机器视觉的组成三要素包括光源、相机和镜头。

所谓好的图像，其成像标准就是：

（1）要有比较明显的对比度，目标与背景的边界比较清晰。

（2）背景要尽量淡化且均匀，不能干扰到图像的处理。

（3）颜色要尽量还原色彩的真实度，亮度要适中。

光源

光源是影响视觉系统图像处理的重要因素，直接影响图像的质量和最终的运算结果。而光源的种类非常多，通用光源至少已有上百种，定制光源有上千种。由于没有通用的视觉照明设备，所以一般要根据实际需求，针对特定应用场景，利用光源实验室或不同的光源找到最合适的打光效果，以达到最好的成像效果。

如图6所示的取像效果：第一列，下面的图像对比度比较好，有助于进行目标和背景的分离；第二列，上面图像的均匀性比较差，对全局灰度的判别很难进行基准的抽取；第三列，下面图像的一致性比较好，用来辨别工件比较有优势。

图6　取像效果对比

好的成像效果会大幅度降低图像处理的难度，并且最终的运行效果也会比较稳定。所以在选择光源的时候应注意：

第一，要了解项目的需求，明确客户或工厂对测量或检测的需求目标。

第二，要分析目标和背景的区别，如要在一片红色的产品里找出蓝色的部分，那么打光效果就要使蓝色和红色之间产生最大的区别。

第三，要根据光源和目标之间的配合关系，确定可以用的光源类型。因为光源的类型非常多，打光的方式也就层出不穷，一定要选好配合类型，以免选择的光源无法使用。最简单的方法就是拿到客户的需求和样品后到光源实验室进行实验，这样会很快得到光源的最佳成像效果。

在介绍光源的各种型号之前，要先了解一下光的波长和特性。为什么说使用不同光源会影响图像的效果呢？在实际场景中，使用最多的光源是白色和红色，基本上白光和红光可以满足80%以上的需求，其次是蓝光，而绿光、黄光使用是最少的。有些产品会加一些其他材料，这些材料是完全透明的，人眼看不到，而用常见的不可见光——紫外光照射，就会有蓝色或其他颜色显现出来。

第四，要注意光的互补色。照射光源的波长和检测物颜色波长越接近，其影像就会变得越明亮。如要找红色的东西，用红光去照，图像就比较清晰；而用波长相差较大的绿光照射，图像就比较暗。图7这个红光数码管，它的8个管都是好的，假如用红光打在上面，就会变得很明亮；假如要用蓝光打上去，图像有些部分就会比较暗。

第五，了解常用的光源分类。从种类来看，LED出现后像荧光、卤素光和电镀光等光源市面上已经基本看不到了。LED的光波有多种，包括红、蓝、黄、绿等光色。其次，LED光源的亮度能以从很暗调到很亮，可以达到目前所有光源中最亮；而且LED光源的使用寿命也最高，在3万～5万小时，甚至可达10万小时，其他光源最多也就几千小时。

当然还要注意光源类型。光源主要是从尺寸和照明这两个方面进行分类。从尺寸来看，分为环形光、条形光、同轴光、背光板和穹顶光。从照明来看，分为直接照明、间接照明和特殊照明。直接照明就是光直接照到需要找的物体表面上；间接照明是透过折射板、平面反射或玻璃板的反射再打在物体上实现的；特殊照明常用是紫外光和红外光。

图7　不同颜色光影像对比(www.daowen.com)

相机

用于图像处理的相机主要分两种：一种是工业相机，一种是网络相机。工业相机分为面阵相机和线阵相机，也可分为黑白相机和彩色相机；网络相机主要用于录制视频，如马路监控。网络相机的优势是外壳比较坚固，但是成像效果比较差；而工业相机的特点就是将未压缩的数据资料，如直接拍摄到的图片直接传到电脑或控制器里，再做图像处理，如此一来就不会丢失图像的明确特征或图像信息。

彩色相机和黑白相机的差异在于：彩色相机由红绿蓝三原色构成，因此彩色图像是三通道的。而黑白相机仅包含一组，只有一个通道，色度从0到255——0表示是黑的，255表示是白的，中间也就是由深到浅逐渐变化的过程。

工业相机主要分为电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）两大类。前几年CCD相机应用比较常见，因为出现得早，技术也比较成熟。不过近几年CMOS已逐渐取代了CCD，因为CMOS相对于CCD有五点优势：性价比高，CMOS比CCD便宜很多；成像速度非常快；分辨率比较高，具有金属氧化物的特性；功耗比较低；高量子效率比较高。

相机的两大快门类型：全局快门和滚动快门（也称为“卷帘门”）。全局快门的工作方式就是整个感光芯片同时进行曝光；而滚动快门的曝光是逐行进行，也就是第一行曝光结束之后，第二行才开始。正是由于技术特性差异，两种快门在用于运行较快的物体时就有较大差别。如图8所示，可以看出全局快门一瞬间拍到的照片基本上可以保持原有的效果，而滚动快门因为有逐行曝光的影响，所以拍到的图像会有拉伸或畸变，这就是全局快门和滚动快门的区别。

图8　全局快门和滚动快门的差异

相机还有两个比较重要的参数，即帧速率和分辨率。帧速率就如大家所说的电影里的每秒多少帧图像，指芯片可在每秒钟拍摄或拍摄与传输的图像数量（fps）。帧速率越高，芯片速度越快，每秒拍摄到的图像就越多，数据量就越大。而分辨率指的是一幅图像每行和每列的像素数量，相乘所得数值就是整个的像素，比如2 048×1 088分辨率的每行像素数量为2 048、每列像素数量为1 088，像素就是220万。

相机接口的作用就是将相机采集到的图像传输到机器视觉的控制器或电脑，也就是从硬件投送到软件。接口主要分为五类：网口型、USB3.0、Camera Link、FireWire和USB2.0。其中，网口型、USB3.0和Camera Link是现在比较常见的类型。网口型接口的传输距离比较长，在相机和电脑或控制器连接的现场可以达到100米。Camera Link传输速度快，所以实时性非常好。USB3.0则比较中规中矩，当然它的实时性也比较好。而FireWire和USB2.0可以说是上一代或上上代的技术，逐渐被抛弃的原因主要是因为传输速率和最大带宽的限制，达不到现在的应用要求。

镜头

工业镜头的主要功能就是光学成像，相当于动物的视网膜。假如只有相机，不接镜头，那么图像就是白茫茫一片，而把相机遮挡住，图像就是一片黑色，只有加上镜头之后才能成像。镜头对图像质量的影响主要是在分辨率、对比度、景深、失真和投影误差上。在影响图像质量的因素中，镜头在取像方面占的比重是比较大的。

常用的工业镜头主要由调光圈环、调焦环和锁定螺丝组成。镜头也可按光圈、焦距、视场等分类。光圈分为可调光圈和固定光圈，或者自动调节光圈和手动调节光圈。按视场分类，就是按照镜头能看到的范围大小分类，常用的工业镜头视场一般为50度左右，远视镜头视场为30度左右，一些超广角可以达到120度，还有一种特殊的鱼眼镜头可以超过180度。

工业镜头的基本参数有视野、工作距离、景深、相对孔径、最大相对孔径和光圈系数。

视野就是视场角，指的是图像采集设备所能覆盖的范围。

工作距离指的是镜头前端到被测物体之间的距离，是一个上下范围，当镜头距离待测物超过这个范围，就不能看到很清晰的成像。因为镜头一般都是手动可调焦距的，不可能说镜头一装到相机上之后，立马可以看到很清晰的图像。所以要手动调焦距，形成的被摄物体所处空间的长度，就是景深。

像相对孔径、最大相对孔径和光圈系数可作简单了解。

景深和镜头焦距、光圈的关系比较简单：光圈越小，景深越大；焦距越小，景深也越大。

关于光学精度，可以以30万分辨率的相机为例，它的水平方向有640个像素点，垂直方向有480个像素点。假如，某个长40毫米的物体刚好占满水平方向的640个像素点，那么光线精度就是0.062 5毫米/像素（40毫米除以640个像素点）。