2.4 本章小结

机器视觉成像系统能反映真实场景的性能和质量，直接决定整个机器视觉系统的性能和开发难度。影响机器视觉成像系统成像质量的因素较多，主要包括光源、分辨率、对比度、镜头的景深和畸变等。机器视觉成像系统在逻辑上具有较强的一致性，可以通过常见的工业CCD/CMOS相机构成的成像系统进行研究。

相机的镜头成像规律遵循高斯成像公式。由于对机器视觉成像系统来说，其工作距离相对于相机焦距为近似无穷远，因此可以将镜头系统抽象为小孔成像模型。如果将图像传感器的奈奎斯特定律与该抽象模型结合，就可得到机器视觉成像系统简化模型的参数约束关系：

该约束关系是选择机器视觉成像系统相机和镜头的基础。

镜头则相当于眼睛内的晶状体，相机传感器则相当于视网膜。各种现实世界中的图像都通过晶状体对光线进行变换后投射在视网膜上。与镜头相关的主要技术参数有镜头分辨率、焦距、最小工作距离、最大像面、视场／视场角、景深、光圈和相对孔径及其安装接口类型等。在进行镜头选择时，通常需要先将这些参数与相机传感器尺寸、像素分辨率代入成像系统简化模型的参数约束关系进行计算并进行筛选。所选镜头可支持的最大传感器尺寸必须大于或等于相机的传感器尺寸，以避免渐晕效应。同时应注意镜头与相机之间的物理接口的匹配。

景深是指在镜头前沿着光轴所测定的能够清晰成像的范围，它从z方向上确定了可清晰观测的范围。远心镜头可以有效地解决z方向上物体成像“近大远小”的现象。在设计精确检测机器视觉系统时，不仅要确保检测目标在z方向上落在景深范围内，还要尽量使用远心镜头消除“近大远小”现象。镜头外部和自身因素会导致投影失真和镜头畸变。可以在机器视觉系统搭建完成后，通过校准来降低它们对测量结果的负面影响。

CCD和CMOS相机是目前机器视觉成像系统最常用的设备。根据排列方式不同，CCD可以分为线阵CCD和面阵CCD。线阵CCD传感器又可根据传输通道的多少分为单通道、双通道、四通道、八通道CCD传感器等。与线阵CCD传感器每次只能获取图像的一行或一列不同，面阵CCD一次可以获取一整幅图像，按照转移电荷的方式不同可以分为全帧转移、帧间转移、行间转移和行帧间转移几种类型。CCD和CMOS传感器进行光电转换的原理相同，但进行信号转移的方式有较大差异。

根据输出信号方式不同，可以将相机分为模拟相机和数字相机两大类。由于历史原因，模拟相机的输出信号通常被加工为各种隔行扫描的标准制式的视频信号，如NTSC（RS-170A）、PAL和SECAM等。模拟视频信号中并未包含每行中单个像素的同步信号，这就要求图像采集时从视频信号中分离出水平和垂直同步信号，再按照视频标准的约定的频率重构像素时钟。但是这个重构的时钟与相机的像素时钟可能并不完全相同。这会导致每行信号的数字化过早或滞后，数字图像中的像素不能准确表达相机采样到的像素。一般用像素抖动（pixel jitter）来衡量所重构像素时钟的准确性。

与模拟相机不同，数字相机会通过其内部集成的A/D转换器将图像转换为数字信号，直接按照各种数字视频信号标准输出。由于数字视频信号的同步信号（帧有效、行有效和像素时钟）与图像数据并没有像模拟视频信号那样混合在一起传输，因此数字视频信号不存在模拟视频信号的像素抖动问题。数字视频信号可以各种RGB形式进行编码，也可以YCbCr形式进行编码。采用后者时，信号数据往往被压缩。编码后的数字视频可以通过RS-422、LVDS (RS-644)、FireWire1394、USB、Camera Link或千兆以太网GigE（Gigabit Ethernet）等标准传输。其中Camera Link在机器视觉领域正有逐渐取代其他传输标准的趋势。

总之，机器视觉成像系统中相机和镜头的选择并无固定流程可循。如果暂不考虑预算，可以根据经验从以下几个方面进行筛选：

第一，根据项目要求和机器视觉成像系统模型，确定相机的传感器尺寸及分辨率。

第二，确定相机的输出方式及标准（模拟／数字，色彩，速率等）。

第三，确定相机物理接口及电器接口。

第四，确定相机其他性能指标。

筛选过程是一个在项目预算范围内综合各种技术指标，最大限度地满足项目需求的过程。在实践中应根据各种情况灵活应变，并积累经验。