機器視覺系統中常用攝像機的分類

攝像機是機器視覺系統中的一個關鍵組件，其最本質的功能就是將光信號轉變成為有序的電信號。選擇合適的攝像機也是機器視覺系統設計中的重要環節，攝像機的不僅是直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質量等，同時也與整個系統的運行模式直接相關。

主要參數

1. 分辨率（Resolution）：攝像機每次采集圖像的像素點數（Pixels），對于數字攝像機一般是直接與光電傳感器的像元數對應的，對于模擬攝像機則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480。

2. 像素深度（Pixel Depth）：即每像素數據的位數，一般常用的是8Bit，對于數字攝像機一般還會有10Bit、12Bit等。

3. 最大幀率（Frame Rate）/行頻（Line Rate）：攝像機采集傳輸圖像的速率，對于面陣攝像機一般為每秒采集的幀數（Frames/Sec.），對于線陣攝像機為每秒采集的行數（Hz）。

4. 曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）：對于線陣攝像機都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以設定一個固定的時間；面陣攝像機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數字攝像機一般都提供外觸發采圖的功能?？扉T速度一般可到10微秒，高速攝像機還可以更快。

5. 像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元數（分辨率）共同決定了攝像機靶面的大小。目前數字攝像機像元尺寸一般為3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質量也越不容易提高。

6. 光譜響應特性（Spectral Range）：是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應范圍是350nm－1000nm，一些攝像機在靶面前加了一個濾鏡，濾除紅外光線，如果系統需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

機器視覺系統中常用攝像機的分類

根據不同感光芯片劃分

我們知道感光芯片是攝像機的核心部件，目前攝像機常用的感光芯片有CCD和CMOS兩種：

１．CCD攝像機，CCD稱為電荷耦合器件，CCD實際上只是一個把從圖像半導體中出來的電子有組織地儲存起來的方法。

２．CMOS攝像機，CMOS稱為“互補金屬氧化物半導體”，CMOS實際上只是將晶體管放在硅塊上的技術，沒有更多的含義。

盡管CCD表示“電荷耦合器件”而CMOS表示“互補金屬氧化物半導體”，但是不論CCD或者CMOS對于圖像感應都沒有用，真正感應的傳感器稱做“圖像半導體”，CCD和CMOS傳感器實際使用的都是同一種傳感器“圖像半導體”，圖像半導體是一個P N結合半導體，能夠轉換光線的光子爆炸結合處成為成比例數量的電子。電子的數量被計算信號的電壓，光線進入圖像半導體得越多，電子產生的也越多，從傳感器輸出的電壓也越高。

因為人眼能看到1Lux照度（滿月的夜晚）以下的目標，CCD傳感器通常能看到的照度范圍在0.1~3Lux，是CMOS傳感器感光度的3到10倍，所以目前一般CCD攝像機的圖像質量要優于CMOS攝像機。

CMOS可以將光敏元件、放大器、A/D轉換器、存儲器、數字信號處理器和計算機接口控制電路集成在一塊硅片上，具有結構簡單、處理功能多、速度快、耗電低、成本低等特點。CMOS攝像機存在成像質量差、像敏單元尺寸小、填充率低等問題，1989年后出現了“有源像敏單元”結構，不僅有光敏元件和像敏單元的尋址開關，而且還有信號放大和處理等電路，提高了光電靈敏度、減小了噪聲，擴大了動態范圍，使得一些參數與CCD攝像機相近，而在功能、功耗、尺寸和價格方面要優于CCD，逐步得到廣泛的應用。CMOS傳感器可以做得非常大并有和CCD傳感器同樣的感光度，因此非常適用于特殊應用。CMOS傳感器不需要復雜的處理過程，直接將圖像半導體產生的電子轉變成電壓信號，因此就非?？?，這個優點使得CMOS傳感器對于高幀攝像機非常有用，高幀速度能達到400到100000幀/秒。

按輸出圖像信號格式劃分

模擬攝像機

模擬攝像機所輸出的信號形式為標準的模擬量視頻信號，需要配專用的圖像采集卡才能轉化為計算機可以處理的數字信息。模擬攝像機一般用于電視攝像和監控領域，具有通用性好、成本低的特點，但一般分辨率較低、采集速度慢，而且在圖像傳輸中容易受到噪聲干擾，導致圖像質量下降，所以只能用于對圖像質量要求不高的機器視覺系統。常用的攝像機輸出信號格式有：

PAL（黑白為CCIR），中國電視標準，625行，50場

NTSC（黑白為EIA），日本電視標準，525行，60場

SECAM

S-VIDEO

分量傳輸

數字攝像機

數字攝像機是在內部集成了A/D轉換電路，可以直接將模擬量的圖像信號轉化為數字信息，不僅有效避免了圖像傳輸線路中的干擾問題，而且由于擺脫了標準視頻信號格式的制約，對外的信號輸出使用更加高速和靈活的數字信號傳輸協議，可以做成各種分辨率的形式，出現了目前數字攝像機百花齊放的形勢。常見的數字攝像機圖像輸出標準有：

IEEE1394

USB2.0

DCOM3

RS-644 LVDS

Channel Link LVDS

Camera Link LVDS

千兆網

按像元排列方式劃分

面陣攝像機

面陣攝像機是我們常見的形式，其像元是按行列整齊排列的，每個像元對應圖像上的一個像素點，我們一般所說的分辨率就是指像元的個數。需要指出的是我們計算機中的彩色圖像一般是每個像素點由R、G、B三個值來表示，但我們一般的彩色攝像機卻并不是這樣的，下面分別進行介紹：

黑白攝像機，每個像素點對應一個像元，該像元對于各種波長的光具有較一致的敏感度，采集得到的只是每個像素點的灰度值。

采用BAYER轉化的單片彩色攝像機，這種攝像機的每個像素點實際只對應R、G、B三種之一的像元，R、G、B三種像元按一定的規律排列，我們實際所得到的每個像素點的R、G、B三原色的數值是根據該像素點及其周圍若干點的三色數值進行BAYER插分計算而來的，所以這種攝像機所得到的圖像往往不能得到很好的彩色效果，尤其是對應邊緣位置會有較明顯的色彩失真和細節的丟失。目前我們常見的彩色攝像機一般是這種形式的，其價格和同檔次的黑白攝像機相近。

BAYER彩色攝像機原理圖

3CCD彩色攝像機，這種攝像機每個像素點對應有R、G、B三個感光元件，采用分光棱鏡將入射光線分別折射到三個CCD靶面上，分別進行光電轉換得到R、G、B三色的數值（見下圖）。這種攝像機得到的圖像質量好，沒有細節丟失的問題，但由于攝像機結構復雜，所以一般較昂貴。另外由于這種攝像機采用了分光棱鏡的方式，光線到達每個CCD靶面的光程是不一樣的，所以需要鏡頭做針對性的設計才能達到比較好的圖像效果，所以使用3CCD的攝像機還需要配備專用的鏡頭。

3CCD彩色攝像機原理圖

線陣攝像機

線陣攝像機是一種比較特殊的形式，其像元是一維線狀排列的，即只有一行像元，每次只能采集一行的圖像數據，只有當攝像機與被攝物體在縱向相對運動時才能得到我們平?？吹降亩S圖像。所以在機器視覺系統中一般用于被測物連續運動的場合，尤其適合于運動速度較快、分辨率要求較高的情況。

黑白攝像機，也是最常用的線陣攝像機，每個像素點對應一個像元，采集得到的是灰度圖像。

3Line彩色攝像機，該攝像機的具有R、G、B三行像元，分別對紅、綠、蘭三種波長的光敏感，所以每個像素點都會對應R、G、B三個通道的數值，形成彩色的圖像數據。需要注意的是，由于R、G、B三行像元在同一時刻所采集的并非同一位置的信息（見圖），在實際應用中需要進行運動校正才能得到所需的彩色圖像。一般的攝像機都提供內部進行運動校正處理的功能，但對于對比度非常高的圖像邊緣還是容易出現色彩失真的現象。

3CCD彩色攝像機，與面陣的3CCD攝像機原理相同，采用分光棱鏡將入射光線分別折射到三個CCD靶面上，分別進行光電轉換得到R、G、B三色的數值。圖像質量好，但需配備專用鏡頭。

光學鏡頭概述及分類

光學鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡稱鏡頭，其功能就是光學成像。鏡頭是機器視覺系統中的重要組件，對成像質量有著關鍵性的作用，它對成像質量的幾個最主要指標都有影響，包括：分辨率、對比度、景深及各種像差。鏡頭不僅種類繁多，而且質量差異也非常大，但一般用戶在進行系統設計時往往對鏡頭的選擇重視不夠，導致不能得到理想的圖像，甚至導致系統開發失敗。本文的目的是通過對各種常見鏡頭的分類及主要參數介紹，總結各種因素之間的相互關系，使讀者掌握機器視覺系統中鏡頭的選用技巧。

根據有效像場的大小劃分

把攝影鏡頭安裝在一很大的伸縮暗箱前端，并在該暗箱后端安裝一塊很大的磨砂玻璃。當將鏡頭光圈開至最大，并對準無限遠景物調焦時，在磨砂玻璃上呈現出的影像均位于一圓形面積內，而圓形外則漆黑，無影像。此有影像的圓形面積稱為該鏡頭的最大像場。在這個最大像場范圍的中心部位，有一能使無限遠處的景物結成清晰影像的區域，這個區域稱為清晰像場。照相機或攝影機的靶面一般都位于清晰像場之內，這一限定范圍稱為有效像場。由于視覺系統中所用的攝像機的靶面尺寸有各種型號，所以在選擇鏡頭時一定要注意鏡頭的有效像場應該大于或等于攝像機的靶面尺寸，否則成像的邊角部分會模糊甚至沒有影像。

根據有效像場的大小，一般可分為如下幾類：

鏡頭類型

有效像場尺寸

電視攝像鏡頭

1/4英寸攝像鏡頭

3.2mm×2.4mm（對角線4mm）

1/3英寸攝像鏡頭

4.8mm×3.6mm（對角線6mm）

1/2英寸攝像鏡頭

6.4mm×4.8mm（對角線8mm）

2/3英寸攝像鏡頭

8.8mm×6.6mm（對角線11mm）

1英寸攝像鏡頭

12.8mm×9.6mm（對角線16mm）

電影攝影鏡頭

35mm電影攝影鏡頭

21.95mm×16mm（對角線27.16mm）

16mm電影攝影鏡頭

10.05mm×7.42mm（對角線12.49mm）

照相鏡頭

135型攝影鏡頭

36mm×24mm

127型攝影鏡頭

40mm×40mm

120型攝影鏡頭

80mm×60mm

中型攝影鏡頭

82mm×56mm

大型攝影鏡頭

240mm×180mm

根據焦距分類

根據焦距能否調節，可分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭兩大類。依據焦距的長短，定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭四大類。需要注意的是焦距的長短劃分并不是以焦距的絕對值為首要標準，而是以像角的大小為主要區分依據，所以當靶面的大小不等時，其標準鏡頭的焦距大小也不同。變焦鏡頭上都有變焦環，調節該環可以使鏡頭的焦距值在預定范圍內靈活改變。變焦距鏡頭最長焦距值和最短焦距值的比值稱為該鏡頭的變焦倍率。變焦鏡頭有可分為手動變焦和電動變焦兩大類。

變焦鏡頭由于具有可連續改變焦距值的特點，在需要經常改變攝影視場的情況下非常方便使用，所以在攝影領域應用非常廣泛。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數多、結構復雜，所以最大相對孔徑不能做得太大，致使圖像亮度較低、圖像質量變差，同時在設計中也很難針對各種焦距、各種調焦距離做像差校正，所以其成像質量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比。

變焦距鏡頭

定焦距鏡頭

手動變焦 電動變焦

魚眼鏡頭 短焦鏡頭 標準鏡頭 長焦鏡頭

實際中常用的鏡頭的焦距是從4毫米到300毫米的范圍內有很多的等級，如何選擇合適焦距的鏡頭是在機器視覺系統設計時要考慮的一個主要問題。光學鏡頭的成像規律可以根據兩個基本成像公式牛頓公式和高斯公式來推導，對于機器視覺系統的常見設計模型，我們一般是根據成像的放大率和物距這兩個條件來選擇合適焦距的鏡頭的，在此給出一組實用的計算公式：

放大率：m=h’/h=L’/L

物距：L = f(1+1/m)

像距：L’= f(1+m)

焦距：f = L/(1+1/m)物高：h = h’/m = h’(L-f)/f

像高：h’ = mh = h(L’-f)/f

根據鏡頭接口類型劃分

鏡頭和攝像機之間的接口有許多不同的類型，工業攝像機常用的包括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。接口類型的不同和鏡頭性能及質量并無直接關系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各種常用接口之間的轉接口。

· C接口和CS接口是工業攝像機最常見的國際標準接口，為1英寸－32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的攝像機可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用C口鏡頭時需要加一個5mm的接圈；C型接口的攝像機不能用CS口的鏡頭。

· F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標準，所以又稱尼康口，也是工業攝像機中常用的類型，一般攝像機靶面大于1英寸時需用F口的鏡頭。

· V接口鏡頭是著名的專業鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標準，一般也用于攝像機靶面較大或特殊用途的鏡頭。

特殊用途的鏡頭

· 顯微鏡頭（Micro），一般是指成像比例大于10:1的拍攝系統所用，但由于現在的攝像機的像元尺寸已經做到3微米以內，所以一般成像比例大于2:1時也會選用顯微鏡頭。

· 微距鏡頭（Macro），一般是指成像比例為2:1～1:4的范圍內的特殊設計的鏡頭。在對圖像質量要求不是很高的情況下，一般可采用在鏡頭和攝像機之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達到放大成像的效果。

· 遠心鏡頭（Telecentric），主要是為糾正傳統鏡頭的視差而特殊設計的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內，使得到的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應用。

遠心鏡頭的應用實例

· 紫外鏡頭（Ultraviolet）和紅外鏡頭（Infrared），一般鏡頭是針對可見光范圍內的使用設計的，由于同一光學系統對不同波長的光線折射率的不同，導致同一點發出的不同波長的光成像時不能會聚成一點，產生色差。常用鏡頭的消色差設計也是針對可見光范圍的，紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專門針對紫外線和紅外線進行設計的鏡頭。

鏡頭的主要參數及對成像質量的影響

鏡頭分不同類型，但即使對于同一類型的鏡頭，其成像質量也有著很大的差異，這主要是由于材質、加工精度和鏡片結構的不同等因素造成的，同時也導致不同檔次的鏡頭價格從幾百元到幾萬元的巨大差異。比較著名的如四片三組式天塞鏡頭、六片四組式雙高斯鏡頭。對于鏡頭設計及生產廠家，一般用光學傳遞函數OTF（Optical Transfer Function）來綜合評價鏡頭成像質量，光學系統傳遞的是亮度沿空間分布的信息，光學系統在傳遞被攝景物信息時，被傳遞之各空間頻率的正弦波信號，其調制度和位相在成實際像時的變化，均為空間頻率的函數，此函數稱為光學傳遞函數。OTF一般由調制傳遞函數MTF（Modulation Transfer Function）與位相傳遞函數PTF（Phase Transfer Function ）兩部分組成。

像差是影響圖像質量的重要方面，常見的像差有如下六種：

· 球差：由主軸上某一物點向光學系統發出的單色圓錐形光束，經該光學系列折射后，若原光束不同孔徑角的各光線，不能交于主軸上的同一位置，以至在主軸上的理想像平面處，形成一彌散光斑（俗稱模糊圈），則此光學系統的成像誤差稱為球差。

· 慧差：由位于主軸外的某一軸外物點，向光學系統發出的單色圓錐形光束，經該光學系列折射后，若在理想像平面處不能結成清晰點，而是結成拖著明亮尾巴的慧星形光斑，則此光學系統的成像誤差稱為慧差。

· 像散：由位于主軸外的某一軸外物點，向光學系統發出的斜射單色圓錐形光束，經該光學系列折射后，不能結成一個清晰像點，而只能結成一彌散光斑，則此光學系統的成像誤差稱為像散。

· 場曲：垂直于主軸的平面物體經光學系統所結成的清晰影像，若不在一垂直于主軸的像平面內，而在一以主軸為對稱的彎曲表面上，即最佳像面為一曲面，則此光學系統的成像誤差稱為場曲。當調焦至畫面中央處的影像清晰時，畫面四周的影像模糊；而當調焦至畫面四周處的影像清晰時，畫面中央處的影像又開始模糊。

· 色差：由白色物體向光學系統發出一束白光，經光學系統折射后，各色光不能會聚于一點上，而形成一彩色像斑，稱為色差。色差產生的原因是同一光學玻璃對不同波長的光線的折射率不同，短波光折射率大，長波光折射率小。

· 畸變：被攝物平面內的主軸外直線，經光學系統成像后變為曲線，則此光學系統的成像誤差稱為畸變?；兿癫钪挥绊懹跋竦膸缀涡螤?，而不影響影像的清晰度。這是畸變與球差、慧差、像散、場曲之間的根本區別。

我們在評價鏡頭質量時一般還會從分辨率、明銳度和景深等幾個實用參數判斷：

1. 分辨率（Resolution）：又稱鑒別率、解像力，指鏡頭清晰分辨被攝景物纖維細節的能力，制約鏡頭分辨率的原因是光的衍射現象，即衍射光斑（愛里斑）。分辨率的單位是“線對/毫米“ （lp/mm）。

2. 明銳度（Acutance）：也稱對比度，是指圖像中最亮和最暗的部分的對比度。

3. 景深（DOF)：在景物空間中，位于調焦物平面前后一定距離內的景物，還能夠結成相對清晰的影像。上述位于調焦物平面前后的能結成相對清晰影像的景物間之縱深距離，也就是能在實際像平面上獲得相對清晰影像的景物空間深度范圍，稱為景深。

4. 最大相對孔徑與光圈系數：相對孔徑，是指該鏡頭的入射光孔直徑（用D表示）與焦距（用f表示）之比，即：相對孔徑＝D/ f 。相對孔徑的倒數稱為光圈系數（aperture scale），又稱為f/制光圈系數或光孔號碼。一般鏡頭的相對孔徑是可以調節的，其最大相對孔徑或光圈系數往往標示在鏡頭上，如1:1.2或f/1.2 。如果拍攝現場的光線較暗或曝光時間很短，則需要盡量選擇最大相對孔徑較大的鏡頭。

鏡頭各參數間的相互影響關系

一個好的鏡頭，在分辨率、明銳度、景深等方面都有很好的體現，對各種像差的校正也比較好，但同時其價格也會幾倍甚至上百倍的提高。如果我們掌握一些規律和經驗，就可以使用同檔次的鏡頭達到更好的效果。

1. 焦距大小的影響情況

· 焦距越小，景深越大；

· 焦距越小，畸變越大；

· 焦距越小，漸暈現象越嚴重，使像差邊緣的照度降低；

2. 光圈大小的影響情況

光圈越大，圖像亮度越高；

· 光圈越大，景深越??；

· 光圈越大，分辨率越高；

3. 像場中央與邊緣

· 一般像場中心較邊緣分辨率高

· 一般像場中心較邊緣光場照度高

4. 光波長度的影響

在相同的攝像機及鏡頭參數條件下，照明光源的光波波長越短，得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測量的視覺系統中，盡量采用短波長的單色光作為照明光源，對提高系統精度有很大的作用。