数码相机的构造与传统的胶片式相机（模拟式）基本相同。所不同的是数码相机中使用被称为 CCD 的光电转换元件代替胶片，图像则作为数字信息采入。
CCD 即相当于模拟式相机的胶片，那么它又是如何将图像转换为数字信号的呢？

CCD 是英语 Charge Coupled Device（电荷耦合元件）的缩写，是一种将图像转换为电信号的半导体元件。大小约为长宽各 1 厘米左右，由类似棋盘的格状排列的小像素 (pixel) 组成。

用相机拍摄风景时，拍摄对象发出的光通过镜头在 CCD 上成像。光到达 CCD 的某个像素时，将根据光的强度产生相应的电荷。将该电荷的大小读取为电信号，即可获得各像素上光的强度（浓度值）。

换言之，每个像素都是一个可以检测光强度的传感器（光电二极管）。所谓 200 万像素 CCD 就是一个由 200 万个光电二极管构成的集合体。

在检测位置及检测物体的尺寸均已确定的情况下，使用一个光电传感器就可以检测该位置是否存在该物体。但是，在生产线上的位置不确定、工件有不同尺寸，或者不只是检查工件是否存在，而是要测量工件大小、尺寸时，则使用一个光电传感器是远远不够的。
通过使用由数十万或数百万个传感器构成的 CCD，可以实现包括第一页中所述的四种检查在内的多种检查或检测。

前面谈到，CCD 的各像素可以检测光强度并使之数字化，而利用数十万到数百万个这样的数据就可以实现视觉系统。不知道大家是否可以理解？
作为本讲的最后部分，下面将简单说明一下各像素将光强度作为何种数据传给控制器、而控制器又是如何处理这样的数据的。

大部分图像传感器可以根据光强度将数据分为 256 个等级（8 位）。在最基本的黑白处理中，黑色（纯黑色）的数值为 “0”，白色（纯白色）的数值为 “255”，其它处于两者之间的颜色则根据光强度转换成其它数值。
换言之，CCD 的每一个像素都有一个位于 “0” （纯黑色）与 “255” （纯白色）之间的数值。例如，对于黑、白各占一半的灰色，其数值为“127”。

视觉系统器可以利用摄像元件 CCD 中各像素的 256 级浓度数据，检测面积（即像素数量）、位置（即浓度变化点）及损伤（浓度变化量）等。
通过高像素化（增加信息量）及高速化（更利于生产线作业），可以使视觉系统器更好地应用于各种生产活动中。

视觉系统过程大致可分为如下四步：

1、拍摄

按下快门，拍摄图像。

2、传送

将图像数据由照相机传送到控制器。

3、处理

前处理: 对于图像数据进行加工，使其特征更加明显。
测算处理: 根据图像数据对于损伤、尺寸等进行测算。

4、输出结果

将处理结果以信号的方式输出到相连的控制装置（ PLC 等）。

视觉系统流程图

大多数图像传感器制造商在产品目录中，对于第三步“处理”做了更多的说明。这表明这些厂家更重视控制器的处理能力。实际上，第一步“拍摄”才是得到正确、稳定的视觉系统效果所必需的最主要的步骤。而这一步的关键在于“镜头和照明的选择”在初级篇中，笔者将以“镜头的选择”为中心，介绍有关拍摄的知识。

• Q 以杯体内侧异物及污点为拍摄对象时，以下2张图像中，哪一张可以在全范围内检测出微小的污点？

• 答案当然是右侧的图像。

只有上半部分对焦的模糊图像

• 

• 
  

  杯体从上到下均对焦的图像

• 

无论所用的控制器性能多强，都无法检测出左图中的微小污点。
如果具备正确的知识，即便是杯体这种上下存在高度差的工件，也可拍摄出右图这种全范围对焦的优质图像。

• 镜头焦距越小，景深越大。

• 与拍摄对象距离越远，景深越大。
  →注意: 使用延伸环或微距镜头时，景深会变小。

• 光圈越小，景深越大。
  →对于同一只镜头而言，光圈越小，亮度越大，越容易聚焦。

下图所示为拍摄斜面上表示高度的胶带的情况。比较小光圈和大光圈时的拍摄效果。

下图是使用基恩士公司生产的高分辨率镜头 “CA-LH16” 和标准镜头 “CV-L16” 拍摄的同一物体的图像。
由于镜头的材料及构造的不同，造成图像质量也不相同。根据用途选择高分辨的镜头，可以得到高对比度的图像。

使用镜头  CA-LH16/CV-L16（基恩士）

检查目标物   复印纸

范 围   60mm/脏污大小: 约 0.3mm

下图所示是采用基恩士公司生产的 24 万像素照相机和 200 万像素照相机拍摄同一画面后，再经电脑放大后的图像。可以看到，使用 200 万像素照相机拍摄的图像更利于读取文字。这意味着成像质量可以直接影响视觉系统的精度。因此，应该根据使用目的，选择适宜的照相机。

放大图像的比较

200 万像素的图像在放大后，其边缘及细节仍然清晰。

参考: 不同照相机的成像质量

镜头的失真度是拍摄图像的中央部分与周围部分的变化比率。
由于存在像差，拍摄图像的周边部分会发生某种程度的扭曲现象。
失真可分为桶形失真和枕形失真两类。表示失真度的数值（绝对值）越小，则镜头的精度越高。
在测量尺寸时，应使用失真度小的镜头。一般说来，长焦距镜头的失真度会相对小一些。

拍摄图像的质量是视觉系统的基础。在了解了选择镜头的基础知识后，可以拍摄出：

1. 视野适宜，

2. 图像整体聚焦良好，

3. 亮度、目标物和背景对比度俱佳的清晰图像。

   
   

• 1、选择照明的方式（镜面反射光、漫反射光、透射光等）

• 观察检测部位的特点（损伤、形状、有无等）。

• 观察表面（平面、曲面、是否有凹凸不平等）加以决定。

• 2、选择照明的方法*形状

• 根据工件条件、设置条件等加以决定。

• 环形光、低角度光、同轴光、碗光等。

• 3、选择照明的颜色（波长）

• 根据工件和背景的材料、颜色等加以决定。

• 蓝色、红色、白色等。

LED 照明种类繁多，大体上可以分为如下三种。

• 镜面反射型：

  镜头接收的光线是来自拍摄对象的镜面反射光线。

• 漫反射型：

  避开来自拍摄对象的镜面反射光，而接收整体、均一的光线。

• 透射型：

  接收来自拍摄对象背景的光线。是一种检测轮廓的照明方式。

最后根据工件及背景来选择光源颜色。
使用彩色照相机时一般会使用白光。如果使用黑白照相机，则需要掌握下面介绍的知识。

利用补色进行检测

为了检测纸箱中是否有红色包装的点心，分别使用了白色、红色及黑色的 LED 光源。下图所示为三种光源造成的对比度差异。

• 

小知识

补色：
色相环图中相对的颜色互为补色。用补色光照射时会产生近似黑色的效果。

利用波长进行检测

透过包装薄膜拍摄晶片上的刻印文字。与蓝色相比，选择薄膜透射率更高（散射率较低）的红色光源可以产生更好的反差。

波长不同的光线具有不同的颜色、透射率（例如波长较大的红色光线具有较高的透射率）、散射率（例如波长较小的蓝色光线具有较大有散射率）等特性。

选择适宜的光源可以得到良好的拍摄效果，从而有利于提高视觉系统效果。
选择光源时有一定的规律可循。一般说来，可按照下列步骤选择最理想的光源。

• 决定镜面反射、漫反射、透射

• 决定光源形状（制式）和尺寸

• 决定光源颜色（波长）