鏡頭基本原理及概念 論壇中開始有朋友問：應該用什么樣的鏡頭？很高興看到這類的問題，因為這讓我感覺到問這些問題的朋友是真地在作項目----只有在作項目的過程中才會遇到這類實際問題。 其實，有關鏡頭部分如系列文章應該找一個從事光學專業(yè)的朋友來講。由我在這里胡說八道，很有些不倫不類的味道。不過，一來只是講一些入門的淺顯的知識，自信還勉強湊合；二來說到底我是作機器視覺的。比光學專業(yè)的朋友更了解我們這一行的需要。還是那句老話：如有錯誤，還望方家指正。 先介紹一下有關鏡頭且與視覺系統(tǒng)有關的基本概念（這些概念大家在開發(fā)或使用系統(tǒng)時，會用得到）。如圖所示： 1，成象面。成象面是入射光通過鏡頭后所成象的平面。這個面是一個圓形。
2，CCD芯片（或底片）。相機拍照的原理是一樣的，無論家用相機還是CCD相機。都是由一個裝置（CCD芯片或底片）來感光。大家在CCD相機的產品說明書中?？吹剑?/2",2/3",1/3"這是什么意思呢？這指的CCD芯片對角線長度，單位是英寸。一般上大家所使用的CCD相機，有1/2,2/3,1/3及1英寸4種大小。 小結1，成象面與鏡頭本身的設計及生產有關。大家一看就知道，成象自然是越大越好了。可是有些廠家的鏡頭由于設計或生產上達不到技術要求，所以成象面會較小。這就是為什么有些鏡頭不能支持1/2"或1"相機，而有些卻可以?，F(xiàn)在大家可以明白了，這是因為這些鏡頭的成象面小過相機的CCD芯片，所以不能用在這種相機上。因此，大家在選用鏡頭時，用注意的*點，就是該鏡頭的成象面與你所用的CCD相機是否匹配。通常在鏡頭的規(guī)格說明書中都應該有這一項：適用于多大尺寸的CCD。不過許多國產鏡頭的規(guī)格說明書中卻沒有。這一點大家留意，不要買了不能用的鏡頭。其實硬要用也可以，只不過你會看到在你四方窗口中是一圓形的圖象，圓形以外的地方都是黑色（呈日本太陽旗狀）。 3，焦距。是鏡頭到成象面的距離。相信大家都知道什么50MM鏡頭，25MM鏡頭及35~70變焦鏡頭等。這些鏡頭名稱里的數(shù)字就指的是鏡頭到成象面的距離，單位是MM。焦距，這個概念本身沒有太多含義，但是它和其他的概念卻有著直接關系。下面我們會一一解釋。
4，視角。視角不用多說，就是視線的角度，也就是鏡頭能“看”多“寬”。
5，工作距離。指的是鏡頭的zui下端到景物之間的距離。這也很容易理解，不必多說。不過有一點需要提醒大家的是，普通的鏡頭都可以看到無限遠，也就是說是沒有上限的。所以，一般上大家需要注意的是“zui小工作距離”。在鏡頭上我們可以看到兩個刻有刻度的調節(jié)圈，一個是調節(jié)光圈的；另一個是調焦的。在調焦的刻度圈上會清楚地標明此鏡頭的工作距離從zui近到zui遠是多少到多少。
6，視野。視野是一個大家在論壇上常常聽別人提到的概念。所指的是鏡頭所能“看”到的zui大范圍，也就是鏡頭所能夠覆蓋的有效工作區(qū)域。
7，景深。與視野相似，不同的只是景深指的縱深的范圍。而視野是橫向的范圍。 小結2，以上幾個概念是相互有關聯(lián)的。其關系是：焦距越?。灰暯窃酱?；zui小工作距離越短；視野越大。其實這幾個概念這間，是有計算公式可以相互換算的。不過那是搞光學的人的事情，和我們無關。以zui常用的三種鏡頭（50MM，25MM，16MM）為例，大家只要簡單地記?。?0MM的鏡頭焦距自然是zui大的，所以50MM鏡頭的視角就zui小，而視野就zui小，zui小工作距離卻是zui遠的；25MM的鏡頭焦距中間的，所以25MM鏡頭的視角居中，而視野也是中等，zui小工作距離同樣是中等；16MM的鏡頭焦距自然是zui小的，所以16MM鏡頭的視角就zui大，而視野也就zui大，zui小工作距離是zui近的。知道了這些，大家可能還是一片迷茫。舉個具體的例子。 真正作過系統(tǒng)應用的人都會有過這樣的經(jīng)驗，系統(tǒng)所要安裝的環(huán)境往往是已經(jīng)確定的了。說白了就是，常常人家已經(jīng)預先留下一個空間給你，用來安裝你的視覺檢測系統(tǒng)。而這個空間就這么大，不能再大（或不能再小）。那么首先系統(tǒng)的高度就與我們的zui小工作距離有關了：人家只給你留下0.5M高度的空間，可是你非用zui小工作距離是1M的50MM鏡頭，這當然就不行。所以現(xiàn)在你就可以大概算出（看看鏡頭上調焦圈上的刻度）應該用什么樣的鏡頭可以放到這么大的空間中去。 小結3，還有幾個相關的因素。一是鏡頭的畸變；二是鏡頭與光線強度的相互影響。
鏡頭的畸變是與鏡頭的焦距成反比的，仍以上述三種鏡頭為例：50MM鏡頭畸變是zui小的；16MM鏡頭的畸變是zui大的。與我們有什么關系呢？很簡單，如果你的系統(tǒng)是用來測量的（如長度），自然是畸變越小越好。因此就不宜用50MM焦距以下的鏡頭；如果你的系統(tǒng)只是用來認識字符，那么畸變大小與你就沒什么關系，用什么鏡頭都可以。 光線與鏡頭又有什么關系呢？在燈源位置固定的情況下，光線的強度，與鏡頭的工作距離有直接關系。工作距離越遠，光線強度就越弱（圖象亮度也就越暗）。二者間的關系是幾何級的，就是說工作距離增長一倍（由1變?yōu)?），光線就會弱4倍。同時，工作距離越長（鏡頭距被測物越遠），所成圖象受噪光的影響就越大。比如說，機器在放在室內運行的，假設你的系統(tǒng)的工作距離很遠，而你的視覺系統(tǒng)上方又剛好就有一盞燈的話（其實這常常會發(fā)生）。那么，你就很危險了，因為那燈開還是沒開，甚至此燈的電壓穩(wěn)不穩(wěn)，都會直接影響你系統(tǒng)運行的結果。 結束前，我們來總結一下全篇：對于普通的鏡頭來說，應該如何選擇鏡頭？
1，工作距離越近越好（當然，這要根據(jù)系統(tǒng)的安裝環(huán)境而定）。
2，鏡頭的畸變越小越好（對于測量系統(tǒng)尤其重要）。
3，視野越大越好（能看多少看多少）。 在我的所作過的視覺系統(tǒng)中，拋開那些高精度的測量系統(tǒng)不談。我只用過4種鏡頭，50MM及35MM是zui常用的；75MM的鏡頭，偶爾用在工作距離很遠的情況下；16MM的鏡頭偶爾用在工作距離很近的情況下。其它沒了！ 什么是鏡頭的畸變？這是光學范疇內的問題，在光學中自有它自己的標準定義。我沒資格在這“開牙”，不過用通俗一點的話來講就是，用相機拍照所成的圖象會變形。舉個一點的例子，我們都有用家里的普通相機拍照留念的經(jīng)驗。有一種鏡頭叫“廣角鏡頭”更狠一點的干脆就叫“魚眼鏡頭”，用這類鏡頭拍照片，你就會發(fā)現(xiàn)照片四邊處的成象是彎曲的。這種現(xiàn)象就是由于“鏡頭的畸變”所造成的。說“魚眼鏡頭”的例子，是因為“魚眼鏡頭”是一種大畸變鏡頭。 是鏡頭就有畸變，區(qū)別只是畸變有大有小。而對于視覺檢測系統(tǒng)來說，當然希望所用的鏡頭畸變越小越好。這是因為視覺系統(tǒng)進行檢測時，都是在相機成象的圖象上進行的。如果相機成象就“歪”了的話，系統(tǒng)檢測所得出的結果也“正”不到哪去----這就有點上梁不正下梁歪的意思 視覺系統(tǒng)對于鏡頭畸變的矯正，有兩種方法：即從硬件著手或是從軟件著手。從硬件著手的方法很簡單：用畸變很小的鏡頭就好了。這種鏡頭叫遠心成象鏡頭（ecentric lens），價格昂貴，是普通鏡頭價格的6，7倍以上。但所謂物有所值，這種鏡頭的畸變都在1%以下，有的可以到0.1%。所以絕大多數(shù)高精度的視覺測量系統(tǒng)，都用此類鏡頭；第二種方法是從軟件下手。在作“相機標定”時，利用標定標準模塊上的點陣來計算。具體的方法是：在完成了“相機標定”后，根據(jù)已知的測量得出的點陣中每個點的大小值，去分析點陣中處于外圍的點的大小，與處于點陣內圈的點的大小的不同。通過對比便可得出一個比值，這個比就是鏡頭的畸變。有了外個比值，在作實際測量時就可以對畸變作出矯正。不過除非是為了省錢----省下買遠心鏡頭的錢----很少有人用軟件去矯正畸變，原因是計算太過復雜。 |
