机器视觉工程师必须了解的基础知识

CCD（像素）与视觉系统的基础知识

关于摄像元件 CCD

数码相机的构造与传统的胶片式相机（模拟式）基本相同。所不同的是数码相机中使用被称为 CCD 的光电转换元件代替胶片，图像则作为数字信息采入。 CCD 即相当于模拟式相机的胶片，那么它又是如何将图像转换为数字信号的呢？

CCD 是英语 Charge Coupled Device（电荷耦合元件）的缩写，是一种将图像转换为电信号的半导体元件。大小约为长宽各 1 厘米左右，由类似棋盘的格状排列的小像素 (pixel) 组成。

用相机拍摄风景时，拍摄对象发出的光通过镜头在 CCD 上成像。光到达 CCD 的某个像素时，将根据光的强度产生相应的电荷。将该电荷的大小读取为电信号，即可获得各像素上光的强度（浓度值）。

换言之，每个像素都是一个可以检测光强度的传感器（光电二极管）。所谓 200 万像素 CCD 就是一个由 200 万个光电二极管构成的集合体。

在检测位置及检测物体的尺寸均已确定的情况下，使用一个光电传感器就可以检测该位置是否存在该物体。但是，在生产线上的位置不确定、工件有不同尺寸，或者不只是检查工件是否存在，而是要测量工件大小、尺寸时，则使用一个光电传感器是远远不够的。 通过使用由数十万或数百万个传感器构成的 CCD，可以实现包括第一页中所述的四种检查在内的多种检查或检测。

视觉系统中像素数据的活用方法

前面谈到，CCD 的各像素可以检测光强度并使之数字化，而利用数十万到数百万个这样的数据就可以实现视觉系统。不知道大家是否可以理解？ 作为本讲的最后部分，下面将简单说明一下各像素将光强度作为何种数据传给控制器、而控制器又是如何处理这样的数据的。

各像的数据（以最常见的黑白相机为例进行说明）

亮度的 256 等级示意图

大部分图像传感器可以根据光强度将数据分为 256 个等级（8 位）。在最基本的黑白处理中，黑色（纯黑色）的数值为 “0”，白色（纯白色）的数值为 “255”，其它处于两者之间的颜色则根据光强度转换成其它数值。 换言之，CCD 的每一个像素都有一个位于 “0” （纯黑色）与 “255” （纯白色）之间的数值。例如，对于黑、白各占一半的灰色，其数值为“127”。

图像是 256 级数据的集合体

CCD 的图像数据是构成 CCD 的各像素的数据的集合。 像素数据用 256 级浓淡数据加以表示。

1. 原图像

1. 用 2500 个像素显示的左图

1. 放大眼睛部分后用 256 级数据加以表示

眼睛中央部分较黑，周围较淡，因此中央部分的数值是 “30”，周围部分的数值是 “90”。

如上图所示，图像数据的每一个像素都可以用 0 ~ 255 中的某一个数值加以表示。所谓视觉系统是指对于每一个像素，按照下例中所示的计算公式进行计算，然后找到图像上有特征的地方。

例1：损伤/欠缺检查

将检测区域分为多个分割（数像素角），计算各分割的平均浓度（0 ~ 255），然后加以比较。浓度值超过一定值的区域被视为有损伤或欠缺。

计算 4 像素角分割的平均值，然后与周围进行比较。 如上图所示，在红色分割内检测到损伤。

CCD基础和视觉系统 总结

视觉系统器可以利用摄像元件 CCD 中各像素的 256 级浓度数据，检测面积（即像素数量）、位置（即浓度变化点）及损伤（浓度变化量）等。 通过高像素化（增加信息量）及高速化（更利于生产线作业），可以使视觉系统器更好地应用于各种生产活动中。文

镜头选择基础和视觉系统

图像传感器的典型应用

视觉系统过程大致可分为如下四步：

1、拍摄 按下快门，拍摄图像。

2、传送 将图像数据由照相机传送到控制器。

3、处理 前处理: 对于图像数据进行加工，使其特征更加明显。 测算处理: 根据图像数据对于损伤、尺寸等进行测算。

4、输出结果 将处理结果以信号的方式输出到相连的控制装置（ PLC 等）。

视觉系统流程图

大多数图像传感器制造商在产品目录中，对于第三步“处理”做了更多的说明。这表明这些厂家更重视控制器的处理能力。实际上，第一步“拍摄”才是得到正确、稳定的视觉系统效果所必需的最主要的步骤。而这一步的关键在于“镜头和照明的选择”在初级篇中，笔者将以“镜头的选择”为中心，介绍有关拍摄的知识。

拍摄对视觉系统造成的影响

• Q 以杯体内侧异物及污点为拍摄对象时，以下2张图像中，哪一张可以在全范围内检测出微小的污点？
• 答案当然是右侧的图像。

只有上半部分对焦的模糊图像

• 杯体从上到下均对焦的图像

无论所用的控制器性能多强，都无法检测出左图中的微小污点。 如果具备正确的知识，即便是杯体这种上下存在高度差的工件，也可拍摄出右图这种全范围对焦的优质图像。

要点

对于视觉系统，拍摄是最重要的环节。 要实施高精度的稳定检测，下面3点最为重要。

将目标物拍摄得较大 拍摄对焦的图像 拍摄明亮清晰的图像

镜头的基础知识及选择方法

镜头的结构

照相机的镜头由多个镜片和光圈/调焦装置构成。

根据监视画面进行光圈调整和调焦，可以得到“明亮、清晰”的图像。 （有些镜头的调整装置是固定的）

※选择镜头时，视野、焦距、焦点、失真等都是需要考虑的因素。下面将只介绍最常用的“根据视野选择镜头的方法”以及“如何得到对焦良好的画面” （增加景深的方法） 这 2 点。

镜头的焦距及视野的计算方法

焦距是镜头的规格参数之一。 FA 镜头的焦距一般是 8 mm、16 mm、25 mm 或 50 mm。 根据拍摄时所需要的视野及焦距，可以计算出焦点对准的位置（WD，即工作距离）。

WD 与视野的大小由镜头的焦距及 CCD 尺寸决定。在不需要近摄环的最近距离以上时，可以根据下列公式进行计算。

WD ：视野角=焦距：CCD 尺寸 例1 ：镜头焦距 16mm、CCD 尺寸 3.6mm 时，为了得到 45mm 的视野，WD 应为 200mm

增加景深 （对焦时的高度范围）、得到清晰画面的方法

• 镜头焦距越小，景深越大。
• 与拍摄对象距离越远，景深越大。 →注意: 使用延伸环或微距镜头时，景深会变小。
• 光圈越小，景深越大。 →对于同一只镜头而言，光圈越小，亮度越大，越容易聚焦。

小光圈时的图像(CA-LH25)

大光圈时的图像(CA-LH25)

下图所示为拍摄斜面上表示高度的胶带的情况。比较小光圈和大光圈时的拍摄效果。

不同镜头性能造成对比度的差别

下图是使用基恩士公司生产的高分辨率镜头 “CA-LH16” 和标准镜头 “CV-L16” 拍摄的同一物体的图像。 由于镜头的材料及构造的不同，造成图像质量也不相同。根据用途选择高分辨的镜头，可以得到高对比度的图像。

使用镜头 CA-LH16/CV-L16（基恩士）

检查目标物 复印纸

范 围 60mm/脏污大小: 约 0.3mm

24 万像素 CCD 与 200 万像素 CCD 的比较

下图所示是采用基恩士公司生产的 24 万像素照相机和 200 万像素照相机拍摄同一画面后，再经电脑放大后的图像。可以看到，使用 200 万像素照相机拍摄的图像更利于读取文字。这意味着成像质量可以直接影响视觉系统的精度。因此，应该根据使用目的，选择适宜的照相机。

放大图像的比较

200 万像素的图像在放大后，其边缘及细节仍然清晰。

参考: 不同照相机的成像质量

镜头的扭曲（失真）

什么是镜头的失真？

镜头的失真度是拍摄图像的中央部分与周围部分的变化比率。 由于存在像差，拍摄图像的周边部分会发生某种程度的扭曲现象。 失真可分为桶形失真和枕形失真两类。表示失真度的数值（绝对值）越小，则镜头的精度越高。 在测量尺寸时，应使用失真度小的镜头。一般说来，长焦距镜头的失真度会相对小一些。

桶形失真

枕形失真

镜头选择基础和视觉系统 总结

拍摄图像的质量是视觉系统的基础。在了解了选择镜头的基础知识后，可以拍摄出：

1. 视野适宜，
2. 图像整体聚焦良好，
3. 亮度、目标物和背景对比度俱佳的清晰图像。

选择照明的三个步骤

• 1、选择照明的方式（镜面反射光、漫反射光、透射光等）
• 观察检测部位的特点（损伤、形状、有无等）。
• 观察表面（平面、曲面、是否有凹凸不平等）加以决定。
• 2、选择照明的方法*形状
• 根据工件条件、设置条件等加以决定。
• 环形光、低角度光、同轴光、碗光等。
• 3、选择照明的颜色（波长）
• 根据工件和背景的材料、颜色等加以决定。
• 蓝色、红色、白色等。

照明器材的典型形状（LED）

选择照明：第一步（镜面反射、漫反射与透射）

LED 照明种类繁多，大体上可以分为如下三种。

• 镜面反射型： 镜头接收的光线是来自拍摄对象的镜面反射光线。
• 漫反射型： 避开来自拍摄对象的镜面反射光，而接收整体、均一的光线。
• 透射型： 接收来自拍摄对象背景的光线。是一种检测轮廓的照明方式。

(1)镜面反射图像例 金属表面的刻印缺印检查

需要强调平坦的金属表面与凹凸不平的刻印部分之间的反差。

金属表面容易反射光线，因此最好是利用镜面反射光来强调表面与刻印之间的反差。

(2)漫反射图像例 透明胶带内部的晶片刻印检查

需要防止产生光晕，以强调晶片表面与刻印字符之间的反差。

透明带不会产生镜面反射，因此可以选择斜向照射的漫反射光。

(3)透射图像例 无纺布异物检查

异物与工件色调相似，从表面上看难以判别，因此需要强调异物与工件表面之间的反差。

虽然利用反射光难以观察到异物，但是只要异物的厚度、颜色与工件之间存在差异，则可以通过采用来自工件背面的透射光使异物的黑色阴影显现出来。

要点

选择照明的第一步是根据工件的形状及检查目的，确定镜面反射、漫反射、透射等照明方式。下一步是选择照明的尺寸及光线颜色，以确保所得到的图像适于检查目的。

选择照明：第二步（确定照明方法与光线形状）

(1)镜面反射图像例 玻璃端面欠缺检查

仅使用反射光的情况下

照明光线通过镜面反射随机映射在玻璃表面

【根据工件及检查目的选择照明】

• 玻璃表面会映射照明光线。
• 需要强调玻璃与背景之间的反差。
• 最好使光线垂直照在工件上。
• 应确保工件上方有一定空间。

因此选择同轴入射照明是最适宜的

(2)漫反射检查例 橡胶密封圈欠缺检查

仅使用反射光的情况下

不能看到圆周上的欠缺

【根据工件及检查目的选择照明】

• 工件是用黑色橡胶制成的，因此不会发生镜面反射。
• 欠缺部分也是黑色的，同样不会发生镜面反射。
• 如果采用某种镜面照射角度，使欠缺部分发生镜面反射，则可以达到检查目的。
• 可使光源接近工件。

因此选择低角度照明是最适宜的

(3)透射检查例 引脚形状检查

仅使用反射光的情况下

边缘部分没有反差复

【根据工件及检查目的选择照明】

• 工件是金属材料制成的，表面凹凸不平，不能产生均匀的镜面反射。
• 如使用透射光，则可以去除表面凹凸不平的影响，从而实现边缘检查。
• 工件背面可以设置光源。

因此选择面光（背光）是最适宜的

采用背光照明后 复杂的轮廓变得清晰了。

要点

在选择了镜面反射、漫反射或透射等照明方式后，根据检查目的、背景、周围环境等确定照明类型。 一般说来，镜面反射可选择同轴入射照明、环形照明或棒型照明，漫反射可选择低角度照明、环形照明或棒型照明，透射可选择面照明或棒型照明。其中环形照明及棒型照明的设置距离更加灵活，因此应用范围更广。

选择照明：第三步（决定光线颜色及波长）

最后根据工件及背景来选择光源颜色。 使用彩色照相机时一般会使用白光。如果使用黑白照相机，则需要掌握下面介绍的知识。

利用补色进行检测

为了检测纸箱中是否有红色包装的点心，分别使用了白色、红色及黑色的 LED 光源。下图所示为三种光源造成的对比度差异。

小知识

补色： 色相环图中相对的颜色互为补色。用补色光照射时会产生近似黑色的效果。

利用波长进行检测

透过包装薄膜拍摄晶片上的刻印文字。与蓝色相比，选择薄膜透射率更高（散射率较低）的红色光源可以产生更好的反差。

波长不同的光线具有不同的颜色、透射率（例如波长较大的红色光线具有较高的透射率）、散射率（例如波长较小的蓝色光线具有较大有散射率）等特性。

照明的理论知识 总结

选择适宜的光源可以得到良好的拍摄效果，从而有利于提高视觉系统效果。 选择光源时有一定的规律可循。一般说来，可按照下列步骤选择最理想的光源。

• 决定镜面反射、漫反射、透射
• 决定光源形状（制式）和尺寸
• 决定光源颜色（波长）