114 、機(jī)器視覺(jué)

機(jī)器視覺(jué)是人工智能正在快速發(fā)展的一個(gè)分支。機(jī)器視覺(jué)就是用機(jī)器代替人眼來(lái)做測(cè)量和判斷。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品(即圖像攝取裝置CMOS和CCD兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專(zhuān)用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，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(hào)。圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境或人工視覺(jué)難以滿足要求的場(chǎng)合，常用機(jī)器視覺(jué)來(lái)替代人工視覺(jué)；同時(shí)在大批量工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，用人工視覺(jué)檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。而且機(jī)器視覺(jué)易于實(shí)現(xiàn)信息集成，是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造的基礎(chǔ)技術(shù)。

一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)包括：光源、鏡頭（定焦、變倍、遠(yuǎn)心、顯微鏡頭）、相機(jī)（包括CCD和COMS相機(jī)）、圖像處理單元、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊 / 輸入輸出單元等。

115 、工業(yè)鏡頭

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，鏡頭相當(dāng)于人的眼睛，其主要作用是將目標(biāo)的光學(xué)圖像聚焦在圖像傳感器（相機(jī)）的光敏面陣上。視覺(jué)系統(tǒng)處理的所有圖像信息均通過(guò)鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺(jué)系統(tǒng)的整體性能。

1.鏡頭失真

可分為枕形失真和桶形失真，如下圖示：

2.光學(xué)倍率

3.監(jiān)視放大

計(jì)算方法：

例：VS-MS1＋10x鏡頭 1/2” CCD 照相機(jī), 14”監(jiān)視器上的成像

0.1mm的物體在監(jiān)視器得到的是44.45mm的成像

4.解析度

表示了所能見(jiàn)到了2點(diǎn)的間隔0.61x 使用波長(zhǎng)(λ)/ NA=解析度(μ)

以上的計(jì)算方法理論上可以計(jì)算出解析度，但不包括失真。

※使用波長(zhǎng)為550nm

5.解像力

１mm中間可以看到黑白線的條數(shù)。單位（lp）/mm.

6.MTF（Modulation Transfer Function）

成像時(shí)再現(xiàn)物體表面的濃淡變化而使用的空間周波數(shù)和對(duì)比度。

7.工作距離（Working Distance）

鏡頭的鏡筒到物體的距離

8.O/I（Object to Imager）

物像間距離即物體到像間的長(zhǎng)度。

9.成像圈

成像尺寸φ，要輸入相機(jī)感應(yīng)器尺寸。

10.照相機(jī) Mount

C-mount：1"diameter x 32 TPI:FB: 17.526mm

CS-mount：1"diameter x 32 TPI:FB: 12.526mm

F-mount：FB:46.5mm

M72-Mount：FB 廠家各有不同

11.視野 (FOV)

視野指使用照相機(jī)以后看到的物體側(cè)的范圍

照相機(jī)有效區(qū)域的縱向長(zhǎng)度（V）/光學(xué)倍率（M）＝視野（V）

照相機(jī)有效區(qū)域的橫向長(zhǎng)度（H）/光學(xué)倍率（M）＝視野（H）

＊技術(shù)資料上的視野范圍是指由光源及有效區(qū)域的一般數(shù)值計(jì)算出來(lái)的值。

照相機(jī)有效區(qū)域的縱向長(zhǎng)度（V）or（H）=照相機(jī)一個(gè)畫(huà)素的尺寸×有効畫(huà)素?cái)?shù)（V）or（H）來(lái)計(jì)算。

12.景深

景深是指成像后物體的距離。同樣，照相機(jī)側(cè)的范圍稱(chēng)為焦點(diǎn)深度。具體的景深的值多少略有不同。

13.焦距 (ｆ)

ｆ（Focal Length）光學(xué)系的后主點(diǎn)（H2）到焦點(diǎn)面的距離。

14.FNO

鏡頭從無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，亮度表示的數(shù)值，值越小越亮。FNO=焦距/入射孔徑或有効口徑=f/D

15.實(shí)效F

有限距離時(shí)鏡頭的明亮度。

實(shí)效F = (1 +光學(xué)倍率) x F#

實(shí)效F = 光學(xué)倍率 / 2NA

16.NA（Numerical Aperture）

物體側(cè)的 NA = sin u x n

成像側(cè)的NA' = sin u'x n'

如下圖所示 入社角度 u, 物體側(cè)折射率n, 成像側(cè)的折射率' n'

NA = NA' x 放大率

17.邊緣亮度

相對(duì)照度是指中央的照度與周邊的照度的百分比。

18.遠(yuǎn)心鏡頭s

主光線與鏡頭光源平行的鏡頭。有物體側(cè)的遠(yuǎn)心，成像側(cè)的遠(yuǎn)心，兩側(cè)的遠(yuǎn)心行頭等方式。

19.遠(yuǎn)心

Telecentricity是指物體的倍率誤差。倍率誤差越小，Telecentricity越高。Telecentricity有各種不同的用途，在鏡頭使用前，把握Telecentricity很重要。遠(yuǎn)心鏡頭的主光線與鏡頭的光軸平行，Telecentricity不好，遠(yuǎn)心鏡頭的使用效果就不好；Telecentricity可以用下圖進(jìn)行簡(jiǎn)單的確認(rèn)。

20.景深 (DOF)

景深（Depth of Field）可以用以下的計(jì)算式計(jì)算出來(lái)：

景深 = 2 x Permissible COC x 實(shí)效F / 光學(xué)倍率2 = 允許誤差值 / (NA x 光學(xué)倍率)

21.通風(fēng)盤(pán)及解析度

Airy Disk是指通過(guò)沒(méi)有失真的鏡頭在將光集中一點(diǎn)時(shí)，實(shí)際上形成的是一個(gè)同心圓。這個(gè)同心圓就叫做Airy Disk。Airy Disk的半徑r可以通過(guò)以下的計(jì)算公式計(jì)算出來(lái)。這個(gè)值稱(chēng)為解析度。ｒ= 0.61λ/NA Airy Disk的半徑隨波長(zhǎng)改變而改變，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，光越難集中于一點(diǎn)。 例：NA0.07的鏡頭 波長(zhǎng)550nm r=0.61*0.55/0.07=4.8μ

22.MTF 及解析度

MTF（Modulation Transfer Function) 是指物體表面的濃淡變化，成像側(cè)也被再現(xiàn)出來(lái)。表示鏡頭的成像性能，成像再現(xiàn)物體的對(duì)比度的程度。測(cè)試對(duì)比性能，用的是具有特定空間周波數(shù)的黑白間隔測(cè)試?？臻g周波數(shù)是指１mm的距離濃淡變化的程度。

圖1所示，黑白矩陣波，黑白的對(duì)比度為100%.這個(gè)對(duì)象被鏡頭攝影后，成像的對(duì)比度的變化被定量化。基本上，不管什么鏡頭，都會(huì)出現(xiàn)對(duì)比度降低的情況。最終對(duì)比度降低至0%。，不能進(jìn)行顏色的區(qū)別。

圖2、3顯示了物體側(cè)與成像側(cè)的空間周波數(shù)的變化。橫軸表示空間周波數(shù)，縱軸表示亮度。物體側(cè)與成像側(cè)的對(duì)比度由A、B計(jì)算出來(lái)。MTF由A,B的比率計(jì)算出來(lái)。

解析度與MTF的關(guān)系：解析度是指2點(diǎn)之間怎樣被分離認(rèn)識(shí)的間隔。一般從解析度的值可以判斷出鏡頭的好壞，但是實(shí)際是MTF與解析度有很大的關(guān)系。圖4顯示了兩個(gè)不同鏡頭的MTF曲線。鏡頭a 解析度低但是具有高對(duì)比度。鏡頭b對(duì)比度低但是解析度高。