工业领域的多数成像系统都由镜头子系统、图像传感器，以及其他辅助设备构成。镜头子系统负责对外部光线进行调制或变换，确保观测目标可以成像到图像传感器的芯片上；图像传感器负责对光线进行光电转换，并在各种辅助设备的配合下对电信号进行加工，输出各种含图像信息的电信号供计算机进行处理。目前，机器视觉系统中较常用成像系统由工业CCD/CMOS 摄像机及其配套镜头组成。
由于数字图像是对成像系统输出的信号进行数字化后的结果，成像系统反映真实场景的性能和质量，并直接决定整个机器视觉系统的性能。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、系统分辨率、像素分辨率、对比度、景深、投影误差和镜头畸变，而这些因素（参数）却直接或间接地由硬件选型和安装方式决定。其中几个重要概念如下：
（1）图像分辨率：在数字图像中，光强幅值以类似矩阵的形式被记录，该值在图像中的点被称为像素，横向及纵向像素的个数称为图像分辨率。
（2）系统分辨率：成像系统可以识别出被测对象的最小特征，是长度单位，如测量精度为0.01 mm。
（3）像素分辨率：检测被测物所需要的像素数，一般是根据最小特征来确定最小像素分辨率，选用摄像机的图像分辨率要大于此处计算的像素分辨率。其计算表达式为
Lmax——被测物最大长度，考虑到一般都会使检查目标尽量填满视场，所以，一般情况下Lmax= FOV，FOV 详见式（8.2）中的参数；
Rmin——最小像素分辨率；
lmin——被测物最小长度（系统分辨率）；
pmin——最小特征的像素数，其取值视系统用途而定，一般情况取2，定位取3，测量取10。
成像系统简化模型如图8.1所示。
图8.1 成像系统简化模型
确定成像系统焦距，要明确以下参数：
（1）a1、a2 表示摄像机感光芯片长宽（CCD），S= a1 + a2 为摄像机传感器面积，通过查询手册可得。
（2）b1、b2 表示视野长宽（FOV）。
（3）f 表示焦距。
（4）d 表示工作距离（WD）。
由以上参数之间的约束关系可得如下表示式，即透镜放大率的表达式为
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综上所述，成像系统简化模型的约束关系为
【例8.1】 使用一条300 mm 宽的输送带传输物体，速度为200 mm/s。每3 个物体紧挨着传输。使用一个图像处理系统来测量物体的大小，系统分辨率要求精确到5 mm。求采用摄像机的分辨率，放大倍数和工作距离。
解：系统分辨率精确到5 mm，即被测对象的最小特征为5 mm，最小特征的像素数取20，每个像素表示5/20=0.25 mm。要使此像素分辨率准确覆盖整个传送带，需要300 mm/（0.25 mm/像素）=1 200 像素。所以，选用图像分辨率为1 200×1 000 像素的摄像机。通过数据表可以确定摄像机的每个像素的边长为3.75 μm。
根据式（8.2）～式（8.4）确定放大倍数M 为0.003 75/0.25=0.015。若使用焦距为18 ～35 mm 之间的标准镜头，则摄像机和传送带之间距离WD 为2.5 m。
【例8.2】 产品的外形尺寸是产品质量控制的重要指标。由于人工测量速度慢、精度低、稳定性差，所以，我们一般考虑非接触式的在线测量方式。被测物的形状如图8.2所示，其中，被测物长为130 ～400 mm，宽为100 ～210 mm，高为30 ～110 mm。要求测量8 个关键点A ～H 之间的相对距离，测量精度即系统分辨率，为0.5 mm，要求计算采用摄像机的分辨率。
图8.2 被测物的形状
解：采用式（8.2）进行计算，计算单位为mm，因此本例的计算过程为
所以，采用500 万像素的摄像机。
【例8.3】 设计一套检测系统可以检查桥梁底部裂缝的机器人视觉系统，要求机器人工作速度最高可达4.5 m/s，同时可以在距离桥底部400 ～800 mm 的工作距离内检测到最小宽度为0.2 mm 的桥梁裂缝。
解：由式（8.4）可得
此处取pmin= 1，WD=800 mm，lmin=0.2 mm，假定分别有两组镜头和摄像机可以选择。则摄像机在两个方向上的分辨率都应满足需求，备选的镜头参数和备选的摄像机参数如表8.1 和表8.2所示。
表8.1 备选的镜头参数
表8.2 备选的摄像机参数
所以，最终计算结果为摄像机的分辨率不应小于2 816 × 2 112 像素。
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