114 、機器視覺

機器視覺是人工智能正在快速發展的一個分支。機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是通過機器視覺產品(即圖像攝取裝置CMOS和CCD兩種)將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，得到被攝目標的形態信息，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號。圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

機器視覺系統的特點是提高生產的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業的危險工作環境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業生產過程中，用人工視覺檢查產品質量效率低且精度不高，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度。而且機器視覺易于實現信息集成，是實現計算機集成制造的基礎技術。

一個典型的工業機器視覺系統包括：光源、鏡頭（定焦、變倍、遠心、顯微鏡頭）、相機（包括CCD和COMS相機）、圖像處理單元、圖像處理軟件、監視器、通訊 / 輸入輸出單元等。

115 、工業鏡頭

機器視覺系統中，鏡頭相當于人的眼睛，其主要作用是將目標的光學圖像聚焦在圖像傳感器（相機）的光敏面陣上。視覺系統處理的所有圖像信息均通過鏡頭得到，鏡頭的質量直接影響到視覺系統的整體性能。

1.鏡頭失真

可分為枕形失真和桶形失真，如下圖示：

2.光學倍率

3.監視放大

計算方法：

例：VS-MS1＋10x鏡頭 1/2” CCD 照相機, 14”監視器上的成像

0.1mm的物體在監視器得到的是44.45mm的成像

4.解析度

表示了所能見到了2點的間隔0.61x 使用波長(λ)/ NA=解析度(μ)

以上的計算方法理論上可以計算出解析度，但不包括失真。

※使用波長為550nm

5.解像力

１mm中間可以看到黑白線的條數。單位（lp）/mm.

6.MTF（Modulation Transfer Function）

成像時再現物體表面的濃淡變化而使用的空間周波數和對比度。

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度。

9.成像圈

成像尺寸φ，要輸入相機感應器尺寸。

10.照相機 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)

視野指使用照相機以后看到的物體側的范圍

照相機有效區域的縱向長度（V）/光學倍率（M）＝視野（V）

照相機有效區域的橫向長度（H）/光學倍率（M）＝視野（H）

＊技術資料上的視野范圍是指由光源及有效區域的一般數值計算出來的值。

照相機有效區域的縱向長度（V）or（H）=照相機一個畫素的尺寸×有効畫素數（V）or（H）來計算。

12.景深

景深是指成像后物體的距離。同樣，照相機側的范圍稱為焦點深度。具體的景深的值多少略有不同。

13.焦距 (ｆ)

ｆ（Focal Length）光學系的后主點（H2）到焦點面的距離。

14.FNO

鏡頭從無限遠時，亮度表示的數值，值越小越亮。FNO=焦距/入射孔徑或有効口徑=f/D

15.實效F

有限距離時鏡頭的明亮度。

實效F = (1 +光學倍率) x F#

實效F = 光學倍率 / 2NA

16.NA（Numerical Aperture）

物體側的 NA = sin u x n

成像側的NA' = sin u'x n'

如下圖所示 入社角度 u, 物體側折射率n, 成像側的折射率' n'

NA = NA' x 放大率

17.邊緣亮度

相對照度是指中央的照度與周邊的照度的百分比。

18.遠心鏡頭s

主光線與鏡頭光源平行的鏡頭。有物體側的遠心，成像側的遠心，兩側的遠心行頭等方式。

19.遠心

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。遠心鏡頭的主光線與鏡頭的光軸平行，Telecentricity不好，遠心鏡頭的使用效果就不好；Telecentricity可以用下圖進行簡單的確認。

20.景深 (DOF)

景深（Depth of Field）可以用以下的計算式計算出來：

景深 = 2 x Permissible COC x 實效F / 光學倍率2 = 允許誤差值 / (NA x 光學倍率)

21.通風盤及解析度

Airy Disk是指通過沒有失真的鏡頭在將光集中一點時，實際上形成的是一個同心圓。這個同心圓就叫做Airy Disk。Airy Disk的半徑r可以通過以下的計算公式計算出來。這個值稱為解析度。ｒ= 0.61λ/NA Airy Disk的半徑隨波長改變而改變，波長越長，光越難集中于一點。 例：NA0.07的鏡頭 波長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，成像側也被再現出來。表示鏡頭的成像性能，成像再現物體的對比度的程度。測試對比性能，用的是具有特定空間周波數的黑白間隔測試。空間周波數是指１mm的距離濃淡變化的程度。

圖1所示，黑白矩陣波，黑白的對比度為100%.這個對象被鏡頭攝影后，成像的對比度的變化被定量化。基本上，不管什么鏡頭，都會出現對比度降低的情況。最終對比度降低至0%。，不能進行顏色的區別。

圖2、3顯示了物體側與成像側的空間周波數的變化。橫軸表示空間周波數，縱軸表示亮度。物體側與成像側的對比度由A、B計算出來。MTF由A,B的比率計算出來。

解析度與MTF的關系：解析度是指2點之間怎樣被分離認識的間隔。一般從解析度的值可以判斷出鏡頭的好壞，但是實際是MTF與解析度有很大的關系。圖4顯示了兩個不同鏡頭的MTF曲線。鏡頭a 解析度低但是具有高對比度。鏡頭b對比度低但是解析度高。