數(shù)碼相機的構造與傳統(tǒng)的膠片式相機（模擬式）基本相同。所不同的是數(shù)碼相機中使用被稱為 CCD 的光電轉換元件代替膠片，圖像則作為數(shù)字信息采入。
CCD 即相當于模擬式相機的膠片，那么它又是如何將圖像轉換為數(shù)字信號的呢？

CCD 是英語 Charge Coupled Device（電荷耦合元件）的縮寫，是一種將圖像轉換為電信號的半導體元件。大小約為長寬各 1 厘米左右，由類似棋盤的格狀排列的小像素 (pixel) 組成。

用相機拍攝風景時，拍攝對象發(fā)出的光通過鏡頭在 CCD 上成像。光到達 CCD 的某個像素時，將根據(jù)光的強度產(chǎn)生相應的電荷。將該電荷的大小讀取為電信號，即可獲得各像素上光的強度（濃度值）。

換言之，每個像素都是一個可以檢測光強度的傳感器（光電二極管）。所謂 200 萬像素 CCD 就是一個由 200 萬個光電二極管構成的集合體。

在檢測位置及檢測物體的尺寸均已確定的情況下，使用一個光電傳感器就可以檢測該位置是否存在該物體。但是，在生產(chǎn)線上的位置不確定、工件有不同尺寸，或者不只是檢查工件是否存在，而是要測量工件大小、尺寸時，則使用一個光電傳感器是遠遠不夠的。
通過使用由數(shù)十萬或數(shù)百萬個傳感器構成的 CCD，可以實現(xiàn)包括第一頁中所述的四種檢查在內的多種檢查或檢測。

前面談到，CCD 的各像素可以檢測光強度并使之數(shù)字化，而利用數(shù)十萬到數(shù)百萬個這樣的數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)視覺系統(tǒng)。不知道大家是否可以理解？
作為本講的最后部分，下面將簡單說明一下各像素將光強度作為何種數(shù)據(jù)傳給控制器、而控制器又是如何處理這樣的數(shù)據(jù)的。

大部分圖像傳感器可以根據(jù)光強度將數(shù)據(jù)分為 256 個等級（8 位）。在最基本的黑白處理中，黑色（純黑色）的數(shù)值為 “0”，白色（純白色）的數(shù)值為 “255”，其它處于兩者之間的顏色則根據(jù)光強度轉換成其它數(shù)值。
換言之，CCD 的每一個像素都有一個位于 “0” （純黑色）與 “255” （純白色）之間的數(shù)值。例如，對于黑、白各占一半的灰色，其數(shù)值為“127”。

視覺系統(tǒng)器可以利用攝像元件 CCD 中各像素的 256 級濃度數(shù)據(jù)，檢測面積（即像素數(shù)量）、位置（即濃度變化點）及損傷（濃度變化量）等。
通過高像素化（增加信息量）及高速化（更利于生產(chǎn)線作業(yè)），可以使視覺系統(tǒng)器更好地應用于各種生產(chǎn)活動中。

視覺系統(tǒng)過程大致可分為如下四步：

1、拍攝

按下快門，拍攝圖像。

2、傳送

將圖像數(shù)據(jù)由照相機傳送到控制器。

3、處理

前處理: 對于圖像數(shù)據(jù)進行加工，使其特征更加明顯。
測算處理: 根據(jù)圖像數(shù)據(jù)對于損傷、尺寸等進行測算。

4、輸出結果

將處理結果以信號的方式輸出到相連的控制裝置（ PLC 等）。

視覺系統(tǒng)流程圖

大多數(shù)圖像傳感器制造商在產(chǎn)品目錄中，對于第三步“處理”做了更多的說明。這表明這些廠家更重視控制器的處理能力。實際上，第一步“拍攝”才是得到正確、穩(wěn)定的視覺系統(tǒng)效果所必需的最主要的步驟。而這一步的關鍵在于“鏡頭和照明的選擇”在初級篇中，筆者將以“鏡頭的選擇”為中心，介紹有關拍攝的知識。

• Q 以杯體內側異物及污點為拍攝對象時，以下2張圖像中，哪一張可以在全范圍內檢測出微小的污點？

• 答案當然是右側的圖像。

只有上半部分對焦的模糊圖像

• 

• 
  

  杯體從上到下均對焦的圖像

• 

無論所用的控制器性能多強，都無法檢測出左圖中的微小污點。
如果具備正確的知識，即便是杯體這種上下存在高度差的工件，也可拍攝出右圖這種全范圍對焦的優(yōu)質圖像。

• 鏡頭焦距越小，景深越大。

• 與拍攝對象距離越遠，景深越大。
  →注意: 使用延伸環(huán)或微距鏡頭時，景深會變小。

• 光圈越小，景深越大。
  →對于同一只鏡頭而言，光圈越小，亮度越大，越容易聚焦。

下圖所示為拍攝斜面上表示高度的膠帶的情況。比較小光圈和大光圈時的拍攝效果。

下圖是使用基恩士公司生產(chǎn)的高分辨率鏡頭 “CA-LH16” 和標準鏡頭 “CV-L16” 拍攝的同一物體的圖像。
由于鏡頭的材料及構造的不同，造成圖像質量也不相同。根據(jù)用途選擇高分辨的鏡頭，可以得到高對比度的圖像。

使用鏡頭  CA-LH16/CV-L16（基恩士）

檢查目標物   復印紙

范 圍   60mm/臟污大小: 約 0.3mm

下圖所示是采用基恩士公司生產(chǎn)的 24 萬像素照相機和 200 萬像素照相機拍攝同一畫面后，再經(jīng)電腦放大后的圖像?？梢钥吹?，使用 200 萬像素照相機拍攝的圖像更利于讀取文字。這意味著成像質量可以直接影響視覺系統(tǒng)的精度。因此，應該根據(jù)使用目的，選擇適宜的照相機。

放大圖像的比較

200 萬像素的圖像在放大后，其邊緣及細節(jié)仍然清晰。

參考: 不同照相機的成像質量

鏡頭的失真度是拍攝圖像的中央部分與周圍部分的變化比率。
由于存在像差，拍攝圖像的周邊部分會發(fā)生某種程度的扭曲現(xiàn)象。
失真可分為桶形失真和枕形失真兩類。表示失真度的數(shù)值（絕對值）越小，則鏡頭的精度越高。
在測量尺寸時，應使用失真度小的鏡頭。一般說來，長焦距鏡頭的失真度會相對小一些。

拍攝圖像的質量是視覺系統(tǒng)的基礎。在了解了選擇鏡頭的基礎知識后，可以拍攝出：

1. 視野適宜，

2. 圖像整體聚焦良好，

3. 亮度、目標物和背景對比度俱佳的清晰圖像。

   
   

• 1、選擇照明的方式（鏡面反射光、漫反射光、透射光等）

• 觀察檢測部位的特點（損傷、形狀、有無等）。

• 觀察表面（平面、曲面、是否有凹凸不平等）加以決定。

• 2、選擇照明的方法*形狀

• 根據(jù)工件條件、設置條件等加以決定。

• 環(huán)形光、低角度光、同軸光、碗光等。

• 3、選擇照明的顏色（波長）

• 根據(jù)工件和背景的材料、顏色等加以決定。

• 藍色、紅色、白色等。

LED 照明種類繁多，大體上可以分為如下三種。

• 鏡面反射型：

  鏡頭接收的光線是來自拍攝對象的鏡面反射光線。

• 漫反射型：

  避開來自拍攝對象的鏡面反射光，而接收整體、均一的光線。

• 透射型：

  接收來自拍攝對象背景的光線。是一種檢測輪廓的照明方式。

最后根據(jù)工件及背景來選擇光源顏色。
使用彩色照相機時一般會使用白光。如果使用黑白照相機，則需要掌握下面介紹的知識。

利用補色進行檢測

為了檢測紙箱中是否有紅色包裝的點心，分別使用了白色、紅色及黑色的 LED 光源。下圖所示為三種光源造成的對比度差異。

• 

小知識

補色：
色相環(huán)圖中相對的顏色互為補色。用補色光照射時會產(chǎn)生近似黑色的效果。

利用波長進行檢測

透過包裝薄膜拍攝晶片上的刻印文字。與藍色相比，選擇薄膜透射率更高（散射率較低）的紅色光源可以產(chǎn)生更好的反差。

波長不同的光線具有不同的顏色、透射率（例如波長較大的紅色光線具有較高的透射率）、散射率（例如波長較小的藍色光線具有較大有散射率）等特性。

選擇適宜的光源可以得到良好的拍攝效果，從而有利于提高視覺系統(tǒng)效果。
選擇光源時有一定的規(guī)律可循。一般說來，可按照下列步驟選擇最理想的光源。

• 決定鏡面反射、漫反射、透射

• 決定光源形狀（制式）和尺寸

• 決定光源顏色（波長）