3.4 數字相機與光源

3.4.1 光源

光源是機器視覺系統中的關鍵組成部分。在機器視覺應用系統中，照明方案的選擇往往能直接決定一個系統的成敗，對成像質量有著十分重要的作用。照明的主要功能是以合適的方式照亮待測物體，將待測物的特征從整體中突出以便于后續的檢測。好的照明方式可以簡化后續圖像處理算法，提高檢測精度，使得整個系統具備更好的魯棒性。相反，不合適的照明則會拖累整個系統，有時會帶來不可預知的困難，甚至使檢測任務失敗，例如光源亮度不夠或過高就可能屏蔽掉某些重要的圖像信息，或者造成對比度不均勻等，增加后續圖像處理中的困難（如閾值的選擇）。通常情況下，針對不同的應用，都需要設計相適應的照明裝置，用最好的照明效果來支撐整個系統，而系統照明光源的價值正在于此。

在目前的機器視覺應用系統上，光源主要有熒光燈、鹵素燈泡、發光二極管（LED）、激光光源。熒光燈將弧光放電現象產生的紫外線作為熒光體，從而發出可視光。鹵素燈泡一般以鹵素燈+光纖導管組合形式出現，利用光纖導管將燈箱中的鹵素燈發出的光線采集并轉向待測物。LED利用電子和空穴結合所釋放的能量進行照明，通常由多個LED排列組合而成。激光光源具有相干性好、亮度高、單色性好等優點，在高精度測量等領域廣泛應用。激光光源包括線激光、條紋激光、網格激光燈。

從顏色上劃分，LED主要包括白色LED、藍色LED、紅色LED和綠色LED。LED實現白光的方式有三種：①通過紅、綠、藍三基色芯片組合來合成；②使用藍光LED芯片激發黃色熒光粉，由LED藍光和黃色熒光粉發出的黃綠光合成；③采用紫外光LED（UVLED）激發三基色熒光粉合成。白色光源適用性廣，亮度高，在拍攝彩色圖像時使用較多。藍色光源波長在410～480 nm之間，適用于銀色背景產品、金屬印刷品。紅色光源波長在600～720 nm之間，波長較長，可以透過一些比較暗的物體，例如底材為黑色的透明軟板孔定位、綠色線路板線路檢測、透光膜厚度檢測，采用紅色光源更能提高對比度。綠色光源波長在510～560nm之間，界于紅色和藍色之間，適用于紅色和銀色背景產品。

由于LED在性價比方面能體現出更大的優勢（特別是針對工業檢測領域），下面分析和使用的系統均為LED光源。圖3-10展示了部分工業上常用的LED。其中，環形光源應用最廣，它設計緊湊，方便安裝調節，可以提供大面積的均衡照明，能較好地解決對角照射陰影問題。環形光源對檢測高反射材料表面的缺陷效果極佳，比如電路板和BGA（球柵陣列封裝）缺陷的檢測。同軸光源可以去掉被測物體外表不平整帶來的陰影效果，用于提高清晰度，廣泛應用于金屬表面、薄膜、晶片等的劃傷檢測，玻璃板的表面損傷檢測等；條形光源照射角度的可調節性高并且易于安裝，適合于較大物體的表面照明。背光源一般用作零件背光照明，能突出零件的輪廓特征，如圖3-11所示。除此之外，還有一些常用的LED光源，比如AOI（Automated Optical Inspection，自動光學檢測）專用光源、球積分光源等。

實際應用中，不僅光源的類型需要慎重選擇，光源的照明方式也同等重要。常用的照明方式有低角度照射、角度照射、垂直照射、背光源照射。低角度照射時光線方向與物體表面的夾角接近0°，此時光源對物體表面的凹凸表現力強；角度照射時光線方向與物體表面有較大的夾角（如30°、45°、60°、75°等），在一定的工作距離下，這種方式具有光束集中、亮度高、均勻性好、照射面積相對較小的優點；垂直照射時光線方向與物體表面約成90°夾角，照射面積大、光照均勻性好，適用于較大面積照明；相對前三種方式，背光源照射略有不同，它主要是在不透明區域會產生明顯的暗部輪廓，能夠突出不透明部分的外部輪廓。

選取光源時還需要考慮一些其他因素，比如用單色光源添加濾鏡去除或降低環境光，通過偏振片消除反光等。根據目標顏色的不同可以選擇不同光譜的光源照射，利用補色律和亮度相加律來達到突出目標亮度、削弱背景的目的，最終達到突出目標的效果。

值得一提的一點——自由電子激光

自由電子激光是21世紀誕生的最新一代先進光源，具有極高的峰值亮度（高于第三代同步輻射光源8～10個數量級）、超短的脈沖（飛秒到阿秒）和極好的相干性等優越特性，在物理、化學、生物、醫學、能源、環境等領域具有很大的應用價值。與傳統激光產生機理不同，自由電子激光的產生原理為將磁場中運動的相對論電子束的動能轉換為光子能量。以硬X射線自由電子激光為代表的此類激光可以在原子、飛秒尺度上對微觀物質進行研究，因此其重要性不言而喻。世界第一臺亞納米波段硬X射線自由電子激光裝置在美國斯坦福SLAC國家加速器實驗室（簡稱SLAC）建成，極大推動了自由電子激光的發展和應用。目前工作在極紫外波段的自由電子激光裝置（中國大連相干光源）也已經建成并投入使用。

3.4.2 鏡頭

鏡頭是連接待測物體所反射的光線和相機成像的通道，主要作用是實現光束的變換調制，將待測物體成像在相機圖像傳感器的光敏面上。工業鏡頭對于被測物體成像有著十分關鍵的作用，它的質量直接影響機器視覺應用系統的整體性能。

工業鏡頭的歷史悠久、品類繁多，一般可以進行如下劃分。

（1）根據工業鏡頭的接口類型進行劃分

工業鏡頭與工業相機間常用的接口模式有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。不過這些模式只是接口方式不同，而并未對鏡頭的性能做相應的區分，并且一般情況下，為提高工業鏡頭的實用性和適應性，常用的接口之間也設置有相應的轉接口。上述接口模式中，使用最多的為C接口和CS接口，它們的螺紋連接相同，只是后截距不同。

（2）根據能否變焦進行劃分

根據能否變焦可將鏡頭分為定焦鏡頭和變焦鏡頭。定焦鏡頭的焦距是固定不變的，它的焦段只有一個，即鏡頭只有固定的視野。定焦鏡頭按照等效焦距又可以劃分為魚眼鏡頭、超廣角鏡頭、廣角鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭、超長焦鏡頭。不同于變焦鏡頭的復雜設計，定焦鏡頭的內部結構更顯精簡，雖然變焦鏡頭可以適當改變焦距，但是變焦后對于物體的成像會有影響，所以定焦鏡頭的優勢在于對焦速度快、成像質量穩定。顯然，變焦鏡頭的優勢就是焦距可變，這樣便可以在物距不變時改變視場。

（3）根據鏡頭光圈進行劃分

鏡頭按照光圈的調節方式可分為手動光圈和自動光圈兩種，當待測物體上的光線變化不大、較為恒定時，適合用手動光圈，而當環境光線變化較為明顯時，適合用自動光圈，從而能夠根據實際的環境光實時改變鏡頭的光圈大小。

（4）特殊用途的鏡頭

特殊用途的鏡頭有很多種，例如微距鏡頭、顯微鏡頭、紫外鏡頭、紅外鏡頭、遠心鏡頭等。遠心鏡頭主要是為糾正傳統工業鏡頭的視差而設計的，在一定的物距范圍之內，它捕獲圖像時使用的放大倍率基本不會發生變化。遠心鏡頭主要有以下特點：高影像分辨率；近乎為零的失真度；無透視誤差；超寬景深。普通工業鏡頭通常有1%～2%甚至更高的畸變系數，而這將有可能嚴重影響最終測量結果的精確度。相比之下，遠心鏡頭利用特殊的光路加以嚴格的制造和質量檢驗要求，可以將誤差控制在0.1%以下。系統進行精密線性測量時，經常需要從待測物體的標準正面檢測，而許多零件有時并不能精確放置，隨著時間的推移測量距離也在微弱地改變；測量系統總是需要能精確反映實物實際大小的圖像，利用遠心鏡頭成像時只會接收平行于光軸的主射線的特點可以很好地解決以上問題即達到無透視誤差的效果。在工作物距范圍內移動物體時成像不變，亦即放大倍率可以保持不變，由此可見，遠心鏡頭具有超寬的景深。由于這些獨特的特性，遠心鏡頭一直為對鏡頭畸變要求很高的視覺應用場合所青睞。

確定具體的鏡頭型號前，還需要確定鏡頭的一些基本參數。

1）焦距：簡單地說焦距是焦點到透鏡中心點之間的距離，實際使用時鏡頭上面都會標注出焦距，并不需要用戶計算。

2）視場角：整個視覺系統所能觀察到的物體實際尺寸被稱為視場即視場范圍（Field of View，FOV）。FOV=L/m，其中，L是相機的芯片高度或者寬度，m是放大倍率，可以定義m=v/u，v是相距，u是物距，FOV即相應方向的物體大小。

3）光圈：光圈實際為可以調節孔徑大小的機械部件，它通常在鏡頭內，利用控制鏡頭光孔大小來控制進入相機的光量。一般而言，當外界光較弱時，光圈應該相應開大，當光較強時，光圈應該相應開小。光圈大小通常用字母F來表示，比如F1、F1.4、F2.8、F4、F5.6、F8、F11、F16、F22、F32等，這些表示中上一級正好是下一級通光量的一倍，即光圈開大了一級。

4）景深：鏡頭能夠取得清晰圖像時被測物體的前后距離范圍即為景深。一般而言，改變光圈、焦距、拍攝距離時，景深會相應變化。例如，將光圈值調大，則景深相應變小，將焦距拉長，景深也會變小，當被測物距離越遠時，景深就會變大。

5）畸變：理想的物體成像中，物體和成像應該完全相似，然而，在實際的成像過程中，由于鏡頭本身的光學結構以及成像特性，鏡頭會不可避免地產生畸變，可以簡單地理解為這是由像面上局部放大倍率不一致所導致的。選購鏡頭時，需要根據所需達到的目標和精度來選擇不同質量的鏡頭。

為一個機器視覺系統選擇鏡頭時，一般可以按照下列步驟來進行。

1）根據系統整體尺寸和工作距離，結合視場角，大概判斷出所需鏡頭的焦距。

2）切換不同的光圈大小，找到最合適的值。

3）考慮鏡頭畸變、景深、接口等其他要求。

3.4.3 相機接口

根據需求選擇匹配的相機后，系統需要將圖像通過相機接口傳輸到相應的處理設備中，此時便要用到相機接口技術。相機的接口技術可以分為模擬接口技術和數字接口技術兩大類。模擬接口技術主要是將模擬數據采集卡與圖像處理設備相連，其數據傳輸速度和精度都較差，并且隨著數字化技術的發展，模擬接口技術終會消亡，但其消亡還要相當長的一段時間，由于模擬視頻設備的低價，它們在圖像處理應用的低端領域還有一定的市場。數字接口技術是目前相機接口的主流技術，下面將介紹最常用的幾種數字相機接口。

（1）Camera Link接口

Camera Link是為高端應用而研發的，其數據傳輸速度可以達到1Gbit/s。針對不同的應用需求，例如分辨率、傳輸速度等，相應地有低、中、高三檔格式。雖然Camera Link規范已經成為包括線陣相機、高速面陣相機在內的高速圖像采集設備標準，但是，此標準的缺點也很明顯，那就是計算機端需要添加額外的圖像采集卡以完成對數據的重構，相應地，設備的成本就增加了。

（2）IEEE 1394接口

IEEE 1394亦被稱作火線，最初的標準規定數據傳輸速度為93.304Mbit/s、196.608Mbit/s和393.216Mbit/s。它需要使用6針線插件，兩對雙絞線用于傳輸信號，一根電纜用作電源，另一根用作地線。另外，此標準接口還定義了帶有鎖固功能的接插件，這在工業應用中是很有用的，如可以防止電纜線的意外脫開。IEEE 1394接口提供較快速度的同時，傳輸距離也足夠遠，體積相對其他接口而言較小，也能提供較高的分辨率以及幀頻，適用于醫學成像和實時速度要求不是特別高的應用場合。

（3）USB接口

USB作為計算機系統連接外部設備的一種串口總線標準，廣泛應用于個人計算機和移動設備等通信產品。雖然最初設計的傳輸速度不高，但是發展較快，比如新一代的USB 3.1傳輸速度為10Gbit/s，新型Type C接口正反向都能插入設備，使用較為方便。

（4）Gigabit Ethernet接口

Gigabit Ethernet（GigE）即千兆以太網，它作為傳統以太網的新型技術，在高速、遠距離、大批量數據傳輸方面優勢明顯。它還具有簡易、可擴展性好、安全可靠、管理維護方便等一系列優點，是將來應用的趨勢。

值得一提的一點——10 Gigabit Ethernet接口

最近，美國菲力爾（FLIR）公司推出了10 Gigabit Ethernet接口相機，其速度是Gigabit Ethernet接口的10倍。

（5）CoaXpress接口

CoaXpress（簡稱CXP）接口2009年在斯圖加特的VISION展會上推出，它保留了同軸電纜的優點，同時具有高速數據傳輸能力（高達6.25Gbit/s）。該接口已經成為高性能相機系統實際采用的相機到計算機之間的接口之一。