幾倍甚至上百倍的提高。如果我們掌握一些規(guī)律和經(jīng)驗(yàn)，就可以使用同檔次的鏡頭達(dá)到更好的效果。

1. 焦距大小的影響情況

· 焦距越小，景深越大；

· 焦距越小，畸變越大；

· 焦距越小，漸暈現(xiàn)象越嚴(yán)重，使像差邊緣的照度降低；

2. 光圈大小的影響情況

光圈越大，圖像亮度越高；

· 光圈越大，景深越??；

· 光圈越大，分辨率越高；

3. 像場中央與邊緣

· 一般像場中心較邊緣分辨率高

· 一般像場中心較邊緣光場照度高

4. 光波長度的影響

在相同的攝像機(jī)及鏡頭參數(shù)條件下，照明光源的光波波長越短，得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測量的視覺系統(tǒng)中，盡量采用短波長的單色光作為照明光源，對提高系統(tǒng)精度有很大的作用。

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