機器視覺演算法與應用總結

二、影象採集

2.1 照明

2.1.1電磁輻射

光譜輻射即單位面積的黑體在單位立體角內、單位波長內輻射出的能量。由於光譜與黑體溫度相關，又稱為色溫。

2.1.2 光源型別

       白熾燈有點相對較亮，能產生3000-3400k的連續光譜，可以工作在低電壓。缺點是發熱量較重，僅有5%的能量轉化為光了，壽命短。

       氙(xian)燈色溫在5500-12000k非常亮的白光，可做成每秒200多次的閃光燈。價格昂貴。

       熒光燈產生3000-6000的色溫可見光，有交流電供電，因此產生與供電相同頻率的閃爍。應用為了避免影象明暗的變化，照明面積大。

       發光二極體(LED)壽命長，可用於閃光燈，響應速度很快。採用直流電供電，亮度容易控制。缺點就是環境溫度高，LED效能越差，壽命短。

2.1.3 光與被測物間的相互作用

       偏振：發生在金屬或者絕緣材料表面上的反射使光線產生部分偏振，主要是由鏡面反射決定的。

       不透明物體特有的顏色是由與波長相關的漫反射及吸收決定的。

2.14 利用照明的光譜

       彩色物體反射了一部分光譜，其他部分被吸收。我們可以利用這一點來增強我們需要的特徵。由於CCD和CMOS對於紅外光比較敏感，所以常用紅外光來增強某些特徵。也常常需要加上紅外截止濾光片來避免影象過亮以及影象顏色變化，反過來如果被測物體是用紅外照明的，使用紅色透過濾光鏡抑制可見光部分而僅讓紅外光通過將非常有助於得到好的影象。

       另一種非常有用的濾光片是偏振片。可以在攝像機前面加上偏振濾鏡並調整方向來抑制偏振光。更好的抑制某些反射的方法是先使得光線成為偏振光(起偏鏡)，然後再落到物體的表面。

2.15 利用照明的方向性

       正面明場漫射照明方式：1、在LED平板或環形燈前加上漫反射板的方式，缺點除非LED平面或者環形燈比被測物體大很多，否則很難得到均勻照明，並且攝像機的軸向沒有光。2、利用同軸漫射光，得到的照明均勻，但是半透半反射鏡可能產生鬼像。3、半球形照明方法可以得到非常均勻的照明。明場漫射正面照明方式常用於防止產生陰影，並用於減少或防止鏡面反射，也可以用於透過被測物體的透明包裝。

       明場正面照明有兩種方法，一種是使用傾斜的環形光，常用於孔洞或感興趣區域產生陰影，缺點是光線分佈不均勻。另一種方法是同軸平行光。常用於採集會產生鏡面反射物體的影象。

       直接暗場正面照明通常是由LED環形光構成。環形光與物體表面呈非常小的角度，可以突出被測物體的缺口或凸起。

       明場漫反射背光用於被測物體需要的資訊可以從其輪廓得到的場合，對於透明物體，背光可以用於檢測物體的內部部件，並且主要用於厚度不大的物體（可使用平行背光照明）。

2.2 鏡頭

       針孔相機由於只有少量的光線能夠通過小孔到達平面，因此必須採用非常長的曝光時間以得到亮度足夠的影象。

       入瞳：決定鏡頭入口可以接受光線的面積，入瞳是孔徑光闌被其前面的光學系統在物方所成的像，通常為虛像。出瞳是孔徑光闌被其後面的光學系統在像方所成的像，通常為虛像。只有通過出瞳的光線才能通過整個光學系統。

F定義為光圈係數，即光圈除以入射光瞳直徑，公式為：

F數越小單位時間內進光量就越多。到達感測器的能量與時間t和入瞳面積A成正比，也就是與f數的平面成反比。

景深越大畸變越小，但是不能任意加大景深，因為由於光的波動特性，如果使用非常小的孔徑光闌，光線將在光闌處發生衍射，將會使得對焦平面上的物點在像面上所成的像為條紋圓環斑。

       遠心鏡頭。由於普通的鏡頭與像平明不平行時，被測物體會產生變形。遠心鏡頭就是用於精確測量中。

       鏡頭的相差：球差的產生是由於遠離光軸的光線與近軸光線並不交於同一點，這是由於球面鏡頭邊緣折射增大造成的。一種辦法使用較大的f數，使用較小的通光光圈。另一種辦法是使用非球面鏡頭。

       慧差即與光軸成一定角度的光線通過鏡頭後不聚於一點，慧差是非對稱的。

       像散即子午平面與弧矢平面上的光線通過鏡頭後不交於一點，而是焦距成兩條短線。可以通過使用大f數的孔徑光闌或者仔細的鏡頭設計來減小畫素。

       場曲，不能完全聚焦，影象中心聚焦清楚，邊緣散焦嚴重，可以通過使用大f數的孔徑光闌或者仔細的鏡頭設計來減小畫素。

       另一種畸變即不經過光軸的直線通過鏡頭後成的像不再是一直線，包括枕形畸變和桶形畸變。

       色差：不同的波長的光線不聚在同一點。對於彩色攝像機，色差會在物體邊緣產生彩條，而對於黑白攝像機，色差會造成模糊。可以通過使用消色差鏡頭。或者通過鏡頭設計，使得三種指定的波長光線聚於同一點叫復消色差鏡頭。

       漸暈：採集影象邊緣亮度有很大的下降。形成原因一種是可變光闌不是系統的孔徑光闌時，可以增加f數來消除。另一種是軸外點光線強度降低。

2.3 攝像頭

2.3.1 CCD感測器

       由一行敏感的光電探測器組成。為得到有效影象，線陣感測器必須相對於被測物體運動。並且掃描過程中要求有非常強的照明，同時鏡頭的光圈通常要在較小的f數，從而嚴重限制了景深。

2.3.2 CMOS感測器

       CMOS感測器採用光電二極體作為光電探測器。感測器的每一行都可以通過行和列選擇電路直接選擇並讀出。優點是AOI（感興趣區域）方式讀出，讀出速度快，可在感測器上實現並行數模轉換。

2.33 彩色攝像機

       有些應用中可以利用紅外閃光燈照明，在感測器上使得可見光濾除，僅僅讓紅外通過濾鏡，由於人眼對於紅外光沒有響應，所以使用紅外閃光可以不要遮蔽。紫外光被鏡頭濾掉，因此不需要特殊濾光片濾掉紫外。

       由於感測器對整個可見光波段全部有響應，所以無法產生彩色影象，因此為了產生彩色影象，需要在感測器前面加上彩色濾鏡陣列。