如何优化机器视觉系统的照明和镜头部分？

1.视觉系统的功能

仿蛇机器人的视觉系统主要是用各类电子设备或器件代替蛇的眼睛来做测量和判断。仿蛇机器人视觉系统的具体工作流程如下：首先，仿蛇机器人通过视觉传感器将拍摄到的目标信息转化为图像信息，并将其传送到专门的图像处理系统，从而准确得到外界环境的各类图像信息，包括像素分布、单元亮度、颜色等各类信息；其次，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取外界目标的特征，从而得到外界环境的各类物体信息；最后，根据外界环境信息判别仿蛇机器人应当采用的运动方式，实现仿蛇机器人在各类环境中的稳定快速运动。

2.视觉系统的组成

仿蛇机器人的视觉系统实质上是一种机器视觉系统，所谓机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断，其工作原理如图3-1所示。机器视觉系统能够帮助人们提高生产柔性和自动化程度。在一些不适于人工作业的场合或人工视觉难以满足要求的地方，常用机器视觉来替代人工视觉。例如，在大批量工业生产过程中，用人工视觉检查产品质量效率低下、费心费力且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高工作效率和自动化程度，而且机器视觉易于实现信息集成，是实现计算机集成制造的基础技术，这也是在各种仿生机器人中广泛使用机器视觉系统技术的原因所在[56]。

图3-1　机器视觉工作原理图

典型的机器视觉系统通常由以下部分组成：

（1）照明系统。

照明是影响机器视觉系统输入情况的重要因素，它直接影响输入数据的质量和应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用案例，要选择合适的照明装置，以达到最佳照明效果[57]。照明系统的核心是光源，光源有可见光的和不可见光。常用的可见光源有白炽灯、日光灯、水银灯和钠光灯。可见光照明的缺点是光能难以保持稳定，从而影响照明效果。如何使光能在一定程度上保持稳定，是可见光源在实用化过程中急需解决的问题[58]。另一方面，环境光可能影响图像的质量，所以可采用添加防护屏的方法来减少环境光的影响。按光源照射方法，照明系统可分为背向照明、前向照明、结构光照明和频闪光照明等。背向照明是被测物放在光源和摄像机之间，其优点是能获得高对比度的图像。前向照明是光源和摄像机位于被测物的同侧，这种方式便于安装。结构光照明是将光栅或线光源等投射到被测物上，根据它们产生的畸变，解调出被测物的三维信息[59]。频闪光照明是将高频率的光脉冲照射到物体上，摄像机拍摄时要求与光源同步。

图3-2　镜头实物图

（2）镜头。

镜头（见图3-2）是机器视觉系统中必不可少的核心部件，直接影响成像质量的优劣和算法的实现及效果。镜头从焦距上可分为短焦镜头、中焦镜头、长焦镜头；从视场大小上可分为广角、标准、远摄镜头；从结构上可分为固定光圈定焦镜头、手动光圈定焦镜头、自动光圈定焦镜头、手动变焦镜头、自动变焦镜头、自动光圈电动变焦镜头和电动三可变（光圈、焦距、聚焦均可变）镜头等[60]。

对于任何相机来说，镜头的好坏一直是影响其成像质量的关键因素，数码相机也不例外[61]。虽然数码相机的CCD分辨率有限，原则上对镜头的光学分辨率要求较低，但由于数码相机的成像面积较小（因为数码相机是成像在CCD面板上，而CCD的面积较传统35 mm相机的胶片面积小很多），因而需要镜头保证一定的成像质量。

例如，对某一确定的被摄体，水平方向需要200像素才能完美再现其细节，如果成像宽度为10 mm，则光学分辨率为20线/mm的镜头就能胜任；但如果成像宽度仅为1 mm的话，则要求镜头的光学分辨率必须在200线/mm以上[62]。此外，传统胶卷对紫外线比较敏感，户外拍照时通常需要加装UV镜，而CCD对红外线比较敏感，需要为镜头增加特殊的镀层或外加滤镜，以提高成像质量。同时，镜头的物理口径也需要认真考虑，且不管其相对口径如何，其物理口径越大，光通量就越大，数码相机对光线的接受和控制就会更好，成像质量也就越高。

镜头对机器视觉系统来说同样十分重要，选择时需要注意以下几个性能参数：

①焦距。

焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离，也是照相机中从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离[63]。具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳的聚光能力。简单来说，焦距就是焦点到镜头中心点之间的距离。

②镜头口径。

镜头口径也叫“有效口径”或“最大口径”。它指每只镜头开足光圈时前镜的光束直径（也可视作透镜直径）与焦距的比数[64]。它表示该镜头最大光圈的纳光能力。如某个镜头焦距是4，前镜光束直径是1时，这就是说焦距比光束直径大4倍，一般称它为f系数，f代表焦距。

③光圈。

光圈是一个用来控制光线透过镜头进入机身内感光面的光量的装置，它通常安装在镜头内部。平时所说的光圈值F1、F1.2、F1.4、F2、F2.8、F4、F5.6、F8、F11、F16、F22、F32、F44和F64等是光圈“系数”，是相对光圈，并非光圈的物理孔径，它与光圈的物理孔径及镜头到感光器件（胶片或CCD或CMOS）的距离有关。

表达光圈大小用的是F值。光圈F值=镜头的焦距/镜头口径的直径。从该公式可知：要达到相同的光圈F值，长焦距镜头的口径要比短焦距镜头的口径大。当光圈物理孔径不变时，镜头中心与感光器件距离越远，F数越大；反之，镜头中心与感光器件距离越近，通过光孔到达感光器件的光密度越高，F数就越小[65]。

这里需要提及的是，光圈F值越小，在同一单位时间内的进光量便越多，而且上一级的进光量刚好是下一级的两倍，例如光圈从F8调整到F5.6，进光量便多一倍，也可以说光圈开大了一级。多数非专业数码相机镜头的焦距短、物理口径很小，F8时光圈的物理孔径已经很小了，继续缩小就会发生衍射之类的光学现象，影响成像。所以一般非专业数码相机的最小光圈都在F8～F11，而专业型数码相机感光器件面积大，镜头与感光器件距离远，光圈值可以很小。对于消费型数码相机而言，光圈F值常常介于F2.8～F16之间。

④放大倍数。

它是光学镜头的一项性能参数，是指物体通过透镜在焦平面上的成像大小与物体实际大小的比值[66]。

⑤影像至目标的距离。

它也是光学镜头的一项性能参数，是指成像平面上的影像与目标之间的实际距离。

⑥畸变。

畸变是由于机器视觉系统中垂轴放大率在整个视场范围内不能保持常数引起的。当一个有畸变的光学系统对一个方形的网状物体成像时，由于某些参数的不同，可能会形成一个啤酒桶状的图像，这种畸变称为正畸变，也可称为桶形畸变；还有可能会形成一种枕头状的图像，这种畸变称为负畸变，也可称为枕形畸变[67]。在一般的光学系统中，只要畸变引起的图像变形不为人眼所觉察，是可以允许存在的，这一允许的畸变值约为4%。但是有些需要根据图像来测定物体尺寸的光学系统，如航空测量镜头等，畸变则直接影响其测量精度，必须对其严加校正，使畸变小到万分之一甚至十万分之几。

（3）摄像机/照相机。

照相机可简称相机（见图3-3），按照不同标准可分为标准分辨率数字相机和模拟相机等。人们可根据不同的应用场合来选用不同的相机。

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图3-3　相机实物图

在光学成像领域，相机的分类方法很多，主要包含以下几种：

①按成像色彩划分：可分为彩色相机和黑白相机；

②按分辨率划分：像素数在38万以下的为普通型，像素数在38万以上的为高分辨率型[68]；

③按光敏面尺寸大小划分：可分为1/4、1/3、1/2、1英寸相机；

④按扫描方式划分：可分为行扫描相机（线阵相机）和面扫描相机（面阵相机）两种方式；其中面扫描相机又可分为隔行扫描相机和逐行扫描相机；

⑤按同步方式划分：可分为普通相机（内同步）和具有外同步功能的相机等。

（4）图像采集卡。

图像采集卡在机器视觉系统中扮演着非常重要的角色，它直接决定了摄像头的接口特性[69]。比如摄像头究竟是黑白的，还是彩色的；是模拟信号的，还是数字信号的。比较典型的图像采集卡是PCI或AGP兼容的捕获卡，它可以将图像迅速地传送到计算机存储器进行处理。某些图像采集卡有内置的多路开关，可以连接多个不同的摄像机（有多至8个的），然后告诉采集卡采用那一个相机抓拍到的信息。有些采集卡有内置的数字输入装置以触发采集卡进行图像捕捉，当采集卡抓拍图像时数字输出口就触发闸门。图3-4所示为一款在PC上常用的图像采集卡。

图3-4　图像采集卡

3.视觉系统的工作原理

视觉传感器是整个机器视觉系统中视觉信息的直接来源，主要由一个或两个图形传感器组成，有时还要配以光投射器及其他辅助设备[70]。谈起视觉传感器，人们就会想到CCD与CMOS两大视觉感应器件。在人们的印象中，CCD代表着高解析度、低噪点等“高大上”品质，而CMOS由于噪点问题，一直与电脑摄像头、手机摄像头等对画质相对要求不高的电子产品联系在一起[71]。但是现在CMOS今非昔比了，鸟枪换炮，其技术有了巨大进步，基于CMOS的摄像机绝非只局限于简单的应用，甚至进入了高清摄像机行列。为了更清晰地了解CCD和CMOS的特点，现在从CCD和CMOS的不同工作原理说起。

图3-5　CCD实物图

（1）CCD与CMOS的工作原理。

①CCD器件。

CCD是电荷耦合器件（Charge Coupled Device）英文首字母缩写形式，它是一种半导体成像器件（见图3-5）。

CCD具有灵敏度高、畸变小、体积小、寿命长、抗强光、抗震动等优点。工作时，被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱情况积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。当视频信号连接到监视器或电视机的视频输入端时，人们便可以看到与原始图像相同的视频图像[72]。

需要说明，在CCD中，上百万个像素感光后会生成上百万个电荷，所有的电荷全部需要经过一个“放大器”进行电压转变，形成电子信号[73]。因此，这个“放大器”就成为一个制约图像处理速度的“瓶颈”。当所有电荷由单一通道输出时，就像千军万马过“独木桥”一样，庞大的数据量很容易引发信号“拥堵”现象，而数码摄像机高清标准（HDV）却恰恰需要在短时间内处理大量数据。因此，在民用级产品中使用单CCD是无法满足高速读取高清数据的需要的。

CCD器件主要由硅材料制成，对近红外光线比较敏感，光谱响应可延伸至1.0μm左右，响应峰值为绿光（550 nm）[74]。夜间采用CCD器件隐蔽监视时，可以用近红外灯辅助照明，人眼看不清的环境情况在监视器上却可以清晰成像。由于CCD器件表面有一层吸收紫外线的透明电极，所以CCD对紫外线并不敏感。彩色摄像机的成像单元上有红、绿、蓝三色滤光条，所以彩色摄像机对红外线和紫外线均不敏感。

②CMOS器件。

图3-6　CMOS实物图

CMOS是互补金属氧化物半导体器件（Complementary Metal Oxide Semiconductor）英文首字母缩写形式，它是一种电压控制的放大器件（见图3-6），也是组成CMOS数字集成电路的基本单元。CMOS中一对由MOS组成的门电路在瞬间要么PMOS导通，要么NMOS导通，要么都截至，比线性三极管的效率高得多，因此其功耗很低。

传统的CMOS传感器是一种比CCD传感器低10倍感光度的传感器。它可以将所有的逻辑运算单元和控制环都放在同一个硅芯片上，使摄像机变得架构简单、易于携带，因此CMOS摄像机可以做得非常小巧。与CCD不同的是，CMOS的每个像素点都有一个单独的放大器转换输出，因此CMOS没有CCD的瓶颈问题，能够在短时间内处理大量数据，输出高清影像，满足HDV的需求[75]。另外，CMOS工作所需要的电压比CCD的低很多，功耗只有CCD的1/3左右，因此电池尺寸可以做得很小，方便实现摄像机的小型化。而且每个CMOS都有单独的数据处理能力，这也大大减少了集成电路的体积，为高清数码相机的小型化，甚至微型化奠定了基础。

（2）CCD与CMOS的比较。

CCD和CMOS的制作原理并没有本质上的区别，CCD与CMOS孰优孰劣也不能一概而论。一般而言，普及型的数码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些，这是因为CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在金属氧化物的半导体材料上，而这导致两者的成像质量出现了差别。CMOS的结构相对简单，其生产工艺与现有大规模集成电路的生产工艺相同，因而使得生产成本有所降低。

从原理上分析，CMOS的信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更敏感，更省电，速度也更快捷[76]。现在生产的高级CMOS并不比一般的CCD成像质量差，但相对来说，CMOS的工艺还不是十分成熟，普通的CMOS一般分辨率较低而导致成像质量较差。

尽管CCD在影像品质等各方面优于CMOS，但不可否认的是CMOS具有低成本、低耗电以及高整合度的特性。由于数码影像产品的需求十分旺盛，CMOS的低成本和稳定供货品质使之成为相关厂商的心头肉，也因此愿意投入巨大的人力、物力和财力去改善CMOS的品质特性与制造技术，使得CMOS与CCD两者的差异在日益缩小。

图3-7　超声波测距传感器