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機器視覺硬件選型基礎(chǔ)

目錄

1  機器視覺基礎(chǔ)知識

   1.1  機器視覺概述

   1.2  相機（camera）

   1.3  鏡頭（lens）

   1.4  圖像采集卡（frame grabber）

   1.5  光源（illumination）

   1.6  視覺開發(fā)軟件(vision SDK)

1.7  智能相機（smart camera）

2典型案例

3.1 定位&引導(dǎo)（Locate & Guide ）

3.2幾何尺寸測量（Gauging）

3.3 缺陷檢測 （Flaw Inspection）

3.4 光學(xué)字符檢測/識別（OCV/OCR）

1 機器視覺基礎(chǔ)知識

1.1機器視覺的概念

    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)是指通過機器視覺產(chǎn)品將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，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(biāo)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。

　　 由于機器視覺系統(tǒng)可以快速獲取大量信息，而且易于自動處理，也易于同設(shè)計信息以及加工控制信息集成，因此，在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，人們將機器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。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)。

半導(dǎo)體行業(yè)是利用機器視覺技術(shù)進行檢測的行業(yè)，其他行業(yè)也隨之而來。作為生產(chǎn)機械的OEM的設(shè)計工程師，最基本的問題就是：“我是要檢測這個部件還是整個這個產(chǎn)品”。檢測可以得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，但是也會有這樣的事實存在：檢測成本或者產(chǎn)品質(zhì)量要求并不需要這樣的檢測。比如說牙簽，假設(shè)在一個裝有500個牙簽的盒子里有一兩個不合格，大多數(shù)人都不會怎么擔(dān)心。但是對于很多產(chǎn)品，假如前面的盒子里裝的不是牙簽，而是針頭，試想不合格品可能會帶來什么樣的后果，所以產(chǎn)品功能性的檢測都是的，即使只是外觀檢測，要證明內(nèi)在的品質(zhì)也必須要做到無缺陷。因此，為了達到這個目的，許多OEM將機器視覺應(yīng)用到他們將要賣給用戶的系統(tǒng)中。機器視覺能夠為整個系統(tǒng)增值，表現(xiàn)在三個方面：提高生產(chǎn)效率，提高制造過程的精確性，減少成本。

那么，對于一個設(shè)計工程師來說，怎么樣才能知道機器視覺是否適合他的系統(tǒng)呢？盡管的最基本的機器視覺系統(tǒng)在20世紀(jì)70年代引入，工業(yè)就將其視為主流應(yīng)用。這就導(dǎo)致設(shè)計工程師要考慮它是否合適他們的應(yīng)用，同時要考慮利用機器視覺檢測的成本與其所能帶來的利潤。

高復(fù)雜度產(chǎn)品行業(yè)，比如說半導(dǎo)體行業(yè)和電子行業(yè)，由于它們的復(fù)雜性和小型化，從傳統(tǒng)上推動著機器視覺市場的發(fā)展。但是如今，所有產(chǎn)業(yè)，包括自動化、制藥、造紙等等都依靠機器視覺系統(tǒng)檢測產(chǎn)品以提高產(chǎn)品質(zhì)量。工業(yè)專家們預(yù)言：在未來的20年到50年，機器視覺將成為橫跨所有行業(yè)的通用性技術(shù)，幾乎所有出產(chǎn)的產(chǎn)品都會由機器視覺系統(tǒng)來檢測。

使用機器視覺系統(tǒng)有以下五個主要原因：

精確性——由于人眼有物理條件的限制，在精確性上機器有明顯的優(yōu)點。即使人眼依靠放大鏡或顯微鏡來檢測產(chǎn)品，機器仍然會更加精確，因為它的精度能夠達到千分之一英寸。

重復(fù)性——機器可以以相同的方法一次一次的完成檢測工作而不會感到疲倦。與此相反，人眼每次檢測產(chǎn)品時都會有細(xì)微的不同，即使產(chǎn)品時相同的。

速度 ——機器能夠更快的檢測產(chǎn)品。特別是當(dāng)檢測高速運動的物體時，比如說生產(chǎn)線上，機器能夠提高生產(chǎn)效率。

客觀性——人眼檢測還有一個致命的缺陷，就是情緒帶來的主觀性，檢測結(jié)果會隨工人心情的好壞產(chǎn)生變化，而機器沒有喜怒哀樂，檢測的結(jié)果自然非?？捎^可靠。

成本 ——由于機器比人快，一臺自動檢測機器能夠承擔(dān)好幾個人的任務(wù)。而且機器不需要停頓、不會生病、能夠連續(xù)工作，所以能夠極大的提高生產(chǎn)效率。

一旦工程師決定使用機器視覺系統(tǒng)，就需要建立這個系統(tǒng)。其中要素包括：照明光源、工件放置（夾具）、相機、位置傳感器、控制邏輯、以及圖像采集卡，圖像處理軟件、技術(shù)支持。由于大多數(shù)廠商在這個領(lǐng)域都沒有經(jīng)驗，機會來了。所以，尋找一個既了解核心技術(shù)又能為其提供系統(tǒng)所需產(chǎn)品的供應(yīng)商就成為關(guān)鍵問題。

 典型的基于PC的視覺系統(tǒng)通常由如圖1.1.1所示的幾部分組成：[參考文獻：How To Plan Your PC-Based Machine Vision System]

                          圖1.1.1   基于PC的視覺系統(tǒng)基本組成

①相機與鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統(tǒng)都是由一套或者多套這樣的成像系統(tǒng)組成，如果有多路相機，可能由圖像卡切換來獲取圖像數(shù)據(jù)，也可能由同步控制同時獲取多相機通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)應(yīng)用的需要相機可能是輸出標(biāo)準(zhǔn)的單色視頻（RS-170/CCIR）、復(fù)合信號（Y/C）、RGB信號，也可能是非標(biāo)準(zhǔn)的逐行掃描信號、線掃描信號、高分辨率信號等。

②光源——作為輔助成像器件，對成像質(zhì)量的好壞往往能起到至關(guān)重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素?zé)舻榷既菀椎玫健?/span>

③傳感器——通常以光纖開關(guān)、接近開關(guān)等的形式出現(xiàn)，用以判斷被測對象的位置和狀態(tài)，告知圖像傳感器進行正確的采集。

④圖像采集卡——通常以插入卡的形式安裝在PC中，圖像采集卡的主要工作是把相機輸出的圖像輸送給電腦主機。它將來自相機的模擬或數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流，同時它可以控制相機的一些參數(shù)，比如觸發(fā)信號，曝光/積分時間，快門速度等。圖像采集卡通常有不同的硬件結(jié)構(gòu)以針對不同類型的相機，同時也有不同的總線形式，比如PCI、PCI64、Compact PCI，PC104，ISA等。

⑤PC平臺——電腦是一個PC式視覺系統(tǒng)的核心，在這里完成圖像數(shù)據(jù)的處理和絕大部分的控制邏輯，對于檢測類型的應(yīng)用，通常都需要較高頻率的CPU，這樣可以減少處理的時間。同時，為了減少工業(yè)現(xiàn)場電磁、振動、灰塵、溫度等的干擾，必須選擇工業(yè)級的電腦。

⑥視覺處理軟件——機器視覺軟件用來完成輸入的圖像數(shù)據(jù)的處理，然后通過一定的運算得出結(jié)果，這個輸出的結(jié)果可能是PASS/FAIL信號、坐標(biāo)位置、字符串等。常見的機器視覺軟件以C/C++圖像庫，ActiveX控件，圖形式編程環(huán)境等形式出現(xiàn)，可以是專用功能的（比如僅僅用于LCD檢測，BGA檢測，模版對準(zhǔn)等），也可以是通用目的的（包括定位、測量、條碼/字符識別、斑點檢測等）。

⑦控制單元（包含I/O、運動控制、電平轉(zhuǎn)化單元等）——一旦視覺軟件完成圖像分析（除非僅用于監(jiān)控），緊接著需要和外部單元進行通信以完成對生產(chǎn)過程的控制。簡單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O，相對復(fù)雜的邏輯/運動控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元/運動控制卡來實現(xiàn)必要的動作。

上述的7個部分是一個基于PC式的視覺系統(tǒng)的基本組成，在實際的應(yīng)用中針對不同的場合可能會有不同的增加或裁減。在本章余下的小結(jié)則將針對視覺領(lǐng)域的核心部件進行詳細(xì)的介紹。

1.2 相機（Camera）

這里所說的相機主要指工業(yè)相機/攝像機，相比與民用的相機/攝像機它有高的圖像穩(wěn)定性、圖像質(zhì)量、傳輸能力和抗干擾能力等，因而價格也相比民用相機貴。以前的相機多是基于是顯像管的。如今，隨著固體成像器件的發(fā)展，市面上大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機。CCD是目前機器視覺常用的圖像傳感器。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機由光學(xué)鏡頭、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點。CMOS圖像傳感器的開發(fā)出現(xiàn)在20世紀(jì)70 年代初。90 年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優(yōu)點。目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應(yīng)用。

相機按照芯片類型、傳感器結(jié)構(gòu)特性、掃描方式、分辨率大小、輸出信號方式、輸出色彩、輸出信號速度、響應(yīng)頻率范圍等有著不同的分類方法：按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機；按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機、面陣相機；按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機、高分辨率相機；按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數(shù)字相機；按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；按照輸出信號速度可以分為普通速度相機、高速相機；按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機。

在下面的章節(jié)中，將以目前應(yīng)用較普遍的CCD相機為主來介紹工業(yè)相機。用于數(shù)字圖像處理的CCD相機一般由兩部分組成：圖像獲取單元和圖像輸出單元。

圖像獲取

與顯像管比較，CCD芯片由獨立的光敏元件構(gòu)成，每一個光敏元件表示一個像素，因此能夠傳輸二維的離散圖像。而且體積、重量都比較小，具有高動態(tài)、高線性，對機械、磁場、光影響不敏感。并且由于市場的大量生產(chǎn)，CCD相機也相對便宜一些。CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號。

圖1.2.1為CCD實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的示意圖,可以形象地喻為往井或桶內(nèi)注水，因而半導(dǎo)體物理中用“勢阱”的概念描述用來收集光激發(fā)電荷的積分區(qū)域，其中單個像素所能存儲的光電荷量（不向其鄰近像素溢出），也稱為“滿阱容量”。CCD的光敏單元收集光子與產(chǎn)生的電子數(shù)目有良好的線性關(guān)系，通常來說，2個光子產(chǎn)生一個電子，在輸出單元50000個電子產(chǎn)生一個1伏的視頻信號，增益為1：1。由于熱效應(yīng)產(chǎn)生附加的光子，即暗電流，就會產(chǎn)生不期望的噪聲。因此采用CCD芯片這種非穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)不用照明，普通的CCD即使在室溫的條件下一分鐘內(nèi)就可充滿電子，而且大約溫度每增加7攝氏度,暗電流就會加倍，這就是說芯片的溫度升高，噪聲就會急劇增加。因此，為了控制暗電流，控制一個比較短的曝光時間非常重要。

                           　　     圖1.2.1 CCD光電轉(zhuǎn)化示意圖

傳統(tǒng)控制曝光時間的方法是利用機械快門，而如今CCD芯片多采用電子曝光控制，即電子快門。在手工操作模式，用戶通?？梢赃x擇比如1/50、1/100、1/500秒的一些離散的快門速度（積分時間）；而在自動電子快門模式快門速度能夠根據(jù)入射光的強度自動調(diào)整。如果光的強度太弱，則可以通過長積分時間模式或控制增益的方式來增強弱的CCD信號。

    當(dāng)完成對光敏元區(qū)域的掃描后，CCD將光電荷從光敏區(qū)域轉(zhuǎn)移至屏蔽存儲區(qū)域。而后，光電荷被按順序轉(zhuǎn)移至讀出寄存器，電荷耦合器件（CCD）正是由這種電荷耦合式的轉(zhuǎn)移方式，通過在按一定的時序在電極上施加高低電平，可使光電荷在相鄰的勢阱間進行轉(zhuǎn)移，圖1.2.2所示為目前廣泛采用的三相電極傳送方式。

圖1.2.2 三相CCD中光電荷的轉(zhuǎn)移

 CCD的光敏區(qū)域有一維線陣排列和二維面陣排列兩種，與其對應(yīng)的就是線陣（線掃描）相機和面陣（面掃描）相機。圖1.2.3所示就是兩種較典型的線陣CCD，通常是由512、1024、2048、4096等個像敏元呈一維排列。光敏陣列與轉(zhuǎn)移區(qū)——移位寄存器是分開的，移位寄存器被遮擋。在圖1.2.3中左側(cè)所示的單通道線陣CCD中，當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖到來時，線陣光敏陣列勢阱中的信號電荷并行轉(zhuǎn)移到同一個CCD移位寄存器中，最后在時鐘脈沖的作用下一位位地移出器件，形成視頻脈沖信號，而在圖1.2.3中左側(cè)所示的雙通道線陣CCD中，當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖到來時，線陣光敏陣列勢阱中的奇偶位的信號電荷分別并行轉(zhuǎn)移到不同CCD移位寄存器中，最后再合并為視頻信號輸出，這樣可以提高傳輸速度，目前不僅有雙通道，甚至有四通道、八通道的線陣相機以加速線陣CCD的傳輸速度。

圖1.2.3 線陣CCD結(jié)構(gòu)（左為單溝道、右為雙溝道）

而對于面陣CCD相機，顧名思義其像元呈二維陣列分布，圖1.2.4所示為三種典型的面陣CCD結(jié)構(gòu)，最左邊為楨轉(zhuǎn)移型面陣CCD，它由成像區(qū)、暫存區(qū)和水平讀出寄存器三部分構(gòu)成，它的光存儲區(qū)域與光敏像素區(qū)域分開，因此能夠有較大的填充因子和較高的勢阱容量模傳遞函數(shù)MTF較高的優(yōu)點，幀轉(zhuǎn)移型CCD的缺點就是快門速度不快，并且制造的體積要稍大，就增加了成本；中間的為全幀型面陣CCD，當(dāng)積分完成后通過快門屏蔽入射光然后開始進行行轉(zhuǎn)移，他可以具有比較大的光敏區(qū)域比例；最右邊為行間轉(zhuǎn)移型CCD，每列像敏單元的旁邊都有一個垂直移位寄存器，行間轉(zhuǎn)移CCD只需要約1uS的時間就可完成光電荷至垂直移位寄存器的轉(zhuǎn)移，從而很好地解決了幀轉(zhuǎn)移CCD因轉(zhuǎn)移速度不夠快而帶來的圖像模糊問題。同時，由于行間轉(zhuǎn)移CCD的垂直移位寄存器所占的面積均被遮蔽，所以其對輸入光的利用率以及像素密度相對較低。

圖1.2.4 面陣CCD結(jié)構(gòu)（左為楨轉(zhuǎn)移、中為全楨轉(zhuǎn)移、右為行間轉(zhuǎn)移）

CCD芯片總會給出一些基本參數(shù)或特性，您想知道某種CCD相機是否能夠滿足您的應(yīng)用，那么這些參數(shù)或特性正是您所要關(guān)心的。

CCD芯片的基本參數(shù)之一就是分辨率，單位為有效像素。以面陣相機為例，支持CCIR制式的相機能夠提供768×576有效像素的圖像輸出，支持RS-170（EIA）制式的相機能夠提供640×480有效像素的圖像輸出，比較常見的百萬像素相機可以提供1280 × 1024有效像素。

有效像素區(qū)域的大小，即CCD芯片尺寸同樣是一個重要的參數(shù)。圖1.2.5所示的一些常見面陣CCD芯片尺寸，通常都會以英寸表示，圖中分別對應(yīng)了其實際尺寸。

圖1.2.5 常見面陣CCD芯片尺寸

頻譜響應(yīng)特性是另外一個重要的光學(xué)參數(shù)。圖1.2.6中所示的實線是典型CCD芯片的頻譜響應(yīng)。通常，為了使CCD與人眼的頻譜相似（即使CCD獲取的照片更有真實感）或者排除溫度等對CCD相機的影響，相機中會提供一個紅外濾波片來實現(xiàn)，如圖中點劃線所示。假如有一些應(yīng)用需要對近紅外光（NIR）有高的頻譜響應(yīng)來達到圖像效果，在這種情況下，就需要一個峰值大約750納米的CCD芯片，這種芯片還可以通過標(biāo)準(zhǔn)CCD芯片技術(shù)達到，因而價格相比還不是很貴。但標(biāo)準(zhǔn)CCD技術(shù)對紫外光(UV)以及中（MIR）、遠(yuǎn)紅外光（FIR）是不適用的，這些區(qū)域需要特殊的CCD器件或者不同的技術(shù),因而價格也貴很多。

圖1.2.6 常見CCD芯片頻譜響應(yīng)曲線

   CCD芯片本身沒有區(qū)分顏色的能力，比如說，不同的波長就產(chǎn)生不同的光子能量。因此，要通過CCD獲得顏色信息，就必須獲取混合光中三基色（RGB）分量。彩色CCD芯片獲取RGB信息通常有兩種方法：見的也是相對簡單就是在CCD相鄰像素上依次加上紅、綠、藍色的濾波片（mosaic filters），在一個芯片上將彩色分量分離，這樣我們就得到與我們眼睛看到的相似的紅綠藍相鄰像素，使用這種技術(shù)的相機比較便宜，而且不需要特殊的鏡頭，缺點就是分辨率比較低。而獲取高分辨率的彩色圖像則多利用三CCD技術(shù)，利用棱鏡將進入相機的光分成三種顏色，三種顏色的光分別映射到另外三個獨立的CCD芯片，利用這種技術(shù)的相機能夠保證高的質(zhì)量，不過價格也較高，另外，需要使用特殊的鏡頭。

如果您的應(yīng)用有高分辨率圖像的需要，通常的標(biāo)準(zhǔn)視頻制式的工業(yè)相機可能不能獲得。您可以通過采用高分辨率的面陣CCD相機，也可以采用線陣CCD相機，通常采用線陣CCD不僅價格相對便宜，也容易獲取高一些的速度。

圖像輸出

圖像輸出單元產(chǎn)生一個適合后續(xù)圖像處理的視頻信號。在標(biāo)準(zhǔn)的相機中，獲取的圖像將轉(zhuǎn)換成遵循某一種國際視頻標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號：在標(biāo)準(zhǔn)相機中，獲取的圖像轉(zhuǎn)換成一個遵循國際標(biāo)準(zhǔn)之一的視頻信號，對歐洲為CCIR標(biāo)準(zhǔn)，對美國為EIA制定的RS-170標(biāo)準(zhǔn)?；贑CIR標(biāo)準(zhǔn)，有兩個彩色標(biāo)準(zhǔn):PAL制式和SECAM制式。對RS-170標(biāo)準(zhǔn)的彩色的延展就是RS-170a，即NTSC標(biāo)準(zhǔn)。非標(biāo)準(zhǔn)相機的輸出單元要遵循一定的規(guī)則，與特定的形式無關(guān)，一般是基于RS-422標(biāo)準(zhǔn)的。從技術(shù)角度考慮，由于避免了視頻標(biāo)準(zhǔn)的限制，數(shù)字相機是比較理想的選擇；而從經(jīng)濟的角度考慮，這些標(biāo)準(zhǔn)太重要了而不可能擺脫它們。下圖是標(biāo)準(zhǔn)制式相機的原理圖，CCD完成積分控制后奇數(shù)行和偶數(shù)行按先后依次轉(zhuǎn)移到輸出寄存器（通常將所有奇數(shù)行或所有偶數(shù)行組成的圖像稱為一場（field），而兩場合并后才稱為一楨（frame），然后通過相機內(nèi)部的同步產(chǎn)生器在每行像素前插入行同步信號（HD），在經(jīng)過若干行達到一個場時插入場同步信號（VD）。

圖1.2.7 標(biāo)準(zhǔn)制式相機的原理圖

相機的一個重要的非標(biāo)準(zhǔn)選項就是像素時鐘輸出，來自CCD芯片的像素傳輸?shù)膬?nèi)部時鐘可以適用于后續(xù)的圖像處理單元，這種像素數(shù)據(jù)的精確傳輸是對精確測量的預(yù)獲取，此外很多相機也能接受外部的時鐘輸入來進行外同步。另一種對外部事件的響應(yīng)是用外部事件來觸發(fā)相機，在測量運動物體的時候這是非常重要的，比如由光電開關(guān)觸發(fā)相機。

隔行掃描是多年前作為電視廣播標(biāo)準(zhǔn)的一部分而發(fā)展起來的，它主要發(fā)展是為了在有效的信號帶寬內(nèi)改進運動影像，目前的視頻標(biāo)準(zhǔn)依然依賴于早期的顯像管相機和顯示屏技術(shù)，在如今CCD芯片和純平顯示的年代，這些只會給機器視覺應(yīng)用帶來麻煩，卻依然大量應(yīng)用似乎很奇怪了，前面已經(jīng)提到這還是由于必須考慮價格因素。對于顯像管，必須控制掃描顯像管光敏感區(qū)域電子流和在屏幕上產(chǎn)生的圖像。掃描從左上角開始，到行的末尾，折回到第三行繼續(xù)掃描。這種方式，次掃描一場的奇數(shù)行，第二次掃描一場的偶數(shù)行，重疊起來就降低了電視屏幕的閃爍。一次完整的掃描（一幀）對于CCIR標(biāo)準(zhǔn)由625線組成，持續(xù)1/25秒。一個RS-170幀由525線組成，持續(xù)1/30秒。下圖描述了相機輸出單元的一些特性、參數(shù)及選項。

在折回的時間中，水平同步脈沖加入到視頻信號中，表示另一行的開始。同步信號之前和之后的多余時間用于給BLACK提供一個參考。信號的這些部分稱為前向通路和后向通路。垂直同步脈沖觸發(fā)新的一場的開始。垂直同步脈沖是一個由對CCIR標(biāo)準(zhǔn)多于50線的，對EIA標(biāo)準(zhǔn)多于40線的脈沖序列。因此，這些線不是用于標(biāo)準(zhǔn)視頻信號的，標(biāo)準(zhǔn)視頻信號應(yīng)該是對CCIR標(biāo)準(zhǔn)575線，對EIA標(biāo)準(zhǔn)485線。

標(biāo)準(zhǔn)視頻信號傳輸?shù)耐?，是基于水平和垂直同步脈沖的。那單個像素呢？按照CCIR標(biāo)準(zhǔn)和EIA標(biāo)準(zhǔn)，圖像的寬高比例必須是4：3。因此，對于CCIR標(biāo)準(zhǔn)為767像素/線，對于EIA標(biāo)準(zhǔn)為647像素/線。對于CCIR標(biāo)準(zhǔn)，在52ms內(nèi)掃描767個像素，需要像素時鐘頻率為14.75MHz，而對于EIA標(biāo)準(zhǔn)，在52.59ms內(nèi)掃描647個像素，需要像素時鐘頻率為12.3MHz。

圖 1.2.8 視頻信號格式與相關(guān)電壓

對于人類視覺系統(tǒng)，單個像素的意義不大。電視的分辨率是以不同的方式測量的：對于水平分辨率的要求就是，當(dāng)CCIR相機指向383.5垂直的黑白線對的時候，一行的鄰近像素必須分別獲取并顯示和最小灰度級。盡管這對應(yīng)一個矩形信號，但人類視覺系統(tǒng)分辨模糊的從黑到白的灰度轉(zhuǎn)變是沒有問題的，因此被看作是一個頻率為7.375MHz的正弦信號。對于EIA標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的計算就是一個頻率為6.15 MHz的正弦信號。那么，任一視頻分量的帶寬就分別為7.375MHz和6.15 MHz。然而，視頻標(biāo)準(zhǔn)允許低的帶寬，就導(dǎo)致低的水平分辨率。因此相機或監(jiān)視器能獲取和顯示的垂直線的個數(shù)就是一個質(zhì)量評估指標(biāo)。這一參數(shù)是來計算單個垂直的黑線和白線，而不是計算線對。簡單的監(jiān)視系統(tǒng)需要300條TV線。高分辨率系統(tǒng)提供550或更多的TV線。在實際中，這種測量并沒有精確的使用。因此，一個有550條TV線的相機可能會比另一個號稱600條TV線的相機有更好的性能。

顯像管屏幕的顯示特性是非線性的，強調(diào)圖像亮的和暗的灰度級。為了補償這個影響，大多數(shù)相機提供r校正（伽馬校正）。如果r＝1，輸出單元以線性模式工作，r＝0.45表明輸出單元強調(diào)中灰度級。另外，一些相機提供一個r＝0.25的r校正來增強中灰度級。r校正用于監(jiān)控系統(tǒng)會很有用，而在測量中作用稍小一些。

如在前一節(jié)所述，電子快門用于控制CCD芯片的曝光時間。如果物體照明不好，電子快門速度就需要慢些，以增加曝光時間。視頻標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最小的快門速度為對于CCIR標(biāo)準(zhǔn)1/50秒，對于EIA標(biāo)準(zhǔn)1/60秒。如果物體要運動，最小的快門速度會高一些，結(jié)果，要求的1V的視頻信號幅度就可能達不到。這種情況下，就需要利用增益控制來放大信號。增益通常為1：10或1：20。如果這還不夠，就要運用長時間的積分。這些放大器可以是自動運行的也可以是手動運行的。在自動增益控制（AGC）模式中，放大器調(diào)整自己來輸出幅度為1V的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號。這對監(jiān)控系統(tǒng)適用但對測量就不大適用。由于這里我們通常用控制照明工作，將相機調(diào)到手動增益控制模式，那么相機操作器就會根據(jù)條件設(shè)置精確的增益。

如果圖像采集卡從一個輸入視頻信號切換到另一個輸入視頻信號，采集卡通常需要獲得穩(wěn)定的圖像需要幾楨的時間（這段時間用于從復(fù)合視頻信號中提取同步頭）。而且這一影響經(jīng)常被低估了，這是很煩人的。在某些應(yīng)用場合，需要多個相機同時拍攝同一工件的不同工位或不同視角，這樣就希望所有的視頻輸入信號是垂直同步的，這一過程的術(shù)語就是外部同步或同步鎖相，這樣就可以避免相機間捕獲圖像的時間差異。圖1.2.9所示為三種相機間的同步方法。的（圖1.2.9a）是靠建立一個同步鏈，從一個相機的視頻輸出用于下一個相機的同步輸入，顯然，相機之間的信號遲延可能會導(dǎo)致一些問題。如果同步必須是很精確的，就應(yīng)該使用一個外部同步發(fā)生器如圖1.2.9b所示。通常一些相機接受水平同步和垂直同步為TTL電平而且很多的中圖像采集卡都可以提供，因而用采集卡的同步輸出同樣能夠進行相機間的同步，但在使用采集卡的同步輸出時需要注意的是它的負(fù)載驅(qū)動能力，大部分圖像采集卡在同時驅(qū)動三個以上相機同步時需要增加中繼或功率放大器。

圖 1.2.9 相機同步方式（從左向右依次為a,b,c）

對于區(qū)分一個CCD芯片的系統(tǒng)和三個CCD芯片的系統(tǒng)獲取的彩色圖像，有三個不同的系統(tǒng)可用于視頻信號輸出。這些輸出的術(shù)語為：復(fù)合， Y/C (also know as S-VHS) and RGB。從名字就可以看出，一個復(fù)合信號包含亮度信息和彩色信息。亮度信號與標(biāo)準(zhǔn)CCIR和RS-170亮度信號是相等的，只是簡單的疊加了彩色信號。彩色信號是根據(jù)PAL標(biāo)準(zhǔn)、SECAM標(biāo)準(zhǔn)、以及NTSC標(biāo)準(zhǔn)的一個彩色分量的復(fù)雜組成。顯然，這樣一個信號的組合會導(dǎo)致信號誤差，可能會引起圖像失真。因此，將亮度信號（Y信號）和彩色信號（C信號）分離是一個好想法。這種亮度/彩色相機是在性能和價格之間比較滿意的折中。對于高性能系統(tǒng)，強烈建議采取RGB方法。RGB方法避免了彩色信號的組合，而是對三原色的每一種顏色使用各自的標(biāo)準(zhǔn)亮度信號。三個芯片的CCD相機通常都有RGB輸出，因為破壞這種帶有不充分的復(fù)合信號或者亮度/彩色輸出信號的相機的質(zhì)量沒有任何意義。高質(zhì)量的單芯片CCD相機提供所有的三路輸出，中等質(zhì)量相機丟棄RGB輸出，單彩色相機僅僅使用復(fù)合信號。

像素時鐘（Pixel Clock）

像素時鐘是用以驅(qū)動CCD上的移位寄存器的高速時鐘，它將輸入的模擬視頻信號采樣為單個的像素值。像素時鐘輸出可以由相機或圖像采集卡提供。有可能使用圖像采集卡的鎖相環(huán)PLL（Phase－Locked Loop）來產(chǎn)生像素時鐘，PLL使用一個參考電平，這個參考電平可以來自采集卡的板內(nèi)晶振，對于周期的脈沖電平也可以來自外部的行同步信號。

通常用像素抖動（Pixel Jitter）來衡量像素時鐘的準(zhǔn)確性，它測量的是像素時鐘的脈沖上升沿相對于水平同步信號下降沿的偏差，其以單位納秒為單位。像素抖動是模擬/數(shù)碼轉(zhuǎn)換過程中不可避免的，它可能是相機（其內(nèi)部的像素時鐘或水平同步信號） 引入的，也可能是圖像采集卡的鎖相環(huán)（其可以引入附加的像素抖動）引入的。作為像素抖動的結(jié)果，輸入的視頻信號可能會被提前或滯后采集了，這樣就會導(dǎo)致數(shù)字化的像素與相機采樣的像素不一致，對于連續(xù)的視頻就會產(chǎn)生閃爍現(xiàn)象。從圖像采集卡的鎖相環(huán)產(chǎn)生的基于穩(wěn)定的參考電平的像素時鐘可以將像素抖動降低在一個很小的范圍內(nèi)。

如果像素時鐘足夠精確，視頻信號應(yīng)該在圖1.2.10所示的“P”處抽樣并通過參考電平完成灰度轉(zhuǎn)化，但由于受到像素抖動的影響，視頻信號可能被抽樣過早或過晚（圖中設(shè)定像素抖動引起的誤差為±x ns）,這樣就導(dǎo)致對應(yīng)的灰度值與理想值相對低了或高了。通常對圖像質(zhì)量要求很高（比如用于高精度的測量）的圖像采集卡像素抖動都控制在±3 ns之內(nèi)。

圖 1.2.10 像素抖動

正如前面所討論的，視頻信號的同步無一例外的都是基于水平和垂直同步脈沖的。不過，視頻標(biāo)準(zhǔn)卻沒有要求精確的像素（pixel-wise）同步。因此，CCD芯片的像素映射到計算機時受到像素抖動的影響就不是很精確。雖然可以通過預(yù)映射誤差，然后編制程序?qū)ο袼囟秳右鸬恼`差進行標(biāo)定或補償，然而高精度的測量以及亞像素算法要求精確的像素描述，因此這種解決辦法并不能被接受。圖1.2.11表明了對這一問題更好的硬件解決方法。圖像采集卡必須控制基于像素時鐘的視頻輸入信號的抽樣率。以測量為目的的圖像采集卡將使用外部像素時鐘代替內(nèi)部時鐘成為可能。在一些以測量為目的的應(yīng)用，圖像采集卡輸出像素時鐘來影響給圖像采集卡。因此每一個像素的傳輸都有嚴(yán)格的控制。最開始采集卡將提供一個像素時鐘信號給相機，接著相機將產(chǎn)生一個新的像素時鐘信號并且與視頻信號一起反潰給采集卡，這樣才可以確保輸入的為同相視頻信號且通過像素時鐘來數(shù)字化（或稱采樣）視頻信號，相位不準(zhǔn)可能來自相機內(nèi)部的電路遲延。

圖 1.2.11  減小像素抖動的方法

逐行掃描(Progressive Scan)

大多數(shù)顯示器和相機都是以隔行方式掃描，但實際上人眼看來仍然像一個平滑的圖像，相機一般先獲取圖像的奇數(shù)行，對于CCIR標(biāo)準(zhǔn)，它在1/50秒后再獲取偶數(shù)行，而對于EIA標(biāo)準(zhǔn)，在1/60秒后再獲取偶數(shù)行。在機器視覺應(yīng)用中，物體通常移動很快。當(dāng)利用隔行掃描相機時，在兩場之間可能物體都有移動，結(jié)果就會是一副模糊的圖像，就像是兩次曝光或者是在垂直邊緣有梳狀效應(yīng)。為了解決這種影響，可以將隔行掃描相機設(shè)成只掃描一個場，這樣垂直分辨率將會減半，而幀采集速率將會提高一倍，相機的這種操作被稱為場模式，或者非隔行輸出，對許多機器視覺應(yīng)用都很有用，場模式還能夠提供敏感度加倍的好處，由垂直像素BINNING得到（像素BINNING是指CCD傳感器的一個特殊讀出模式，傳感器將2個或多個像素綁定到一起鎖定，從多個像素積累的電荷求和），場模式雖然可以提高幀速度、敏感性以及信噪比，但會降低分辨率，在要求對快速運動的物體垂直分辨率的應(yīng)用中，應(yīng)該使用逐行掃描相機。

觸發(fā)機制(Trigger Mechanisms)

假設(shè)流動生產(chǎn)線上的產(chǎn)品必須由視覺系統(tǒng)來檢測。單個產(chǎn)品的圖像必須在它被置于在相機前某個確定的時間被取得，視覺系統(tǒng)對外部事件的及時響應(yīng)即為觸發(fā)，觸發(fā)可以通過軟件實現(xiàn)也可以通過硬件實現(xiàn)。一般情況下，當(dāng)一個事件發(fā)生時它觸發(fā)采集卡并同時觸發(fā)相機的重啟信號。另外，同時觸發(fā)頻閃器也可以幫助凍結(jié)運動物體的圖像。

觸發(fā)后相機總會有個響應(yīng)時間，這個時間對于高速運動的物體能夠精確控制，普通的面陣相機（沒有異步觸發(fā)）總是等一幀掃描完，對于N制式的相機來說這個觸發(fā)響應(yīng)時間就會至少有0~33ms之間的不確定時間，如果采集卡尋找同步點的時間再長一點，這個不確定的時間長度又增加了，這段時間內(nèi)物體有可能已經(jīng)運動出了視場區(qū)域。為了加快相機的響應(yīng)速度，就出現(xiàn)了異步重置（Asynchronous）功能，靠采集卡給相機施加外部時鐘。當(dāng)相機被異步重置，除了像素時鐘，HD和VD（或相機寫允許脈沖WEN）信號都被重置了。采集卡一般都是被動的帶著相機的時鐘信號進行驅(qū)動，相機的HD和VD（或WEN）信號分別控制采集卡的水平掃描時鐘和楨掃描時鐘，而相機的像素時鐘則用以控制采集卡的A/D轉(zhuǎn)換。而異步重置又分為行異步方式（相機被觸發(fā)后在下一個HD信號立刻回起點進行掃描）和像素異步方式（CCD在觸發(fā)后的下一個像素時鐘就立刻從頭掃描，這樣可以更加迅速響應(yīng)來獲取觸發(fā)瞬間的圖像）。如圖 1.2.12為外部信號觸發(fā)（external trigger）相機異步重置的信號信連接以及時序圖。

理論上觸發(fā)原則是很簡單描述的，但實際上可能有些麻煩。由于觸發(fā)機制是非標(biāo)準(zhǔn)的，每一個相機和采集卡都有它自己的特性，觸發(fā)圖像處理系統(tǒng)的成功實現(xiàn)需要相關(guān)方面的很多知識。

圖 1.2.12 觸發(fā)機制

長時間積分(Long-time integration)

如果最長的積分時間以及的增益并不能滿足低光照條件的要求，就必須延長積分時間。但顯然，噪聲的影響會隨著積分時間的延長而加強。在室溫條件下，積分時間不能夠超過10秒。如果圖像是靜止的，連續(xù)拍攝的幾副圖像相加就能夠減少噪聲。第二個解決方法就是冷卻CCD芯片，從噪聲產(chǎn)生一開始就將之減小。通過空氣冷卻的辦法，積分時間可以延長到15分鐘；通過水冷卻的辦法，積分時間可以延長到3個小時。由于長時間的積分并不適應(yīng)視頻標(biāo)準(zhǔn)，因此，這種相機通常都有一個緩存來存儲當(dāng)前圖像，直到新一個積分完成。

小結(jié)

FAQ：

（1） 問：應(yīng)該怎樣選擇相機或者說是選擇相機應(yīng)該注意哪些？

答： 以上說的多是相機的原理和一些關(guān)鍵技術(shù)，對于接觸機器視覺技術(shù)者熟悉這些可能需要一個過程，但選擇相機卻往往刻不容緩的擺在面前。因此，選擇相機的方法是您將您檢測或測量的要求告知專業(yè)視覺系統(tǒng)集成商，他們應(yīng)該能幫到您。通常您首先需要知道系統(tǒng)精度要求和相機分辨率，可以通過公式：X方向系統(tǒng)精度（X方向像素值）=視野范圍（X方向）/CCD芯片像素數(shù)量（ X方向）； Y方向系統(tǒng)精度（Y方向像素值）=視野范圍（Y方向）/CCD 芯片像素數(shù)量（ Y方向）來獲得。當(dāng)然理論像素值的得出，要由系統(tǒng)精度及亞像素方法綜合考慮；接著您要知道系統(tǒng)速度要求與相機成像速度，系統(tǒng)單次運行速度=系統(tǒng)成像（包括傳輸）速度+系統(tǒng)檢測速度，雖然系統(tǒng)成像（包括傳輸）速度可以根據(jù)相機異步觸發(fā)功能、快門速度等進行理論計算，方法還是通過軟件進行實際測試；再接著您要將相機與圖像采集卡一并考慮，因為這涉及到兩者的匹配：ａ，視頻信號的匹配。對于黑白模擬信號相機來說有兩種格式，CCIR和RS170（EIA），通常采集卡都同時支持這兩種相機；ｂ， 分辨率的匹配。每款板卡都只支持某一分辨率范圍內(nèi)的相機；ｃ，特殊功能的匹配。如要是用相機的特殊功能，先確定所用板卡是否支持此功能，比如，要多部相機同時拍照，這個采集卡就必須支持多通道，如果相機是逐行掃描的，那么采集卡就必須支持逐行掃描；ｄ，接口的匹配。確定相機與板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、Firewire1394等。最后才應(yīng)該是價格的比較。

（2） 問：什么是亞像素？

答：一般用分辨率這個名詞來描述CCD芯片上的行列數(shù)。實際上，CCD芯片是一個抽樣器件，它的抽樣率由抽樣定律決定，即抽樣率必須高于奈奎斯特頻率的2倍。抽樣理論在一維時間信號中得到了廣泛的使用，但并沒有被的應(yīng)用到CCD芯片的信號采樣中。能夠通過亞像素算術(shù)來提高CCD芯片的抽樣率，理論就是把一個像素看作是由亞像素組成的子圖像。通常，我們能夠處理亞分辨率為10×10亞像素的圖像。一個典型的例子就是決定一個斑點的重心（圖 1.2.13a）。由于積分特性，原始像素位置誤差與其本身輸出相同。假設(shè)一個灰度級的一維圖像如圖 1.2.13b所示,如果灰度值的轉(zhuǎn)折點剛好出現(xiàn)在像素的邊緣，那么容易確切得知道輪廓點的位置。但實際的轉(zhuǎn)折點可能不在一個理想的級別，我們不能夠準(zhǔn)確得知道芯片上轉(zhuǎn)折點剪切像素的位置。另外更重要的，模糊的灰度級允許灰度級差值，因此我們就能夠決定亞像素的位置作為灰度級的功能。不管怎樣，只有將CCD芯片內(nèi)的模擬圖像盡可能精確地描繪在圖像處理單元的內(nèi)存中，亞像素算法才能是精確的。就像以前章節(jié)中討論的，這不是對標(biāo)準(zhǔn)視頻相機的情況。描述像素時鐘的章節(jié)顯示這個問題能夠解決。

圖 1.2.13 有關(guān)亞像素的解釋（左圖為a、右圖為b）

（3）問：什么是12位相機？我是否需要12位相機？

答：理論上12位相機的動態(tài)范圍是8位相機的動態(tài)范圍的16倍。一個8位的相機能夠檢測256個灰度級。一個12位相機有4096個灰度級。由于相機是數(shù)字的，您不必測量到213.5625，或者說213或214。如果您需要檢測213和214灰度級之間的灰度級，8位相機的效果就很差。這時您就要用12位相機，它能提供16倍的動態(tài)范圍，同時又能得到與8位相機相同的數(shù)據(jù)量。

（4）問：CMOS相機與CCD相機間的區(qū)別有哪些?  

答： 它們是不同工藝和結(jié)構(gòu)的兩種微電子器件，主要的區(qū)別如下：?。〤CD傳感器比CMOS傳感器對光更加敏感，這是因為CCD往往比CMOS相機有更大的填充因子。如今采用微透鏡技術(shù)的CCD可以達到100％的填充比，而CMOS由于周圍的電路元素影響，它的填充比一般在70％左右。ⅱ）CCD傳感器更適應(yīng)低對比度的場合，這是由于CCD傳感器可以獲得更高的信噪比。ⅲ）CMOS傳感器可以獲得比CCD傳感器高很多的圖像傳輸速度，因而更適用于高速場合的需要。ⅳ）CMOS傳感器由于其電路結(jié)構(gòu)特性可以獲得比CCD傳感器更多的輸出柔性，您可以在任意選擇圖像輸出的子興趣區(qū)域來提高圖像傳輸速度，比如某傳感器有1280×1024的像素分辨能力和15幀/秒的圖像傳輸頻率，如果是CCD傳感器，由于其串行耦合輸出的電路特性使它在選擇子興趣區(qū)域時只能減少行分辨率，如640×1024（30幀/秒）、320×1024（60幀/秒）；而如果是CMOS傳感器，則可以選擇低于1280×1024的任何分辨率，如640×480（約70幀/秒）。ⅴ）CMOS傳感器擁有更低的電能消耗，因此更適應(yīng)于便攜設(shè)備和空間應(yīng)用。但有一點很明顯，隨著兩者技術(shù)的進步，在同檔次的相機上差別也越來越小，因而選擇何種創(chuàng)感器主要是遵守適用原則。

（5）問：CCD是數(shù)字器件？

答：雖然CCD與許多數(shù)字器件一樣用到時鐘，但是光的采集和輸出是以模擬形式進行的。輸入CCD的時鐘用于從光敏器件轉(zhuǎn)移電荷到輸出放大器上。輸出信號是模擬的，必須被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能被計算機處理。

（6）問：模擬輸出相機與數(shù)字輸出相機之間的區(qū)別是什么？

答：模擬相機的視頻輸出是用模擬電信號傳輸視頻信號，這種相機通常用于閉路電視，或者與數(shù)字化視頻波形的采集卡相連。數(shù)字相機其內(nèi)部有一個A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)以數(shù)字形式傳輸，能夠直接顯示在電腦或電視屏幕上，因而數(shù)字輸出相機可以避免傳輸過程的圖像衰減或噪聲。

（7）問：我應(yīng)該選擇何種輸出接口的相機？

答：輸出接口類型的選擇主要由您需要獲得數(shù)據(jù)類型決定。如果您的圖像輸出直接給視頻監(jiān)視器，那么您只需要模擬輸出的相機（對單色圖像需求就是CCIR或RS－170制式輸出，對彩色圖像需求就是PAL或NTSC制式輸出）。如果您需要將相機獲取的圖像傳輸給電腦，則可以用多種輸出接口選擇，但必須和采集卡的接口一致，通常有如下的選擇（在圖像采集卡一節(jié)將進一步介紹）：?。┠M接口仍然可以適用，圖像信號需要一張圖像采集卡完成A/D轉(zhuǎn)換，這樣的搭配低因而是見的。ⅱ）對一些沒有其它采集卡控制需求和圖像傳輸可靠性需求的應(yīng)用，采用直聯(lián)的USB2.0接口和IEEE1394 (Fire Wire)方便。ⅲ） Camera Link接口是一種數(shù)字輸出標(biāo)準(zhǔn)，它需要一張采集卡來承載，并用以配合高性能的面掃描相機或線掃描相機，隨著該數(shù)字接口的推廣和*，價格也不如預(yù)期的那樣昂貴。ⅳ）此外，也有一些老一點的數(shù)字接口仍然再被使用，比如 LVDS RS644。

（8）問：為什么很多相機比便攜攝像機和CCTV相機要貴很多？它們不都是用CCD傳感器嗎？

答：科學(xué)級CCD與用于消費的CCD之間的區(qū)別與想要得到的圖像質(zhì)量有關(guān)。一些數(shù)字相機使用有很少噪聲的特殊的CCD，有很大的像素數(shù)，并且有些可以拍攝高速運動的物體。

（9）問：什么是垂直同步、彩色視頻復(fù)合信號同步、外同步、直流線鎖定和同步？

答：這是攝像機之間不同的同步方法。全體鎖定是兩部用于精密的應(yīng)用如廣播攝影棚攝像機之間同步方法。它將同步：水平，垂直，偶數(shù)/奇數(shù)區(qū)域，色彩觸發(fā)頻率和階段。垂直同步是的方法來同步兩部攝像機，通過垂直驅(qū)動頻率來保證視頻能夠采用老式的切換期或者四分割機器，在同一個監(jiān)視器上顯示幾個影像源。垂直驅(qū)動信號通常由重復(fù)頻率20/16.7毫秒（50/60赫茲）和脈沖1~3毫秒寬度的脈沖組成。彩色視頻復(fù)合信號代表視頻和彩色觸發(fā)信號，意味著攝像機能和外部的復(fù)合彩色視頻信號同步。然而盡管稱作彩色視頻復(fù)合信號同步，實際上只進行水平同步和垂直同步，而沒有色彩觸發(fā)同步。外同步非常類似于彩色視頻復(fù)合信號同步。一個攝像機能夠同步于另一個攝像機的視頻信號，一個外同步攝像機能使用輸入的彩色視頻復(fù)合信號，提取水平和垂直同步信號來做同步。

多數(shù)相機具有垂直驅(qū)動同步或者彩色視頻復(fù)合信號/外同步性能，但是由于監(jiān)控攝像機永遠(yuǎn)不需要線鎖定，因此閉路監(jiān)控攝像機幾乎沒有鎖定性能。直流線鎖定是一種古老的技術(shù)，利用直流50/60赫茲電源線電流來同步攝像機。因為直流24伏電源廣泛使用于多數(shù)建筑物防火警報系統(tǒng)，由于非常容易獲得，因此廣泛應(yīng)用于北美洲。由于老型號的切換器和分割系統(tǒng)沒有數(shù)字記憶功能，要保持穩(wěn)定的影像，攝像機之間的同步非常必要，直流線鎖定就是攝像機同步于交流50/60赫茲，彩色信道之間時間的關(guān)聯(lián)和水平/垂直信號沒有約束會導(dǎo)致糟糕的色彩轉(zhuǎn)換（色彩階段設(shè)計），因此所有使用交流線鎖定的用戶不可避免地失去很好的色彩轉(zhuǎn)換。幸運的是，現(xiàn)在的分割器和16通道復(fù)合處理器以及硬盤錄像機都有內(nèi)部記憶體來克服這個問題，不再需要同步信號，因此交流線鎖定可能若干年后會被淘汰掉。

（10）問：什么是電子快門？為什么有些CCD沒有電子快門功能？

答：只要有光照，CCD光敏部分就會產(chǎn)生電子。由于像素必須被讀出，如果讀出需要很長時間，圖像就會變差。這與使用慢速快門拍攝運動物體的原理一樣。通常在讀出時間內(nèi)中止信號產(chǎn)生。然而，關(guān)掉光照就需要某種形式的機械快門或者電子快門。有些CCD設(shè)計為只要信號產(chǎn)生就迅速傳送到CCD的某一金屬區(qū)域，由于光照不能夠穿透金屬，信號產(chǎn)生就會中止，CCD就能夠沒有干擾的讀出。這種快速傳送到保護區(qū)域就稱作電子快門，因為利用電子控制信號產(chǎn)生時間。

（11）問：硅對光的敏感度超過1100nm，但為什么沒有能夠檢測到這些波長的CCD?

答：硅對光的敏感度的確超過1100nm，然而，為什么CCD不能夠檢測到這些波長的原因是有些復(fù)雜的: CCD通過吸收光，將光能量轉(zhuǎn)換成電能量來工作。這些電子在CCD中傳送到輸出放大器中，這里，產(chǎn)生了與像素吸收的光能量成比例的一部分電信號。被硅吸收的光能量取決于波長。藍光能夠被硅高度吸收，而大多數(shù)的光實際上是被CCD上的多個硅溝吸收。結(jié)果，只有一小部分的藍光被CCD損耗區(qū)域吸收，這里像素聚集電子。在可見光譜的另一端，紅光和近紅外光也只有少部分被吸收。因此，只有穿過了大量硅的光才能被吸收而產(chǎn)生電子。這些電子漂移到CCD損耗區(qū)域被像素吸收，或者在別處漂移直到它們的能量耗盡。

[本節(jié)參考文獻：Introduction to cameras, The Imaging Source Europe GmbH ] 

1.3 鏡頭（lens）

   人類的視覺是依靠眼睛中的晶狀體將景物的像投影在視網(wǎng)膜上，“花花世界”才被人類感知。相機中的傳感器（CCD或CMOS）相當(dāng)于人眼中的視網(wǎng)膜，那么鏡頭就相當(dāng)于晶狀體，必須通過鏡頭來攝取世界萬物，人類的眼睛如果焦距出現(xiàn)誤差（近視眼），則會出現(xiàn)無法正確的分辨事物，同樣作為數(shù)碼相機的鏡頭，其最主要的特性也是鏡頭的焦距值。鏡頭的焦距不同，能拍攝的景物廣闊程度就不同，照片效果也迥然相異。   

鏡頭一般都由光學(xué)系統(tǒng)和機械裝置兩部分組成，光學(xué)系統(tǒng)由若干透鏡（或反射鏡）組成，以構(gòu)成正確的物像關(guān)系，保證獲得正確、清晰的影像，它是鏡頭的核心；而機械裝置包括固定光學(xué)元件的零件（如鏡筒、透鏡座、壓圈、連接環(huán)等），鏡頭調(diào)節(jié)機構(gòu)（如光圈調(diào)節(jié)環(huán)、調(diào)焦環(huán)等），連接機構(gòu)（比如常見的C、CS接口）等；此外，也有些鏡頭上具有自動調(diào)光圈、自動調(diào)焦或感測光強度的電子機構(gòu)。

鏡頭按焦距大小可以分為長焦鏡頭、標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、廣角鏡頭等；按用途通?？梢苑譃榘卜烙苗R頭（CCTV lens）、工業(yè)自動化鏡頭（FA lens），廣播級別的鏡頭（Broadcast lens），高清晰電視用鏡頭（HD lens）；機器視覺行業(yè)內(nèi)通常將鏡頭分為宏鏡頭（macro lens）、定倍鏡頭（fixed-mag lens）、變焦鏡頭（zoom鏡頭）、遠(yuǎn)心鏡頭（telecentric lens）、高精度或百萬像素鏡頭（High Resolution or million pixels lens）等。當(dāng)然，這些分類并沒有嚴(yán)格的劃分界線。對于鏡頭有關(guān)的光學(xué)參數(shù)我們可以將焦距f、光圈系數(shù)（相對孔徑）、像方視場（即支持的CCD芯片大?。┮约跋癫睿ū热缁?、場曲等）看作鏡頭的內(nèi)部參數(shù)，而圖3.3.1所示的是一個簡單視覺系統(tǒng)的鏡頭外部主要參數(shù)需求，通常是用戶搭建視覺系統(tǒng)所最關(guān)心的，主要包括視場（FOV）、分辨率（Resolution）、工作距離（WD）和景深（DOF）。

圖1.3.1 簡單視覺系統(tǒng)鏡頭主要參數(shù)

為了解釋清楚鏡頭參數(shù)，讓我們先簡單的介紹一點光學(xué)基礎(chǔ)。圖1.3.2展示了鏡頭成像的基本性質(zhì)，圖中a所示假設(shè)發(fā)光體位于無限遠(yuǎn)處（無窮遠(yuǎn)處物體所發(fā)光被認(rèn)為是平行光），放置鏡頭與這些平行光垂直，這些光線將聚集在一點，這一點就是所謂的焦點。換句話說，焦點是無限遠(yuǎn)處光源的映射。鏡頭與焦點之間的距離成為焦距f。因此，如果我們想要獲取一個CCD傳感器上的無限遠(yuǎn)的物體，鏡頭與傳感器的距離就會正好是鏡頭的焦距。如果將發(fā)光體移近鏡頭，如圖中b所示，鏡頭就將光線聚焦在焦點前面，因此如果要獲取尖銳的圖像，就必須增加鏡頭與傳感器的距離。這不僅僅應(yīng)用于理想的薄透鏡，也可以應(yīng)用于實際由多鏡片組成的復(fù)合鏡頭。當(dāng)鏡頭應(yīng)用于高精度的檢測場合時，必須清楚理想薄透鏡公式與實際透鏡組計算公式。對于一般的應(yīng)用，理想薄透鏡或是小孔成像原理可以被應(yīng)用到一般的視覺系統(tǒng)中。因此，鏡頭對焦意味著改變鏡頭本身與CCD傳感器的距離，距離改變靠機械裝置進行約束。

圖1.3.2 鏡頭成像的基本性質(zhì)

圖1.3.3 理想薄透鏡成像

而圖1.3.3所示的高斯公式則是對于理想薄透鏡的基本透鏡公式。在平常使用中，我們經(jīng)常需要決定焦距。其基本公式為：                                                      （公式1.3.1）

                              （公式1.3.2）

通過以上兩式可以得到

                         （公式1.3.3）

其中，V和U分別是鏡頭光心到圖像傳感器的距離和鏡頭光心到物體的距離,和分別是圖像的大小和物體的大小。V與U之比就是放大因子（或稱放大倍率）。

對成像理論進行簡單介紹之后，接著對鏡頭參數(shù)進行介紹。對于普通用戶最直觀的2個內(nèi)部參數(shù)分別是焦距、光圈，不少鏡頭這2個參數(shù)都是可調(diào)的（還有一個外部參數(shù)：工作距離在有些鏡頭上也是可調(diào)的）。對同一芯片尺寸的相機，視場角則可以看作焦距的另一種表達，它與焦距的關(guān)系式為：，這里，是CCD傳感器的一個維的長度（水平、垂直或?qū)欠较颍Ｓ袝r鏡頭可以根據(jù)它的視角來分類，實際上這一分類并不很嚴(yán)謹(jǐn)。按視場角對鏡頭比較典型的分類如下：

焦距（視場角）不僅僅描述鏡頭的屈光能力，且可作為圖像質(zhì)量的參考。一般鏡頭失真隨著焦距的減?。ɑ蛞晥鼋堑脑龃螅┒龃?，因而選擇測量鏡頭，不要選擇小焦距（小于8mm）或大視場角的鏡頭。此外，即使不是變焦（ZOOM）鏡頭，普通鏡頭上也會有一個調(diào)焦環(huán)，但如前面提到的它沒有改變鏡頭的焦距f，而只是改變鏡頭光心到圖像傳感器的距離V，從前面的公式可以看到這樣同樣可以改變鏡頭的放大倍率。

光圈系數(shù)是鏡頭的重要內(nèi)部參數(shù)，它就是鏡頭相對孔徑的倒數(shù)，一般的廠家都會用F數(shù)來表示這一參數(shù)。例如，如果鏡頭的相對孔徑是1：2，那么其光圈也就是F2.0。而在相機的鏡頭上，都會標(biāo)寫上這一指標(biāo)。而由于光圈系數(shù)是相對孔徑的倒數(shù)，因此，如果光圈系數(shù)的標(biāo)稱值數(shù)字越大，也就表示其實際光圈就越小。一般來說，鏡頭的光圈排列順序是：1、1.4、2.0、2.8、3.5、4.0、5.6、8.0、11、16、22、32等等。隨著數(shù)值的增大，其實際光孔大小也就隨之減小，而其在相同快門時間內(nèi)的光通量也就隨之減小。當(dāng)然，有些視覺系統(tǒng)為了增大鏡頭的可靠性和降低成本，采用的定光圈設(shè)計，光圈不能改變時調(diào)整圖像亮度就需要靠調(diào)整光源強度或相機增益。

像方視場（即支持的CCD芯片大?。┩瑯邮晴R頭的重要內(nèi)部參數(shù)，CCD芯片尺寸在相機一節(jié)就已介紹，通常大小為1/3”, 1/2”。不同芯片規(guī)格要求相應(yīng)的鏡頭規(guī)格。鏡頭的設(shè)計規(guī)格必須等于或大于芯片規(guī)格，否則就會出現(xiàn)如圖1.3.4 所示的后果，在視場邊緣會出現(xiàn)黑邊。特別是在測量中，使用稍大規(guī)格的鏡頭，因為鏡頭往往在其邊緣處失真。

圖1.3.4 鏡頭規(guī)格與CCD芯片尺寸的匹配

作為鏡頭內(nèi)部參數(shù)的像差，在機器視覺應(yīng)用中關(guān)鍵的是畸變（變形率）和場曲（用于傳感器接受的鏡頭該參數(shù)已被嚴(yán)格校正）?；儠绊憸y量結(jié)果，特別是在精密測量中，還必須通過軟件的方法進行標(biāo)定和補償。如圖3.3.5所示，畸變主要分為兩種：桶形畸變（Barrel）和枕形畸變（Pincushion），圖中虛線方框表示物體應(yīng)該成的理想像，很明顯，畸變沿鏡頭徑向變化并不是線性的，通常在視場邊緣畸變，用于測量的鏡頭畸變需要小于1%。

圖1.3.5 鏡頭畸變

再接著闡述的鏡頭光學(xué)參數(shù)是與客戶選擇比較相關(guān)的外部參數(shù)，首先是視場（FOV），可以通過以下兩個公式進行計算，式中V和H分別表示垂直和水平方向，M表示光學(xué)放大倍率，f表示焦距，WD表示工作距離。

                                                    （公式1.3.4）

                                                  （公式1.3.5）

然后對于鏡頭的分辨率則不能與相機的分辨率混為一談，對于鏡頭，它的極限空間分辨能力受系統(tǒng)衍射極限的影響，按照瑞利判據(jù)，物鏡的光學(xué)極限分辨距離為：

                       （公式1.3.6）  

式中為波長；NA為物鏡的物方數(shù)值孔徑；n為物方介質(zhì)折射率，這里是空氣n=1；U為物方半孔徑角的。對于相機的分辨率則在前面的相機一節(jié)有過介紹( FOV（V or H）/CCD像素數(shù)（V or H）)，是一個與鏡頭分辨率無關(guān)的量，它們兩者可以按Nyquist的采樣理論聯(lián)系起來，這里不再詳述。那視覺系統(tǒng)的系統(tǒng)分辨率應(yīng)該按哪個公式計算呢？很簡單，系統(tǒng)分辨率應(yīng)該是兩者中小的那個，又由于鏡頭的分辨率一般都比相機分辨率高，因此絕大多數(shù)視覺系統(tǒng)都是按FOV與CCD像素數(shù)的比值來計算視覺系統(tǒng)的分辨率。

工作距離往往在視覺應(yīng)用中至關(guān)重要，從公式1.3.5中可以看出它與視場大小成正比，有些系統(tǒng)工作空間很小因而需要鏡頭有小的工作距離，但有的系統(tǒng)在鏡頭前可能需要安裝光源或其它工作裝置因而必須有較大的工作距離保證空間，通常FA鏡頭與監(jiān)控鏡頭相比，小的工作距離就是一個重要區(qū)別。

景深則是鏡頭另一個重要的外部參數(shù)。它表示滿足圖像清晰度要求的最遠(yuǎn)位置與最近位置的差值，景深的計算可能會相對麻煩一些它與鏡頭焦距、光圈值、工作距離和允許彌散斑的直徑有關(guān)。由于允許彌散斑的直徑是個相對量，它的可接受直徑很大程度上取決于應(yīng)用，因此在實際視覺應(yīng)用中以實驗和參考鏡頭給出的參考值為主。

簡單的說，光圈越小，景深越深；焦距越短，景深越深；對焦距離（工作距離）越遠(yuǎn)，景深越深。

在本節(jié)前面介紹表明鏡頭光學(xué)參數(shù)從技術(shù)的角度多是可選的。但實際商品化的鏡頭總是只是某些參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，如果需要滿足系統(tǒng)的要求可能需要定制鏡頭，這樣價格就比平常應(yīng)用貴很多。因此，很多時候鏡頭參數(shù)選擇要分清自己視覺系統(tǒng)應(yīng)用中的哪些是必須保證的，哪些是可以通過其它的方法折中的。

鏡頭接口

除了前面討論的光學(xué)參數(shù)，實際上對于鏡頭我們需要處理一些額外的參數(shù)。首先有很多方法在相機上安裝鏡頭，幸好機器視覺由C接口和CS接口的鏡頭和相機主導(dǎo)，比較例外的是高像素數(shù)的線掃描相機（2048像素以上），它需要比C接頭提供的圖像格式更大，在這種情況下，通常利用的是尼康的F接口。

C接口與CS接頭的區(qū)別就是他們背焦距。對C接口背距是17.5mm，對CS接口背距為12.5mm。因此，對C接頭可以增加一個5mm的擴展管，就可得到CS接頭。由于C接口標(biāo)準(zhǔn)是國際接受的，有很多鏡頭可供選擇。對于這一規(guī)則有一重要例外：C接口的3CCD相機不能和C接頭協(xié)同工作。從機械的角度，各種C接頭的背焦距太長。另外，C接頭的光學(xué)特性不能總適合3CCD相機。因此，需要考慮相機廠商提供的兼容性列表。圖1.3.6所示就是C接口與CS接口之間正確的匹配和不正確的匹配方法。

遠(yuǎn)心鏡頭

普通的鏡頭與人眼一樣，由于視場角的緣故看物體都存在“近大遠(yuǎn)小”的現(xiàn)象，如果這樣的鏡頭用在測量系統(tǒng)中，物距常發(fā)生變化，從而使像高發(fā)生變化，所以測得的物體尺寸也發(fā)生變化，即產(chǎn)生了測量誤差；另一方面，即使物距是固定的，也會因為CCD敏感表面不易精確調(diào)整在像平面上，同樣親會產(chǎn)生測量誤差。為了解決上述問題，可以采用遠(yuǎn)心物鏡。其中像方遠(yuǎn)心物鏡可以消除物距變化帶來的測量誤差，而物方遠(yuǎn)心物鏡則可以消除CCD位置不準(zhǔn)帶來的測量誤差。下面的表格對傳統(tǒng)鏡頭與遠(yuǎn)心鏡頭進行了簡單對比。

擴展鏡或延伸管

    很多鏡頭為了適應(yīng)更多的應(yīng)用環(huán)境，常常在鏡頭中預(yù)留位置或在鏡頭兩端預(yù)留螺紋，以方便擴展鏡頭用。這里所說的擴展鏡是個廣義的概念，可以指增倍鏡，可以是濾光鏡、偏振鏡或差分鏡，可以是轉(zhuǎn)軸鏡，可以是與延伸管功能類似的微距鏡（減小工作距離），還可以是用以實現(xiàn)同軸照明的半透半反鏡。具體的選擇需要根據(jù)您的需要詢問鏡頭供應(yīng)商。

對于一個光學(xué)鏡頭的性能評估通常用分辨率（resolution） 、對比度（contrast）、像差（aberration）、MTF（modulation transfer function）、色彩平衡性（color balance）、周邊光量（Peripheral illumination）、漸暈 （Vignetting）、光斑（flare）、鍍膜（coating）等參數(shù)進行衡量，雖然這些與視覺成像有很大關(guān)系，但作為機器視覺的應(yīng)用者，應(yīng)該把這些參數(shù)的保障交給鏡頭生產(chǎn)者，而自己主要是選擇合適的鏡頭類型并保證視場大小和分辨率要求，此外與視覺應(yīng)用比較相關(guān)的還有工作距離、景深、畸變、均一充分的亮度、耐振蕩沖擊性和鏡頭本身的尺寸規(guī)格。

小結(jié)

[本節(jié)參考文獻：Introduction to optics, The Imaging Source Europe GmbH; www.Edmundoptics.com ] 

3.4 圖像采集卡（Frame Grabber）

圖像采集卡被作為視頻信號從相機到電腦之間傳輸?shù)臉蛄骸２杉ㄓ卸喾N總線形式，比如見的PCI總線和更大帶寬的它的升級版本PCI-X總線，也有基于AGP、ISA、PC104Plus、CompactPCI以及VME總線的圖像采集卡。

目前大部分相機仍是以模擬信號輸出，圖像采集卡則將各種模擬視頻信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機，供計算機作處理、存儲、傳輸?shù)戎?，一般以可插入計算機，或脫離計算機獨立使用的板卡形式出現(xiàn)。針對機器視覺應(yīng)用的圖像采集卡有多種種類、規(guī)格。但盡管其設(shè)計和特性不同，大多數(shù)采集卡的基本原理相同。在此,將基于PCI總線的模擬圖像采集卡為例加以說明。

近年來，數(shù)字視頻產(chǎn)品取得了顯著發(fā)展。數(shù)字視頻產(chǎn)品通常需要對動態(tài)圖像進行實時采集和處理，因此產(chǎn)品性能受圖像采集卡的性能影響很大。由于早期圖像采集卡以幀存為核心，處理圖像時需讀寫幀存，對于動態(tài)畫面還需“凍結(jié)”圖像，同時由于數(shù)據(jù)傳輸速率的限制，因此圖像處理速度緩慢。90年代初，INTEL公司提出了PCI(Peripheral Component Interconnect)局部總線規(guī)范。PCI總線數(shù)據(jù)傳寬度為32/64位，允許系統(tǒng)設(shè)備直接或間接連接其上，設(shè)備間可通過局部總線完成數(shù)據(jù)的快速傳送，從而較好地解決了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i問題。

由于PCI總線的高速度，使A/D轉(zhuǎn)換以后的數(shù)字視頻信號只需經(jīng)過一個簡單的緩存器即可直接存到計算機內(nèi)存，供計算機進行圖像處理也可將采集到內(nèi)存的圖像信號傳送到計算機顯示卡顯示;甚至可將A/D輸出的數(shù)字視頻信號經(jīng)PCI總線直接送到顯示卡，在計算機終端上實時顯示活動圖像?；赑CI總線的圖像采集系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖中的緩存(數(shù)據(jù)鎖存器)代替了幀存儲器，這個緩存是一片容量小、控制簡單的先出(FIFO)存儲器，起到圖像卡向PCI總線傳送視頻數(shù)據(jù)時的速度匹配作用。將圖像卡插在計算機的PCI插槽中，與計算機內(nèi)存、CPU、顯示卡等之間形成調(diào)整數(shù)據(jù)傳送。

圖1.4.1 圖像采集卡的基本結(jié)構(gòu)

圖1.4.1 顯示了圖像采集卡的基本結(jié)構(gòu)。首先，同步分離器將同步脈沖從輸入的視頻信號中分離。水平同步表明新的一行的開始，垂直同步表明新的一場或一幀的開始。通常在視頻信號與采集卡相連接后，在采集卡工作穩(wěn)定之前還需要獲取三幀圖像的時間，當(dāng)需要在一個視頻源與另一個視頻源之間切換時，這就可能產(chǎn)生麻煩。為了避免這么長時間的初始化，視頻源必須由外部同步，從而所有相機的水平同步與垂直同步都是同步的，這就是鎖相機制。幸好一些采集卡都帶有用于產(chǎn)生同步信號來鎖相的同步發(fā)生器。但是，必須知道這些同步信號是TTL電平而不是視頻標(biāo)準(zhǔn)脈沖電平。因此，視頻源必須能夠與TTL同步輸入?yún)f(xié)同工作。還須注意，使用采集卡的同步發(fā)生器并不表示同步分離是由同步發(fā)生器直接控制的。而且，同步分離器與同步發(fā)生器是相互獨立工作的，并且不是直接與視頻源相連的。

一旦達到行和幀穩(wěn)定的同步，獲取圖像的下一個步驟就與像素的產(chǎn)生本身相關(guān)。根據(jù)視頻標(biāo)準(zhǔn)，抽樣/保持單元需要對CCIR相機采用767像素/行，對于EIA相機采用647像素/行的抽樣來數(shù)字化輸入。在上面相機的介紹中討論過這就導(dǎo)致對于CCIR相機需要14.75MHz的像素時鐘頻率，而對于EIA相機需要12.3MHz的像素時鐘頻率。實際中，采集卡的參數(shù)可能與標(biāo)準(zhǔn)值會有些不同，但不會有太大差別。另外，只有在采集卡使用相機的像素時鐘的情況下才能夠精確的將CCD芯片的像素映射到采集卡緩存或計算機內(nèi)存區(qū)。

數(shù)字化的像素存儲在圖像緩存或FIFO緩存中。圖像緩存存儲至少一副完整幀，當(dāng)總線帶寬太小而不能無失真的傳輸數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流的時候就會使用它。較的總線系統(tǒng)，比如PCI總線，對于標(biāo)準(zhǔn)視頻流僅僅需要幾個K字節(jié)的FIFO來緩沖無規(guī)律的數(shù)據(jù)流。因此，有可能在計算機主存中直接獲取數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流，也可以將其直接傳送給顯卡供實時觀察。  PCI總線可支持BUS Master設(shè)備以132Mbps突發(fā)速率傳輸數(shù)據(jù)。而其平均持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率一般在50～90Mbps。

  來自相機的數(shù)據(jù)總是以一個固定的速率傳輸?shù)摹Ｈ绻鸓CI總線可以維持大于視頻數(shù)據(jù)率的平均持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率，問題看起來就解決了。然而實際上并不是這么簡單，PCI總線設(shè)備只能以突發(fā)的方式向總線傳輸數(shù)據(jù)。圖像采集卡必須將每一突發(fā)之間的連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)保存起來。解決的方法就是采用On-board Memory。有些廠家出于經(jīng)濟方面的考慮去除了Memory而采用數(shù)據(jù)緩存隊列(FIFO)，F(xiàn)IFO的大小一般以足以保存一行圖像數(shù)據(jù)為限。然而，當(dāng)圖像數(shù)據(jù)的速率大于PCI的持續(xù)數(shù)據(jù)傳輸率時FIFO就不起作用了。

圖像采集卡的基本技術(shù)參數(shù)主要有以下幾方面：

A．圖像傳輸格式

圖像采集卡需要支持系統(tǒng)中攝像機所采用的輸出信號格式。大多數(shù)攝像機采用RS422或EIA644（LVDS）作為輸出信號格式。在數(shù)字相機中，IEEE1394，USB2.0和CameraLink幾種圖像傳輸形式則得到了廣泛應(yīng)用。

B．圖像格式（像素格式）

黑白圖像：通常情況下，圖像灰度等級可分為256級，即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時，可用10位，12位等來表示；彩色圖像：彩色圖像可由RGB（YUV）3種色彩組合而成，根據(jù)其亮度級別的不同有8－8－8，10－10－10等格式。

C．傳輸通道數(shù)

當(dāng)攝像機以較高速率拍攝高分辨率圖像時，會產(chǎn)生很高的輸出速率，這一般需要多路信號同時輸出，圖像采集卡應(yīng)能支持多路輸入。一般情況下，有1路，2路，4路，8路輸入等。

D．分辨率支持

采集卡能支持的點陣反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持768*576點陣，而性能優(yōu)異的采集卡其支持的點陣可達64K*64K。單行點數(shù)和單幀行數(shù)也可反映采集卡的分辨率性能。

E．采樣頻率

采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進行高度圖像采集時，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。目前高檔的采集卡其采樣頻率可達65MHZ。

F．傳輸速率

主流圖像采集卡與主板間都采用PCI接口，其理論傳輸速度為132MB/S。

多媒體VS.機器視覺

乍一看，用于多媒體的圖像采集卡與用于機器視覺的圖像采集卡有些相似：它們都是獲取圖像并將圖像轉(zhuǎn)化為計算機能夠處理的數(shù)字化圖像。而實際上，他們是有著很大的區(qū)別。多媒體圖像采集卡獲取圖像是為了視頻及音頻編輯的，它們產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)流必須被有效的顯示、存儲、傳輸。視頻傳送不需要大量數(shù)據(jù)，典型的方法就是低分辨率圖像及壓縮技術(shù)的應(yīng)用，而結(jié)果圖像質(zhì)量就會變差。另一方面，用于機器視覺的圖像必須盡可能精確的表示實際的物體，畢竟一個應(yīng)用很可能需要告訴用戶精確的信息，比如測量某高度值應(yīng)該為5.20mm。從驅(qū)動軟件的角度看，多媒體圖像采集卡是多采用現(xiàn)存的標(biāo)準(zhǔn)接口比如MCI或TWAIN；而機器視覺領(lǐng)域的圖像采集卡，簡單的采集卡可以通過寄存器或者按照一個更加的概念來獲得，隨之有驅(qū)動庫，它包含采集卡寄存器結(jié)構(gòu)并且提供對硬件資源的直接存取。但是，這沒有標(biāo)準(zhǔn)，每一個制造商都有他自己的方法。這就反映了機器視覺硬件標(biāo)準(zhǔn)對于一些特性比如觸發(fā)機制的缺乏（在前面1.2 相機一節(jié)有相關(guān)的介紹）。驅(qū)動程序與應(yīng)用程序之間的接口是普遍標(biāo)準(zhǔn)化的，相比之下，機器視覺應(yīng)用程序就有很大不同，有很多是針對應(yīng)用定制的，也有很多通用的開發(fā)包。

與圖像采集卡相關(guān)的技術(shù)

（1）直接存儲器訪問（DMA）

DMA( Direct Memory Access)是一種總線控制方式，它可取代CPU對總線的控制，在數(shù)據(jù)傳輸時根據(jù)數(shù)據(jù)源和目的的邏輯地址和物理地址映射關(guān)系，完成對數(shù)據(jù)的存取，這樣可以大大減輕數(shù)據(jù)傳輸時CPU的負(fù)擔(dān)。

（2） 分散/聚集表（Scatter/Gather Table）

 分散/聚集表實際上就是一張供DMA傳輸時邏輯地址與物理地址的動態(tài)映射表。根據(jù)不同的板卡設(shè)計，這張表可直接位于采集卡的某個buffer模塊內(nèi)，稱為硬件式的分散/聚集，它在PCI傳輸時的速度可達120M/s;此表也可位于主機的某段內(nèi)存中，稱為軟件式的分散/聚集，傳輸?shù)乃俣纫话銥?0bps。大部會PC系列采集卡都屬于硬件式的分散/聚集。

（3） 查尋表（LUT）

 對于圖像采集卡來說，LUT(Look-Up Table)實際上就是一張像素灰度值的映射表，它將實際采樣到的像素灰度值經(jīng)過一定的變換如閾值、反轉(zhuǎn)、二值化、對比度調(diào)整、線性變換等，變成了另外一個與之對應(yīng)的灰度值，這樣可以起到突出圖像的有用信息，增強圖像的光對比度的作用。很多PC系列卡具有8/10/12/16甚到32位的LUT，具體在LUT里進行什么樣的變換是由軟件來定義的。

（4） PLL、XTAL和VScan

PLL、XTAL和VScan為模擬采集卡的三種不同工作模式。PLL(Phase Lock Loop)模式:相機向采集卡提供A/D轉(zhuǎn)換的時鐘信號，此時鐘信號來自于相機輸出的Video信號，HS和VS同步信號可以有三種來源:composite video，composite sync， separate sync； XTAL模式:圖像采集卡給相機提供時鐘信號以及HD/VD信號，并用提供的時鐘信號作為A/D轉(zhuǎn)換的時鐘，但同步信號仍可用相機輸出的HS/VS； VScan模式:由相機向分別卡提供Pixel Clock信號、HS和VS信號。

（5） 子采樣（Decimation）

    Decimation實際上是對原始圖像進行子采樣，如每隔2、4、8、16行(列)取一行(列)組成新的圖像。Decimation可以大大減小原始圖像的數(shù)據(jù)量，同時也降低了分辨率，有點類似于相機的Binning。

（6） 可編程子窗生成（PWG）

   PWG (Programmable Window Generator)指在獲取的相機原始圖像上開一個感興趣的窗口，每次只存儲和顯示該窗口的內(nèi)容，這樣也可以在一定程度上減少數(shù)據(jù)量，但不會降低分辨率。一般采集卡都有專門的寄存器存放有關(guān)窗口大小、起始點和終了點坐標(biāo)的有關(guān)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都可通過軟件設(shè)置。

（7） 數(shù)據(jù)重組（Resequencing）

Resequencing可以認(rèn)為是一種對多通道或不同數(shù)據(jù)掃描方式的相機所輸出數(shù)據(jù)的重組能力，即將來自CCD靶面不同區(qū)域或像素點的數(shù)據(jù)重新組合成一幅完整的圖像。

（8）非破壞性覆蓋（Non-destructive overlay）

    overlay是指在視頻數(shù)據(jù)顯示窗口上覆蓋的圖形(如彈出式菜單，對話框等)或字符等非視頻數(shù)據(jù)。“非破壞性覆蓋”是相對于“破壞性覆蓋”來說的，“破壞性覆蓋”指顯示窗口中的視頻信息和覆蓋信息被存放于顯存中的同一段存儲空間內(nèi)，而“非破壞性覆蓋”指視頻信息與覆蓋信息分別存放于顯存中兩段不同的存儲空間中，顯示窗口中所顯示的信息是這兩段地址空間中所存數(shù)據(jù)的迭加。如果采用“破壞性覆蓋”，顯存中的覆蓋信息是靠CPU來刷新的，這樣既占CPU時間,又會在實時顯示時由于不同步而帶來閃爍，如果采用“非破壞性覆蓋”則可消除這些不利因素。

模擬采集卡采樣精度與速度

    模擬采集卡的數(shù)字化精度主要包括兩個方面即像素抖動（在相機一節(jié)已詳細(xì)介紹）是由圖像采集卡的A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘的誤差產(chǎn)生的像元位置上的微小的錯誤從而導(dǎo)致對距離測量的錯誤。 (2) 灰度噪音Grey-Scale Noise灰度單元，圖像采集卡的數(shù)字化轉(zhuǎn)換的過程包括對模擬視頻信號的放大和對其亮度(灰度值)進行測量。在此過程中會有一定的噪聲和動態(tài)波動由圖像采集卡的電路產(chǎn)生。如像素抖動一樣，灰度噪聲將導(dǎo)致對距離測量的錯誤。典型的灰度噪聲為0.7個，表示為0.7LSB。 

數(shù)字采集卡要考慮數(shù)據(jù)率大小，計算數(shù)字采集卡的數(shù)據(jù)率是否滿足系統(tǒng)的要求可按下列公式計算:

Data Rate(Grabber)＞1.2×Data Rate(Camera)                   （公式1.4.1）

Data Rate(Camera)＝R×f×d/8

式中Data Rate(Grabber)為采集卡的數(shù)據(jù)率，Data Rate(Camera)為相機的數(shù)據(jù)率，R為相機的分辨率，f為相機的幀頻，d為相機的數(shù)字深度(或稱灰度級)。

非標(biāo)準(zhǔn)視頻獲取

很多機器視覺應(yīng)用相機輸出并非標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號，相應(yīng)的圖像采集卡就也必須提供一些視頻標(biāo)準(zhǔn)以外的特性。下面就描述了三種典型的非標(biāo)準(zhǔn)采集卡：

①由視頻標(biāo)準(zhǔn)定義的圖像分辨率對于大多數(shù)應(yīng)用是足夠的，因此一種非標(biāo)準(zhǔn)采集卡就是將視頻標(biāo)準(zhǔn)，比如說像素時鐘、觸發(fā)機制、逐行掃描更加細(xì)化。與RGB相機共同使用的采集卡通常用于同時獲取高達三種顏色的視頻信號（這三個通道可以不必代表通常的紅、綠、藍信號）。用這種方法，就可以實現(xiàn)立體的視覺系統(tǒng)。而且，一些特殊的相機提供兩路視頻輸出來加倍掃描速率并且能夠與RGB采集卡相連。 

②第二種非標(biāo)準(zhǔn)采集卡并不像種那樣遵循視頻標(biāo)準(zhǔn)。他們自適應(yīng)幾乎所有的非標(biāo)準(zhǔn)相機，比如說線掃描相機、數(shù)字相機、以及提供超出視頻標(biāo)準(zhǔn)分辨率的相機。非標(biāo)準(zhǔn)視頻可以是以下特性的組合：

A.       非標(biāo)準(zhǔn)時鐘

不遵循標(biāo)準(zhǔn)視頻時鐘的視頻信號不能用傳統(tǒng)的圖像采集卡和標(biāo)準(zhǔn)譯碼電路來處理。輸出比幀速率比標(biāo)準(zhǔn)個數(shù)多或少的相機（雙倍速度相機和百萬像素相機）或者當(dāng)要處理觸發(fā)、變化掃描設(shè)置，將會在以后討論。

B.       非標(biāo)準(zhǔn)或百萬像素分辨率

    的相機開始在傳感器上有越來越多的像素從而圖像的分辨率會變大。CCIR標(biāo)準(zhǔn)指出，具有百萬像素的相機其1024*768、1300*1030或更高的分辨率已經(jīng)超過了傳統(tǒng)的768*576的分辨率，它能夠提供給定分辨率下更大的視野范圍。

C.       逐行掃描輸出

逐行掃描在相機一節(jié)曾有介紹，它是指整個圖像而不是一半的圖像在一個事件當(dāng)中同時計算。結(jié)果就是的處置分辨率非隔行視頻，對捕獲具有分辨率的高速運動物體的圖像很適用。大多數(shù)制造的CCD傳感器是隔行掃描類型的，以適應(yīng)于監(jiān)視和電視型的應(yīng)用。因此，逐行掃描相機比隔行掃描相機價格要貴，并且更適用于機器視覺。使用逐行掃描相機時，快速運動物體的圖像也可能是模糊的。這是因為視頻中的圖像是在一個時間段(曝光時間)內(nèi)積累的結(jié)果，在這過程中物體可能已經(jīng)移動。為降低模糊，可以用一個電子快門來縮短曝光時間。這在35mm攝影相機中機械的完成，在CCD相機中電子的完成。當(dāng)電子快門速度提高時，曝光時間就縮短，物體在很短的時間中被拍攝，因而能減少模糊。大多數(shù)機器視覺應(yīng)用都時利用這種技術(shù)，盡管少的曝光時間意味著由于少的光照到傳感器上，相機變得不敏感。當(dāng)電子快門達到一個較高的速度，就需要更高的光密度，這也能夠有快的，低的F數(shù)鏡頭來輔助完成。只有在采集卡本身能夠被用戶配置的情況下，才有可能實現(xiàn)這么高的靈活性。因此，這種采集卡通常配有特殊的能夠產(chǎn)生相機描述文件的配置程序，描述文件被采集卡驅(qū)動程序用來配置采集卡。

③盡管如今的PC機性能已經(jīng)很高，對于一些圖像序列的處理，它還是不夠的。因此，就需要額外的計算能力。為了達到這個目的，高終端的圖像采集卡就配有一個或多個信號處理器，能夠做CPU的圖像預(yù)處理。顯然，這種采集卡成功的應(yīng)用是需要很多經(jīng)驗的，另外，實際采集卡的復(fù)雜度以及信號處理器的開發(fā)環(huán)境就產(chǎn)生很高的需求。

接口制式，數(shù)據(jù)格式

目前相機的接口形式包括模擬接口(PAL、NTSC、CCIR、RS170/EIA、非標(biāo)準(zhǔn)模擬制式)，數(shù)字接口(Camera Link、Channel Link、LVDS/RS422)和議一些直聯(lián)式數(shù)字接口（IEEE 1394、USB、以太網(wǎng)Ethernet）定與視覺系統(tǒng)所選用相機一致，如選用數(shù)字制式還必須考慮相機的數(shù)字位數(shù)。（模擬信號及接口前面已經(jīng)介紹）

RS-422 及RS-644(LVDS)接口

RS-422 及RS-644(LVDS)通常是68pin 或 100pin 的高密度接口, 但各相機廠家的引腳定義不盡相同而且采集卡引腳定義也不太一樣, 因此在選定相機及采集卡后，需要更換其中的一者都必須先看看引腳的信號的定義，也許需要重做信號線或做一個信號轉(zhuǎn)換板。

Channel Link 接口

Channel Link是Camera Link的前身，能夠與其兼容，接口的引腳較LVDS少了很多卻仍然可以傳輸大量的數(shù)據(jù),它也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接頭形式, 因此各廠家的產(chǎn)品之間依然有差異。 

Camera Link接口

Camera Link標(biāo)準(zhǔn)則是由多家工業(yè)相機和采集卡大廠共同制定出來的, 標(biāo)準(zhǔn)本身是基于Channel Link 的特性, 并定義了標(biāo)準(zhǔn)的接口, 讓相機與采集卡之間的信號傳輸更加簡單化了,同時定義了基本架構(gòu)(Base Configuration), 中級架構(gòu)(Medium Configuration), 及完整架構(gòu)(Full Configuration) 的信號引腳規(guī)范和傳輸資料量。 

IEEE 1394

IEEE 1394接口，（通常也被稱為FireWire或者iLink）。 因為可得到的帶寬被分配到需要它的全部設(shè)備，在節(jié)點上的最慢的設(shè)備將決定整個傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬。 IEEE1394a是目前實現(xiàn)的版本。 它支持100，200，和400 Mbit/s的帶寬。 而IEEE 1394b是一個新興的標(biāo)準(zhǔn)但還沒被廣泛地支持，它提供一個800 Mbit/s的帶寬，最多可達3.2 Gbit / s。 1394有兩種工作方式： 異步（asynchronous）方式和同步（isochronous），異步方式的設(shè)計主要是保證信息傳遞的可靠性，并非保證高的傳輸速度，它在數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收之間通過“握手”以保證被傳送的數(shù)據(jù)被收到；而同步方式則會保證帶寬， 它必須犧牲握手個過程而沒有保障數(shù)據(jù)被收到。如果可提供的帶寬被給予一個同步的設(shè)備， 然后設(shè)備可以每125us發(fā)送一包數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包的長度由設(shè)備的保留的帶寬確定。 同步設(shè)備把數(shù)據(jù)送到一個通道，其它設(shè)備都可以通過該通道同步接受數(shù)據(jù)包。 如果數(shù)據(jù)包損壞或丟失，也不能重新傳送。 大多數(shù)1394接口的工業(yè)相機采用同步方式并且遵循DCam協(xié)議(或稱IIDC協(xié)議)。 

USB

普通串口總線(USB)是一個主從系統(tǒng)用于點對點通訊，目的是作為一種通用標(biāo)準(zhǔn)來取代現(xiàn)有的各種串行或并行的計算機I/O 協(xié)議。 主控制器擔(dān)任主機，端點的其它外部設(shè)備隸屬于它， 下位USB設(shè)備只能與主機(通常一臺計算機)聯(lián)系，但其它設(shè)備相互間不能通信。 USB 1.1提供一個只12 Mbit/s的帶寬， 因此，不太適合工業(yè)相機的圖像傳輸。有480 Mbit/s的可提供的帶寬的USB 2.0則能達到工業(yè)相機的數(shù)據(jù)傳輸速度需求。 USB也采用與1394同步方式類似的數(shù)據(jù)傳輸方式。USB的同步方式每125us發(fā)送一包數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)包長度確定設(shè)備分配到的帶寬。 與1394一樣，不可能實現(xiàn)握手，因此也只是保證帶寬而沒有保證信息傳輸?shù)耐暾?nbsp;同步方式數(shù)據(jù)傳輸可以達到90%可得到的帶寬。 即一部相機能請求并且被準(zhǔn)許480 Mbit/s中的90%（理論上，8 位像素圖像傳輸率為54 Mpixel/s）。但一些其它的總線開支通常降低可提供的帶寬到實際40 Mpixel / s左右。

以太網(wǎng)Ethernet

作為一個局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它起先被美國施樂公司開發(fā)，后來在與DEC和Intel合作中獲得來巨大改進，Ethernet接口使用總線形或者星形結(jié)構(gòu)學(xué)并且支持?jǐn)?shù)據(jù)傳送率達到 1 Gbit/s，但是，最通常使用的100baseT版本只能提供100Mbit/s的總線帶寬。 Ethernet使用載波多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)存取方式。 因為Ethernet允許任何設(shè)備給任何其它或全部設(shè)備隨時發(fā)送數(shù)據(jù)且無需協(xié)調(diào)，數(shù)據(jù)沖突的潛在可能就會隨著網(wǎng)絡(luò)使用設(shè)備和被傳送數(shù)據(jù)的數(shù)量增大。 CSMA/CD每當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸沖突時再試，直到數(shù)據(jù)到達最后的目的地。即使有其它網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，例如開關(guān)和路由器， 當(dāng)在一個網(wǎng)絡(luò)上有超過兩個設(shè)備時，沖突的潛在可能被大大降低，但也不能達到理論的帶寬(100Mbit/s)。 100Mbits/s的理論帶寬的100baseT 通常有效的數(shù)據(jù)傳輸速度為50Mbit/s，在考慮節(jié)點開銷和沖突之后，對8位的圖像數(shù)據(jù)只能達到6.25Mpixel/s，不適應(yīng)多數(shù)機器視覺的應(yīng)用。 由于千兆位Ethernet（1000baseT）的來臨，帶寬可增加到1，000Mbit/s（1Gbit/s）但其工業(yè)目的的未壓縮圖像數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)目的沒被確定。 

因此，視頻制式與接口的選擇需要與相機一起進行綜合考慮，此外，雖然目前一起直連相機（比如USB和IEEE1394）存在著價格較低，但考慮到復(fù)雜視覺系統(tǒng)對一些控制功能的需求和圖像傳輸可靠性，因而直連相機并不是大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用的。

附加功能

圖像采集卡為了方便視覺系統(tǒng)的應(yīng)用，通常會增加一些有別于單純圖像采集的附加功能，在機器視覺系統(tǒng)中，輸入/輸出的控制很重要，系統(tǒng)中常要根據(jù)處理過程的需要來決定相機的拍照時間，采用了可異步重置的相機，則需要輸出觸發(fā)相機的信號。此外，在一些系統(tǒng)中，由于需要設(shè)定拍攝的幀率，應(yīng)該有像素時鐘發(fā)生器。外同步是指不同的視頻設(shè)備之間用同一同步信號來保證視頻信號的同步，它可以保證不同設(shè)備輸出的視頻信號具有相同的幀行起止時間。為了實現(xiàn)外同步，需要給攝像機輸入一個復(fù)合同步信號或復(fù)合視頻信號。如果圖像采集卡已經(jīng)具有數(shù)字 I/ O功能，能夠產(chǎn)生攝像機和其他電子設(shè)備所需的選通、觸發(fā)及其他電子信號，對系統(tǒng)是很有用的，否則將需要獨立的數(shù)字 I/ O卡。

比如圖1.4.1中所示的同步輸出、像素時鐘輸出、外部觸發(fā)輸入和用戶自定義的數(shù)字 I/ O，此外還有的采集卡會提供RS232串口控制和相機電源輸出等。

硬件可靠性以及軟件支持

硬件的可靠性在生產(chǎn)系統(tǒng)中是十分重要的，由設(shè)備故障而停產(chǎn)造成的損失遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)備本身。很多板卡廠家并沒有標(biāo)明如平均時間等可靠性指標(biāo)。這里有兩個經(jīng)驗性的技巧用以評估不同板卡的可靠性，板上的器件的數(shù)量和功耗。試著去選擇具有更低功耗的采集卡。在其它條件都同等的情況下一塊復(fù)雜具有更多器件的卡會比器件較少的卡耗散更多的熱量。好的設(shè)計會采用更多的ASIC(Applica tion-specific integrated circuits)和可編程器件以減少電子器件的數(shù)量，而達到更高的功能。您還可以選擇具有更少的無用功能的卡以減少不必要的麻煩。過壓保護是可靠性的一個重要指標(biāo)。接近高壓會在視頻電纜產(chǎn)生很強的電涌，在視頻輸入端和I/O口加過壓保護電路可保護采集卡不會被工業(yè)環(huán)境電磁干擾會產(chǎn)生的高壓擊穿。

基本上所有的圖像采集卡都支持二次開發(fā)，通常隨圖像采集卡都附送一些采集、存儲、顯示相關(guān)的函數(shù)庫，而圖像處理相關(guān)的函數(shù)庫雖然需要得到響應(yīng)的硬件支持但往往都是另外銷售的，因此在選擇采集卡的同時還必須考慮此視覺系統(tǒng)要選用的軟件與采集卡是否兼容，是否使用方便，其軟件是否要求付費等。比如Matrox公司的Mil和MilLite可以在它們的大多數(shù)卡上使用， Dalsa Coreco公司的圖像處理軟件WIT、Sapera、MVTools等只能在其Bandit系統(tǒng)、PC系列、X64系列、Viper系列等采集卡上使用，而Cognex公司的Vision Pro只能在其8100、8500系列采集卡上運行。此外，像HexSight這類的通用視覺開發(fā)軟件，則可以支持市面上的大多數(shù)采集卡。

小結(jié)

[本節(jié)參考文獻：Introduction to frame grabber, The Imaging Source Europe GmbH; 張未強，陸洋，） ]

1.5 光源（illumination）

    光源是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，因為它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和至少30%的應(yīng)用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設(shè)備，所以針對每個特定的應(yīng)用實例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達到效果。許多工業(yè)用的機器視覺系統(tǒng)用可見光作為光源，這主要是因為可見光容易獲得，價格低，并且便于操作。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。但是，這些光源的一個缺點是光能不能保持穩(wěn)定。以日光燈為例，在使用的個100小時內(nèi)，光能將下降15%，隨著使用時間的增加，光能將不斷下降。因此，如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實用化過程中急需要解決的問題。另一個方面，環(huán)境光將改變這些光源照射到物體上的總光能，使輸出的圖像數(shù)據(jù)存在噪聲，一般采用加防護屏的方法，減少環(huán)境光的影響。由于存在上述問題，在現(xiàn)今的工業(yè)應(yīng)用中，對于某些要求高的檢測任務(wù)，常采用X射線、超聲波等不可見光作為光源。

一個好的操作平臺應(yīng)該能夠在最短的時間內(nèi)處理圖像，好的機器視覺軟件應(yīng)該能夠很容易的在一系列的案例中應(yīng)用，好的相機和鏡頭應(yīng)該是擁有最小的畸變和足夠的分辨率。但是，好的機器視覺照明應(yīng)該有什么特點呢？在圖像的分析處理中，光源的角色又是什么呢？

判斷機器視覺系統(tǒng)照明的好壞，首先必須了解什么是光源需要做到的！顯然光源應(yīng)該不僅僅是使檢測部件能夠被攝像頭“看見”。有時候一個完整的機器視覺系統(tǒng)很難完成的工作，但是僅僅優(yōu)化一下光源就可以使系統(tǒng)順利進行了。

1.                      衡量光源的好壞