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核心揭秘:视觉成像都有哪些关键参数?

来源:上海茂硕机械设备有限公司   2023年03月08日 09:55  

工业相机是机器视觉系统中的核心器件之一,在为一项应用选择相机前,需要充分了解相机的各项参数指标,以选出适合应用的工业相机,实现检测优解。那么要了解哪些主要参数呢?

01

镜头焦距(Focus Length) 

视野(Field Of Vision)

物距(Object Distance)

焦距是镜头非常重要的一个光学参数,指的是镜头光学后主点到焦点的距离,是镜头的重要性能指标。


图片



镜头焦距的长短与镜头拍摄图片的成像大小成反比。简单的说,在同样距离下,焦距越大的镜头,拍摄到的画面越小。


工业相机在实际应用中配备的大多数是固定焦距的,所以在确定镜头焦距的时候,需要了解现场相机物距(相机镜头距离被测物表面的安装高度),相机拍照的视野范围(也就是待检被测物特征的尺寸)。


某些应用场合会涉及不同高度被测物的混检,这时会考虑使用可变焦距的镜头,选择变焦镜头要考虑两个问题,一是变焦的速度,二是镜头的寿命。


02

像素(Pixel)

分辨率(Resolution)

检测精度(Detecting Precision)

生活中我们用看图软件把图像放大后,图像会呈现出一个个小方块,这个小方块就是图像的像素点,是成像芯片CCD或CMOS的在生成图像的最小单元,例如一张200万像素的图片,大概就是由200万个像素点组成的。


分辨率指的就是CCD或CMOS芯片的成像能力,分辨率的表达方式如下:


200万摄像头的分辨率 = 1626 x 1236


这个说明这个摄像头X轴方向有1626个像素,一共有1236行,拍出来的图像合计2009736个像素,约等于200万。


检测精度的简单评估方法如下:


检测精度=图像的X轴实际尺寸/X轴的像素点数量


例如一个被测物,X轴的尺寸是100mm,如果用200万摄像头去拍照检测(假设工件铺满画面,不存在空白区域),那么此时相机的检测精度为:


100mm /1626 = 0.0615mm


以上方法只是用于摄像头选型时的简单精度评估,实际的检测精度会受到很多外在因素的影响,包括被测物移动速度,光线干扰,工件外形一致性,特征对比度等。


03

景深( Depth Of  Field)

景深是个非常有趣的现象,日常生活中经常会遇到,看看下面这张图:


图片


当镜头聚焦点在花朵A的时候进行拍照,最终花朵A是清晰的,但是花朵A后面的其他花就变模糊了。


所以当镜头聚焦在一个点时,只有在聚焦点前后的一段距离内的物体成像清晰,在此距离外的物体成像模糊,这个距离就成为镜头的景深。


控制景深的三大要素:

光圈:光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大。

焦距:焦距越长,景深越小;焦距越短,景深越大。

距离:距离越近,景深越小;距离越远,景深越大。


一个有趣的现象,当你想看清一个物体的时候,是不是习惯眯起眼睛?


04

曝光时间(Exposure Time)

曝光时间是从相机快门打开后,CCD感光芯片获取外部光线的持续时间。


打个比方,如果把CCD感光芯片比作一个水池,相机快门比作水池入水口的阀门,那么曝光时间指的就是阀门持续打开的时间。阀门打开时间越长,进入水池的水就越多。同理,相机的曝光时间越长,CCD感光芯片获取到的光线就越足,图像就越亮。


调节曝光时间需要考虑什么?

  1. 曝光时间太小或太大会造成图像过暗或过亮,影响被测物特征与背景的对比度

  2. 相机检测时间包含了图像的曝光时间,所以曝光时间与检测效率息息相关

  3. 运动检测的场合,曝光时间过长会造成图像虚影,影响检测精度



05

曝光时间和成像虚影

相机的“防抖”功能大家都耳熟能详,在拍照的过程中,相机和被测物的抖动都会造成图像虚影,这里思考两个问题:


为什么抖动会造成图像虚影?

为什么夜晚拍照比白天更容易造成图像虚影?


再打个比方来解释,把光线进入到相机的CCD感光芯片比作是水滴持续落在纸张表面上。


如果水滴和纸张的位置都是固定不动的,那么在曝光时间内,水滴都会落在纸张表面的同一个位置,纸张上水滴的轮廓只是一个点。


如果纸张是移动的,那么在曝光时间内,水滴就会落在纸张的不同位置上,最终水滴留在纸张上的痕迹就变成了多个点或线,而这些多出来的点和线就是相机成像上的虚影,曝光时间越长,虚影就越严重。


图片


家用相机很多人喜欢用自动模式拍照,白天因为光线充足,相机拍照的快门速度极快,曝光时间短,所以只要物体移动速度不是特别快,画面的虚影几乎看不出来。但是到了夜晚,为了获得足够的曝光度,相机会将快门速度自动调慢,延长曝光时间,于是图像虚影就明显了很多。


很多摄影爱好者常常会利用长曝光时间来拍摄一些唯美的图像,如下图:


图片


但是工业检测上,必须尽可能的规避虚影产生,所以会参考下列公式来计算相机拍照的最大曝光时间:


物体的运动速度 × 曝光时间 = 相机视野 / 相机分辨率


这个公式的含义是:在相机的曝光时间之内,被测物所走过的距离不能超过一个像素所对应的长度。


综上所述,了解相机成像的相关特性,可以让工业相机获得最佳的图像效果,从而提高整体系统的检测性能。

END

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