2025年《机器视觉与算法》学习笔记（一）——图像的采集

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要搭建一套完整的机器视觉设备，图像的采集的硬件选型显然是必不可少的。这一节笔记将从Illumination（照明）、lenses（镜头）、cameras（摄像机）、cameras-computer interface（摄像机与计算机接口）。

一、Illumination（照明，光照）

1.1 光的类型区分

光是一定波长范围内的电磁辐射。（1）可见光：人眼可见的光，波长在380~780nm；（2）紫外光（UV,ultraviolet）：波长在100~380nm；（3）红外线（IR，infrared）：波长在780nm~1.5μm；同时比紫外光波长更短的还有x射线和伽马射线，比红外线波长更长的还有微波和无线电波。

1.2 光源类型

常用的光源类型有：

（1）白炽灯：通过细细的灯丝发热产生光；

优点：相对较亮，而且可以产生色温为3000~4000k的连续光谱；可以工作在低电压；

缺点：发热严重，只有5%左右的能量转化为光，能量损失较大；寿命短，而且不能作为闪光灯；

色温：色温是表示光线中包含颜色成分的一个计量单位。从理论上讲，色温是指绝对黑体从绝对零度（-273℃）开始加温后呈现的颜色。黑体受热后，逐渐由黑变红，转黄，发白，最后发出蓝色光。加热到一定的温度，黑体发出的光所含的光谱成分，就称为这一温度下的色温，计量单位为“K”（开尔文）。如果某一光源发出的额光，与某一温度下黑体发出的光所含的光谱成分相同，即称为某K色温、如100W灯泡发出的光的颜色，与绝对黑体在2527k是的颜色相同，那么灯泡发出的光的色温就是：2527K+273K=2800K。

（2）氙灯：是在密闭的玻璃灯泡中充入氙气，氙气被电离后产生的色温在5500~12000K的非常亮的白光。常分为：连续发光的短弧灯，长弧灯，以及闪光灯。

优点：做成的闪光灯的每次亮的时间可以短至1~20微秒；

缺点：供电复杂且昂贵，几百万次闪光后易老化。

（3）荧光灯：也是一类气体放电光源，通过电流激发在氩、氖等惰性气体环境中的水银蒸汽，产生紫外光辐射。

优点：使用不同的涂层，可以产生3000~6000K的色温可见光；价格便宜，照明面积大；

缺点：寿命短，老化快，光谱分布不均匀，在有些频率下有尖峰，而且不能做闪光灯；由交流电供电，会产生和交流电一样频率的闪烁。

（4）发光二极管（LED灯）：一种通过电致发光的半导体，能产生类似的单色光的非常窄的光谱的光。目前，机器视觉最常见的一种。

优点：寿命长，功耗小，发热小，可做为闪光灯，响应速度快；由于LED灯采用直流供电，亮度控制十分容易；

缺点：LED的性能与环境温度有关，环境温度越高，LED性能越差，寿命越短。

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1.3 使用光源的一些注意：

（1）光与被测物体之间的相互作用：当光源照射到被测物体上时，由于被测物体本身的粗糙程度不同，会发生镜面反射，漫反射，偏振光等物理反应。当设计机器视觉图像采集设备时，为了更好的得到彩图图像，需要将这些因素考虑进来。

（2）利用光的光谱特性：利用不同元件对于不同颜色的彩色光吸收程度不同，采用不同的色光的光源，更有利于增强我们需要的特征。

（3）利用光照的方向性：采用不同的光照方向可以得到不同的效果。

二、Lenses（镜头）

镜头是一种光学设备，用于聚集光线在摄像机内部成像。镜头的作用是产生锐利的图像，以得到被测图像的细节。从而便于在后面的图像处理中获得更显著的特征，进而更好的完成工程目的。

对于镜头这一块，有几个概念需要理解一下：

2.1 针孔摄像机

首先，是针孔相机的一个成像原理。像平面相当于一个方盒子的一个面，在这个面的对面是针孔所在的面，针孔相当于投影的中心，针孔摄像机所成的像为物体的倒像。也就是我们初中学习的小孔成像的原理。

2.2 高斯光学

由于针孔太小，只有极少量的光线能够通过小孔到达像平面，因此必须采用非常长的曝光时间以得到亮度足够的图像。因此真正的摄像机使用镜头收集光线。镜头通常由一定形状的玻璃或塑料构成。玻璃和塑料的形状决定了镜头可能使光线发散或汇聚。但是，我们知道像玻璃或者塑料，当光线透过时会产生折射现象，而折射是一个非线性过程。所以，镜头的成像也是非线性过程。也就是说，同心光束通过镜头后将不能完全汇聚在一点。

而高斯光学，是高斯在1841年建立的研究理想光学系统的几何光学理论，是几何光学的分支又称近轴光学，它适用于任何结构的光学系统，但所研究的光线必须满足近轴条件。为什么需要满足近轴条件呢？

吐尔逊·买买提在他的论文：几何光学中引入“近轴条件”概念的物理意义中写的很仔细。文中给出的答案是：为了满足光的单心性。文中证明了当α很小时，同一个物点所发出的不同光线经球面反射后会交于一点。光束的单心性得以保持。一个物体将有一个确定像点与之对应。如果物点在垂轴平面上移动时，其完善像点也在垂轴平面上作线性移动，则此光学系统成像是理想的。可以证明，非常靠近光轴的细小物体，其每个物点都以很细的、很靠近光轴的单色光束被光学系统成像时，像是完善的。这表明，任何实际的光学系统（包括单个球面、单个透镜）的近轴区都具有理想成像的性质。

因此，光学系统的设计是为了使镜头的结构在满足高斯光学的基础上使入射角足够大，以满足实际应用。其中，满足高斯光学是为了被拍摄物体更好的成像，入射角越大是为了是足够的光线进入像平面，以减少曝光时间。

2.3 景深

对于景深引用百度百科上的解释：

景深（DOF，depth of field），是指在摄影机镜头或其他成像器前沿能够取得清晰图像的成像所测定的被摄物体前后距离范围。而光圈、镜头、及拍摄物的距离是影响景深的重要因素。

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