3.4 数字相机与光源

3.4.1 光源

光源是机器视觉系统中的关键组成部分。在机器视觉应用系统中，照明方案的选择往往能直接决定一个系统的成败，对成像质量有着十分重要的作用。照明的主要功能是以合适的方式照亮待测物体，将待测物的特征从整体中突出以便于后续的检测。好的照明方式可以简化后续图像处理算法，提高检测精度，使得整个系统具备更好的鲁棒性。相反，不合适的照明则会拖累整个系统，有时会带来不可预知的困难，甚至使检测任务失败，例如光源亮度不够或过高就可能屏蔽掉某些重要的图像信息，或者造成对比度不均匀等，增加后续图像处理中的困难（如阈值的选择）。通常情况下，针对不同的应用，都需要设计相适应的照明装置，用最好的照明效果来支撑整个系统，而系统照明光源的价值正在于此。

在目前的机器视觉应用系统上，光源主要有荧光灯、卤素灯泡、发光二极管（LED）、激光光源。荧光灯将弧光放电现象产生的紫外线作为荧光体，从而发出可视光。卤素灯泡一般以卤素灯+光纤导管组合形式出现，利用光纤导管将灯箱中的卤素灯发出的光线采集并转向待测物。LED利用电子和空穴结合所释放的能量进行照明，通常由多个LED排列组合而成。激光光源具有相干性好、亮度高、单色性好等优点，在高精度测量等领域广泛应用。激光光源包括线激光、条纹激光、网格激光灯。

从颜色上划分，LED主要包括白色LED、蓝色LED、红色LED和绿色LED。LED实现白光的方式有三种：①通过红、绿、蓝三基色芯片组合来合成；②使用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉，由LED蓝光和黄色荧光粉发出的黄绿光合成；③采用紫外光LED（UVLED）激发三基色荧光粉合成。白色光源适用性广，亮度高，在拍摄彩色图像时使用较多。蓝色光源波长在410～480 nm之间，适用于银色背景产品、金属印刷品。红色光源波长在600～720 nm之间，波长较长，可以透过一些比较暗的物体，例如底材为黑色的透明软板孔定位、绿色线路板线路检测、透光膜厚度检测，采用红色光源更能提高对比度。绿色光源波长在510～560nm之间，界于红色和蓝色之间，适用于红色和银色背景产品。

由于LED在性价比方面能体现出更大的优势（特别是针对工业检测领域），下面分析和使用的系统均为LED光源。图3-10展示了部分工业上常用的LED。其中，环形光源应用最广，它设计紧凑，方便安装调节，可以提供大面积的均衡照明，能较好地解决对角照射阴影问题。环形光源对检测高反射材料表面的缺陷效果极佳，比如电路板和BGA（球栅阵列封装）缺陷的检测。同轴光源可以去掉被测物体外表不平整带来的阴影效果，用于提高清晰度，广泛应用于金属表面、薄膜、晶片等的划伤检测，玻璃板的表面损伤检测等；条形光源照射角度的可调节性高并且易于安装，适合于较大物体的表面照明。背光源一般用作零件背光照明，能突出零件的轮廓特征，如图3-11所示。除此之外，还有一些常用的LED光源，比如AOI（Automated Optical Inspection，自动光学检测）专用光源、球积分光源等。

实际应用中，不仅光源的类型需要慎重选择，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。低角度照射时光线方向与物体表面的夹角接近0°，此时光源对物体表面的凹凸表现力强；角度照射时光线方向与物体表面有较大的夹角（如30°、45°、60°、75°等），在一定的工作距离下，这种方式具有光束集中、亮度高、均匀性好、照射面积相对较小的优点；垂直照射时光线方向与物体表面约成90°夹角，照射面积大、光照均匀性好，适用于较大面积照明；相对前三种方式，背光源照射略有不同，它主要是在不透明区域会产生明显的暗部轮廓，能够突出不透明部分的外部轮廓。

选取光源时还需要考虑一些其他因素，比如用单色光源添加滤镜去除或降低环境光，通过偏振片消除反光等。根据目标颜色的不同可以选择不同光谱的光源照射，利用补色律和亮度相加律来达到突出目标亮度、削弱背景的目的，最终达到突出目标的效果。

值得一提的一点——自由电子激光

自由电子激光是21世纪诞生的最新一代先进光源，具有极高的峰值亮度（高于第三代同步辐射光源8～10个数量级）、超短的脉冲（飞秒到阿秒）和极好的相干性等优越特性，在物理、化学、生物、医学、能源、环境等领域具有很大的应用价值。与传统激光产生机理不同，自由电子激光的产生原理为将磁场中运动的相对论电子束的动能转换为光子能量。以硬X射线自由电子激光为代表的此类激光可以在原子、飞秒尺度上对微观物质进行研究，因此其重要性不言而喻。世界第一台亚纳米波段硬X射线自由电子激光装置在美国斯坦福SLAC国家加速器实验室（简称SLAC）建成，极大推动了自由电子激光的发展和应用。目前工作在极紫外波段的自由电子激光装置（中国大连相干光源）也已经建成并投入使用。

3.4.2 镜头

镜头是连接待测物体所反射的光线和相机成像的通道，主要作用是实现光束的变换调制，将待测物体成像在相机图像传感器的光敏面上。工业镜头对于被测物体成像有着十分关键的作用，它的质量直接影响机器视觉应用系统的整体性能。

工业镜头的历史悠久、品类繁多，一般可以进行如下划分。

（1）根据工业镜头的接口类型进行划分

工业镜头与工业相机间常用的接口模式有C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。不过这些模式只是接口方式不同，而并未对镜头的性能做相应的区分，并且一般情况下，为提高工业镜头的实用性和适应性，常用的接口之间也设置有相应的转接口。上述接口模式中，使用最多的为C接口和CS接口，它们的螺纹连接相同，只是后截距不同。

（2）根据能否变焦进行划分

根据能否变焦可将镜头分为定焦镜头和变焦镜头。定焦镜头的焦距是固定不变的，它的焦段只有一个，即镜头只有固定的视野。定焦镜头按照等效焦距又可以划分为鱼眼镜头、超广角镜头、广角镜头、标准镜头、长焦镜头、超长焦镜头。不同于变焦镜头的复杂设计，定焦镜头的内部结构更显精简，虽然变焦镜头可以适当改变焦距，但是变焦后对于物体的成像会有影响，所以定焦镜头的优势在于对焦速度快、成像质量稳定。显然，变焦镜头的优势就是焦距可变，这样便可以在物距不变时改变视场。

（3）根据镜头光圈进行划分

镜头按照光圈的调节方式可分为手动光圈和自动光圈两种，当待测物体上的光线变化不大、较为恒定时，适合用手动光圈，而当环境光线变化较为明显时，适合用自动光圈，从而能够根据实际的环境光实时改变镜头的光圈大小。

（4）特殊用途的镜头

特殊用途的镜头有很多种，例如微距镜头、显微镜头、紫外镜头、红外镜头、远心镜头等。远心镜头主要是为纠正传统工业镜头的视差而设计的，在一定的物距范围之内，它捕获图像时使用的放大倍率基本不会发生变化。远心镜头主要有以下特点：高影像分辨率；近乎为零的失真度；无透视误差；超宽景深。普通工业镜头通常有1%～2%甚至更高的畸变系数，而这将有可能严重影响最终测量结果的精确度。相比之下，远心镜头利用特殊的光路加以严格的制造和质量检验要求，可以将误差控制在0.1%以下。系统进行精密线性测量时，经常需要从待测物体的标准正面检测，而许多零件有时并不能精确放置，随着时间的推移测量距离也在微弱地改变；测量系统总是需要能精确反映实物实际大小的图像，利用远心镜头成像时只会接收平行于光轴的主射线的特点可以很好地解决以上问题即达到无透视误差的效果。在工作物距范围内移动物体时成像不变，亦即放大倍率可以保持不变，由此可见，远心镜头具有超宽的景深。由于这些独特的特性，远心镜头一直为对镜头畸变要求很高的视觉应用场合所青睐。

确定具体的镜头型号前，还需要确定镜头的一些基本参数。

1）焦距：简单地说焦距是焦点到透镜中心点之间的距离，实际使用时镜头上面都会标注出焦距，并不需要用户计算。

2）视场角：整个视觉系统所能观察到的物体实际尺寸被称为视场即视场范围（Field of View，FOV）。FOV=L/m，其中，L是相机的芯片高度或者宽度，m是放大倍率，可以定义m=v/u，v是相距，u是物距，FOV即相应方向的物体大小。

3）光圈：光圈实际为可以调节孔径大小的机械部件，它通常在镜头内，利用控制镜头光孔大小来控制进入相机的光量。一般而言，当外界光较弱时，光圈应该相应开大，当光较强时，光圈应该相应开小。光圈大小通常用字母F来表示，比如F1、F1.4、F2.8、F4、F5.6、F8、F11、F16、F22、F32等，这些表示中上一级正好是下一级通光量的一倍，即光圈开大了一级。

4）景深：镜头能够取得清晰图像时被测物体的前后距离范围即为景深。一般而言，改变光圈、焦距、拍摄距离时，景深会相应变化。例如，将光圈值调大，则景深相应变小，将焦距拉长，景深也会变小，当被测物距离越远时，景深就会变大。

5）畸变：理想的物体成像中，物体和成像应该完全相似，然而，在实际的成像过程中，由于镜头本身的光学结构以及成像特性，镜头会不可避免地产生畸变，可以简单地理解为这是由像面上局部放大倍率不一致所导致的。选购镜头时，需要根据所需达到的目标和精度来选择不同质量的镜头。

为一个机器视觉系统选择镜头时，一般可以按照下列步骤来进行。

1）根据系统整体尺寸和工作距离，结合视场角，大概判断出所需镜头的焦距。

2）切换不同的光圈大小，找到最合适的值。

3）考虑镜头畸变、景深、接口等其他要求。

3.4.3 相机接口

根据需求选择匹配的相机后，系统需要将图像通过相机接口传输到相应的处理设备中，此时便要用到相机接口技术。相机的接口技术可以分为模拟接口技术和数字接口技术两大类。模拟接口技术主要是将模拟数据采集卡与图像处理设备相连，其数据传输速度和精度都较差，并且随着数字化技术的发展，模拟接口技术终会消亡，但其消亡还要相当长的一段时间，由于模拟视频设备的低价，它们在图像处理应用的低端领域还有一定的市场。数字接口技术是目前相机接口的主流技术，下面将介绍最常用的几种数字相机接口。

（1）Camera Link接口

Camera Link是为高端应用而研发的，其数据传输速度可以达到1Gbit/s。针对不同的应用需求，例如分辨率、传输速度等，相应地有低、中、高三档格式。虽然Camera Link规范已经成为包括线阵相机、高速面阵相机在内的高速图像采集设备标准，但是，此标准的缺点也很明显，那就是计算机端需要添加额外的图像采集卡以完成对数据的重构，相应地，设备的成本就增加了。

（2）IEEE 1394接口

IEEE 1394亦被称作火线，最初的标准规定数据传输速度为93.304Mbit/s、196.608Mbit/s和393.216Mbit/s。它需要使用6针线插件，两对双绞线用于传输信号，一根电缆用作电源，另一根用作地线。另外，此标准接口还定义了带有锁固功能的接插件，这在工业应用中是很有用的，如可以防止电缆线的意外脱开。IEEE 1394接口提供较快速度的同时，传输距离也足够远，体积相对其他接口而言较小，也能提供较高的分辨率以及帧频，适用于医学成像和实时速度要求不是特别高的应用场合。

（3）USB接口

USB作为计算机系统连接外部设备的一种串口总线标准，广泛应用于个人计算机和移动设备等通信产品。虽然最初设计的传输速度不高，但是发展较快，比如新一代的USB 3.1传输速度为10Gbit/s，新型Type C接口正反向都能插入设备，使用较为方便。

（4）Gigabit Ethernet接口

Gigabit Ethernet（GigE）即千兆以太网，它作为传统以太网的新型技术，在高速、远距离、大批量数据传输方面优势明显。它还具有简易、可扩展性好、安全可靠、管理维护方便等一系列优点，是将来应用的趋势。

值得一提的一点——10 Gigabit Ethernet接口

最近，美国菲力尔（FLIR）公司推出了10 Gigabit Ethernet接口相机，其速度是Gigabit Ethernet接口的10倍。

（5）CoaXpress接口

CoaXpress（简称CXP）接口2009年在斯图加特的VISION展会上推出，它保留了同轴电缆的优点，同时具有高速数据传输能力（高达6.25Gbit/s）。该接口已经成为高性能相机系统实际采用的相机到计算机之间的接口之一。