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机器视觉检测系统中这些参数你都知道么?

摄像机是机器视觉系统中的一个关键组件,其最本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号。选择合适的摄像机也是机器视觉系统设计中的重要环节,摄像机的不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直接相关。

主要参数

1. 分辨率(Resolution):摄像机每次采集图像的像素点数(Pixels),对于数字摄像机一般是直接与光电传感器的像元数对应的,对于模拟摄像机则是取决于视频制式,PAL制为768*576,NTSC制为640*480。

2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素数据的位数,一般常用的是8Bit,对于数字摄像机一般还会有10Bit、12Bit等。

3. 最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate):摄像机采集传输图像的速率,对于面阵摄像机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.),对于线阵摄像机为每秒采集的行数(Hz)。

4. 曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter):对于线阵摄像机都是逐行曝光的方式,可以选择固定行频和外触发同步的采集方式,曝光时间可以与行周期一致,也可以设定一个固定的时间;面阵摄像机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式,数字摄像机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒,高速摄像机还可以更快。

5. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元数(分辨率)共同决定了摄像机靶面的大小。目前数字摄像机像元尺寸一般为3μm-10μm,一般像元尺寸越小,制造难度越大,图像质量也越不容易提高。

6. 光谱响应特性(Spectral Range):是指该像元传感器对不同光波的敏感特性,一般响应范围是350nm-1000nm,一些摄像机在靶面前加了一个滤镜,滤除红外光线,如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

机器视觉系统中常用摄像机的分类

根据不同感光芯片划分

我们知道感光芯片是摄像机的核心部件,目前摄像机常用的感光芯片有CCD和CMOS两种:

1.CCD摄像机,CCD称为电荷耦合器件,CCD实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存起来的方法。

2.CMOS摄像机,CMOS称为“互补金属氧化物半导体”,CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术,没有更多的含义。

尽管CCD表示“电荷耦合器件”而CMOS表示“互补金属氧化物半导体”,但是不论CCD或者CMOS对于图像感应都没有用,真正感应的传感器称做“图像半导体”,CCD和CMOS传感器实际使用的都是同一种传感器“图像半导体”,图像半导体是一个P N结合半导体,能够转换光线的光子爆炸结合处成为成比例数量的电子。电子的数量被计算信号的电压,光线进入图像半导体得越多,电子产生的也越多,从传感器输出的电压也越高。

因为人眼能看到1Lux照度(满月的夜晚)以下的目标,CCD传感器通常能看到的照度范围在0.1~3Lux,是CMOS传感器感光度的3到10倍,所以目前一般CCD摄像机的图像质量要优于CMOS摄像机。

CMOS可以将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口控制电路集成在一块硅片上,具有结构简单、处理功能多、速度快、耗电低、成本低等特点。CMOS摄像机存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率低等问题,1989年后出现了“有源像敏单元”结构,不仅有光敏元件和像敏单元的寻址开关,而且还有信号放大和处理等电路,提高了光电灵敏度、减小了噪声,扩大了动态范围,使得一些参数与CCD摄像机相近,而在功能、功耗、尺寸和价格方面要优于CCD,逐步得到广泛的应用。CMOS传感器可以做得非常大并有和CCD传感器同样的感光度,因此非常适用于特殊应用。CMOS传感器不需要复杂的处理过程,直接将图像半导体产生的电子转变成电压信号,因此就非常快,这个优点使得CMOS传感器对于高帧摄像机非常有用,高帧速度能达到400到100000帧/秒。

按输出图像信号格式划分

模拟摄像机

模拟摄像机所输出的信号形式为标准的模拟量视频信号,需要配专用的图像采集卡才能转化为计算机可以处理的数字信息。模拟摄像机一般用于电视摄像和监控领域,具有通用性好、成本低的特点,但一般分辨率较低、采集速度慢,而且在图像传输中容易受到噪声干扰,导致图像质量下降,所以只能用于对图像质量要求不高的机器视觉系统。常用的摄像机输出信号格式有:

PAL(黑白为CCIR),中国电视标准,625行,50场

NTSC(黑白为EIA),日本电视标准,525行,60场

SECAM

S-VIDEO

分量传输

数字摄像机

数字摄像机是在内部集成了A/D转换电路,可以直接将模拟量的图像信号转化为数字信息,不仅有效避免了图像传输线路中的干扰问题,而且由于摆脱了标准视频信号格式的制约,对外的信号输出使用更加高速和灵活的数字信号传输协议,可以做成各种分辨率的形式,出现了目前数字摄像机百花齐放的形势。常见的数字摄像机图像输出标准有:

IEEE1394

USB2.0

DCOM3

RS-644 LVDS

Channel Link LVDS

Camera Link LVDS

千兆网

按像元排列方式划分

面阵摄像机

面阵摄像机是我们常见的形式,其像元是按行列整齐排列的,每个像元对应图像上的一个像素点,我们一般所说的分辨率就是指像元的个数。需要指出的是我们计算机中的彩色图像一般是每个像素点由R、G、B三个值来表示,但我们一般的彩色摄像机却并不是这样的,下面分别进行介绍:

黑白摄像机,每个像素点对应一个像元,该像元对于各种波长的光具有较一致的敏感度,采集得到的只是每个像素点的灰度值。

采用BAYER转化的单片彩色摄像机,这种摄像机的每个像素点实际只对应R、G、B三种之一的像元,R、G、B三种像元按一定的规律排列,我们实际所得到的每个像素点的R、G、B三原色的数值是根据该像素点及其周围若干点的三色数值进行BAYER插分计算而来的,所以这种摄像机所得到的图像往往不能得到很好的彩色效果,尤其是对应边缘位置会有较明显的色彩失真和细节的丢失。目前我们常见的彩色摄像机一般是这种形式的,其价格和同档次的黑白摄像机相近。

BAYER彩色摄像机原理图

3CCD彩色摄像机,这种摄像机每个像素点对应有R、G、B三个感光元件,采用分光棱镜将入射光线分别折射到三个CCD靶面上,分别进行光电转换得到R、G、B三色的数值(见下图)。这种摄像机得到的图像质量好,没有细节丢失的问题,但由于摄像机结构复杂,所以一般较昂贵。另外由于这种摄像机采用了分光棱镜的方式,光线到达每个CCD靶面的光程是不一样的,所以需要镜头做针对性的设计才能达到比较好的图像效果,所以使用3CCD的摄像机还需要配备专用的镜头。

3CCD彩色摄像机原理图

线阵摄像机

线阵摄像机是一种比较特殊的形式,其像元是一维线状排列的,即只有一行像元,每次只能采集一行的图像数据,只有当摄像机与被摄物体在纵向相对运动时才能得到我们平常看到的二维图像。所以在机器视觉系统中一般用于被测物连续运动的场合,尤其适合于运动速度较快、分辨率要求较高的情况。

黑白摄像机,也是最常用的线阵摄像机,每个像素点对应一个像元,采集得到的是灰度图像。

3Line彩色摄像机,该摄像机的具有R、G、B三行像元,分别对红、绿、兰三种波长的光敏感,所以每个像素点都会对应R、G、B三个通道的数值,形成彩色的图像数据。需要注意的是,由于R、G、B三行像元在同一时刻所采集的并非同一位置的信息(见图),在实际应用中需要进行运动校正才能得到所需的彩色图像。一般的摄像机都提供内部进行运动校正处理的功能,但对于对比度非常高的图像边缘还是容易出现色彩失真的现象。

3CCD彩色摄像机,与面阵的3CCD摄像机原理相同,采用分光棱镜将入射光线分别折射到三个CCD靶面上,分别进行光电转换得到R、G、B三色的数值。图像质量好,但需配备专用镜头。

光学镜头概述及分类

光学镜头一般称为摄像镜头或摄影镜头,简称镜头,其功能就是光学成像。镜头是机器视觉系统中的重要组件,对成像质量有着关键性的作用,它对成像质量的几个最主要指标都有影响,包括:分辨率、对比度、景深及各种像差。镜头不仅种类繁多,而且质量差异也非常大,但一般用户在进行系统设计时往往对镜头的选择重视不够,导致不能得到理想的图像,甚至导致系统开发失败。本文的目的是通过对各种常见镜头的分类及主要参数介绍,总结各种因素之间的相互关系,使读者掌握机器视觉系统中镜头的选用技巧。

根据有效像场的大小划分

把摄影镜头安装在一很大的伸缩暗箱前端,并在该暗箱后端安装一块很大的磨砂玻璃。当将镜头光圈开至最大,并对准无限远景物调焦时,在磨砂玻璃上呈现出的影像均位于一圆形面积内,而圆形外则漆黑,无影像。此有影像的圆形面积称为该镜头的最大像场。在这个最大像场范围的中心部位,有一能使无限远处的景物结成清晰影像的区域,这个区域称为清晰像场。照相机或摄影机的靶面一般都位于清晰像场之内,这一限定范围称为有效像场。由于视觉系统中所用的摄像机的靶面尺寸有各种型号,所以在选择镜头时一定要注意镜头的有效像场应该大于或等于摄像机的靶面尺寸,否则成像的边角部分会模糊甚至没有影像。

根据有效像场的大小,一般可分为如下几类:

镜头类型

有效像场尺寸

电视摄像镜头

1/4英寸摄像镜头

3.2mm×2.4mm(对角线4mm)

1/3英寸摄像镜头

4.8mm×3.6mm(对角线6mm)

1/2英寸摄像镜头

6.4mm×4.8mm(对角线8mm)

2/3英寸摄像镜头

8.8mm×6.6mm(对角线11mm)

1英寸摄像镜头

12.8mm×9.6mm(对角线16mm)

电影摄影镜头

35mm电影摄影镜头

21.95mm×16mm(对角线27.16mm)

16mm电影摄影镜头

10.05mm×7.42mm(对角线12.49mm)

照相镜头

135型摄影镜头

36mm×24mm

127型摄影镜头

40mm×40mm

120型摄影镜头

80mm×60mm

中型摄影镜头

82mm×56mm

大型摄影镜头

240mm×180mm

根据焦距分类

根据焦距能否调节,可分为定焦距镜头和变焦距镜头两大类。依据焦距的长短,定焦距镜头又可分为鱼眼镜头、短焦镜头、标准镜头、长焦镜头四大类。需要注意的是焦距的长短划分并不是以焦距的绝对值为首要标准,而是以像角的大小为主要区分依据,所以当靶面的大小不等时,其标准镜头的焦距大小也不同。变焦镜头上都有变焦环,调节该环可以使镜头的焦距值在预定范围内灵活改变。变焦距镜头最长焦距值和最短焦距值的比值称为该镜头的变焦倍率。变焦镜头有可分为手动变焦和电动变焦两大类。

变焦镜头由于具有可连续改变焦距值的特点,在需要经常改变摄影视场的情况下非常方便使用,所以在摄影领域应用非常广泛。但由于变焦距镜头的透镜片数多、结构复杂,所以最大相对孔径不能做得太大,致使图像亮度较低、图像质量变差,同时在设计中也很难针对各种焦距、各种调焦距离做像差校正,所以其成像质量无法和同档次的定焦距镜头相比。

变焦距镜头

定焦距镜头

手动变焦 电动变焦

鱼眼镜头 短焦镜头 标准镜头 长焦镜头

实际中常用的镜头的焦距是从4毫米到300毫米的范围内有很多的等级,如何选择合适焦距的镜头是在机器视觉系统设计时要考虑的一个主要问题。光学镜头的成像规律可以根据两个基本成像公式牛顿公式和高斯公式来推导,对于机器视觉系统的常见设计模型,我们一般是根据成像的放大率和物距这两个条件来选择合适焦距的镜头的,在此给出一组实用的计算公式:

放大率:m=h’/h=L’/L

物距:L = f(1+1/m)

像距:L’= f(1+m)

焦距:f = L/(1+1/m) 物高:h = h’/m = h’(L-f)/f

像高:h’ = mh = h(L’-f)/f

根据镜头接口类型划分

镜头和摄像机之间的接口有许多不同的类型,工业摄像机常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系,只是接口方式的不同,一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。

· C接口和CS接口是工业摄像机最常见的国际标准接口,为1英寸-32UN英制螺纹连接口,C型接口和CS型接口的螺纹连接是一样的,区别在于C型接口的后截距为17.5mm,CS型接口的后截距为12.5mm。所以CS型接口的摄像机可以和C口及CS口的镜头连接使用,只是使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈;C型接口的摄像机不能用CS口的镜头。

· F接口镜头是尼康镜头的接口标准,所以又称尼康口,也是工业摄像机中常用的类型,一般摄像机靶面大于1英寸时需用F口的镜头。

· V接口镜头是著名的专业镜头品牌施奈德镜头所主要使用的标准,一般也用于摄像机靶面较大或特殊用途的镜头。

特殊用途的镜头

· 显微镜头(Micro),一般是指成像比例大于10:1的拍摄系统所用,但由于现在的摄像机的像元尺寸已经做到3微米以内,所以一般成像比例大于2:1时也会选用显微镜头。

· 微距镜头(Macro),一般是指成像比例为2:1~1:4的范围内的特殊设计的镜头。在对图像质量要求不是很高的情况下,一般可采用在镜头和摄像机之间加近摄接圈的方式或在镜头前加近拍镜的方式达到放大成像的效果。

· 远心镜头(Telecentric),主要是为纠正传统镜头的视差而特殊设计的镜头,它可以在一定的物距范围内,使得到的图像放大倍率不会随物距的变化而变化,这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。

远心镜头的应用实例

· 紫外镜头(Ultraviolet)和红外镜头(Infrared),一般镜头是针对可见光范围内的使用设计的,由于同一光学系统对不同波长的光线折射率的不同,导致同一点发出的不同波长的光成像时不能会聚成一点,产生色差。常用镜头的消色差设计也是针对可见光范围的,紫外镜头和红外镜头即是专门针对紫外线和红外线进行设计的镜头。

镜头的主要参数及对成像质量的影响

镜头分不同类型,但即使对于同一类型的镜头,其成像质量也有着很大的差异,这主要是由于材质、加工精度和镜片结构的不同等因素造成的,同时也导致不同档次的镜头价格从几百元到几万元的巨大差异。比较著名的如四片三组式天塞镜头、六片四组式双高斯镜头。对于镜头设计及生产厂家,一般用光学传递函数OTF(Optical Transfer Function)来综合评价镜头成像质量,光学系统传递的是亮度沿空间分布的信息,光学系统在传递被摄景物信息时,被传递之各空间频率的正弦波信号,其调制度和位相在成实际像时的变化,均为空间频率的函数,此函数称为光学传递函数。OTF一般由调制传递函数MTF(Modulation Transfer Function)与位相传递函数PTF(Phase Transfer Function )两部分组成。

像差是影响图像质量的重要方面,常见的像差有如下六种:

· 球差:由主轴上某一物点向光学系统发出的单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,若原光束不同孔径角的各光线,不能交于主轴上的同一位置,以至在主轴上的理想像平面处,形成一弥散光斑(俗称模糊圈),则此光学系统的成像误差称为球差。

· 慧差:由位于主轴外的某一轴外物点,向光学系统发出的单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,若在理想像平面处不能结成清晰点,而是结成拖着明亮尾巴的慧星形光斑,则此光学系统的成像误差称为慧差。

· 像散:由位于主轴外的某一轴外物点,向光学系统发出的斜射单色圆锥形光束,经该光学系列折射后,不能结成一个清晰像点,而只能结成一弥散光斑,则此光学系统的成像误差称为像散。

· 场曲:垂直于主轴的平面物体经光学系统所结成的清晰影像,若不在一垂直于主轴的像平面内,而在一以主轴为对称的弯曲表面上,即最佳像面为一曲面,则此光学系统的成像误差称为场曲。当调焦至画面中央处的影像清晰时,画面四周的影像模糊;而当调焦至画面四周处的影像清晰时,画面中央处的影像又开始模糊。

· 色差:由白色物体向光学系统发出一束白光,经光学系统折射后,各色光不能会聚于一点上,而形成一彩色像斑,称为色差。色差产生的原因是同一光学玻璃对不同波长的光线的折射率不同,短波光折射率大,长波光折射率小。

· 畸变:被摄物平面内的主轴外直线,经光学系统成像后变为曲线,则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状,而不影响影像的清晰度。这是畸变与球差、慧差、像散、场曲之间的根本区别。

我们在评价镜头质量时一般还会从分辨率、明锐度和景深等几个实用参数判断:

1. 分辨率(Resolution):又称鉴别率、解像力,指镜头清晰分辨被摄景物纤维细节的能力,制约镜头分辨率的原因是光的衍射现象,即衍射光斑(爱里斑)。分辨率的单位是“线对/毫米“ (lp/mm)。

2. 明锐度(Acutance):也称对比度,是指图像中最亮和最暗的部分的对比度。

3. 景深(DOF):在景物空间中,位于调焦物平面前后一定距离内的景物,还能够结成相对清晰的影像。上述位于调焦物平面前后的能结成相对清晰影像的景物间之纵深距离,也就是能在实际像平面上获得相对清晰影像的景物空间深度范围,称为景深。

4. 最大相对孔径与光圈系数:相对孔径,是指该镜头的入射光孔直径(用D表示)与焦距(用f表示)之比,即:相对孔径=D/ f 。相对孔径的倒数称为光圈系数(aperture scale),又称为f/制光圈系数或光孔号码。一般镜头的相对孔径是可以调节的,其最大相对孔径或光圈系数往往标示在镜头上,如1:1.2或f/1.2 。如果拍摄现场的光线较暗或曝光时间很短,则需要尽量选择最大相对孔径较大的镜头。

镜头各参数间的相互影响关系

一个好的镜头,在分辨率、明锐度、景深等方面都有很好的体现,对各种像差的校正也比较好,但同时其价格也会几倍甚至上百倍的提高。如果我们掌握一些规律和经验,就可以使用同档次的镜头达到更好的效果。

1. 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. 光圈大小的影响情况

光圈越大,图像亮度越高;

· 光圈越大,景深越小;

· 光圈越大,分辨率越高;

3. 像场中央与边缘

· 一般像场中心较边缘分辨率高

· 一般像场中心较边缘光场照度高

4. 光波长度的影响

在相同的摄像机及镜头参数条件下,照明光源的光波波长越短,得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中,尽量采用短波长的单色光作为照明光源,对提高系统精度有很大的作用。

本文分享自微信公众号 - 小白学视觉(NoobCV)

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原始发表时间:2019-06-10

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