機器視覺系統(tǒng)中，鏡頭作為機器的眼睛，其主要作用是將目標物體的圖像聚焦在圖像傳感器（相機）的光敏器件上。數(shù)據(jù)系統(tǒng)所處理的所有圖像信息均需要通過鏡頭得到，鏡頭的質(zhì)量直接影響到視覺系統(tǒng)的整體性能。 這一期鏡頭學堂將對機器視覺工業(yè)鏡頭相關(guān)參數(shù)做簡要介紹： 01焦距（EFL） 定義 透鏡中心到像方焦點的距離。 光學系統(tǒng)中的焦距用來衡量光學系統(tǒng)匯聚或發(fā)散光線的能力。 image.png 該如何理解焦距與視場角的關(guān)系呢？ 對于相同的感光元件，搭配的鏡頭焦距越長，視場角越小，反之成立（排除枕形畸變的影響)。 可以根據(jù)下面這組圖片來直觀的感受一下 image.png 注：使用同款感光芯片 02光圈數(shù)（F.No） 定義 焦距（EFL）與入瞳（D，光圈在物方空間的像）的比值，即F.No=EFL/D。 F.No數(shù)的大小是如何對畫面亮度、景深及裝配靈敏度產(chǎn)生影響的呢？ a．畫面亮度 F.No數(shù)的大小決定進入光學系統(tǒng)能量的多少。 F.No越大，進入光學系統(tǒng)的光線越少，畫面越暗；F.No越小，進入光學系統(tǒng)的光線越多，畫面越亮。 如下圖所示： image.png 注:此項默認相機曝光時間、增益等參數(shù)恒定。 b．景深 在其它所有參數(shù)保持一致的前提下，F(xiàn).No越大，景深越大；F.No越小，景深越小。 c．裝配靈敏度 F.No越大，圖像對安裝傾斜的靈敏度低，越易于裝配；F.No越小，圖像對安裝傾斜的靈敏度高，越不易于裝配。 03畸變（Distortion） 定義 光學系統(tǒng)中，由于光學透鏡固有的透視失真導(dǎo)致實際成像相對于被攝物體的失真程度。 光學畸變 OP Distortion 光學畸變指的是物體經(jīng)過光學系統(tǒng)所成的像對于物體本身而言的失真程度。 光學畸變計算方法： OP.Dist(%)=(實際像高－理想像高)/理想像高 × 100% TV 畸變 TV Distortion TV畸變指的是實際拍攝圖像時，像的變形程度。 TV畸變計算方法： TV.Dist(%)=(H1 - H2)/H TV畸變可分為枕形畸變和桶形畸變，對角線向外延長的變形（畸變值為正）稱作枕形畸變，反之，對角線向內(nèi)縮短的變形（畸變值為負負）稱作桶形畸變。 image.png 04視場角（Field of View） 定義 鏡頭在感光元器件上所能看到的空間角度范圍，即光學系統(tǒng)入瞳中心對物的張角或出瞳中心對像的張角。 視場角與焦距(EFL)的關(guān)系： 若Y為Sensor的半對角線長度，在不考慮光學系統(tǒng)畸變的前提下，對角線視場角（2θ）=2*arctan(Y/EFL)，如下圖所示： image.png 注：視場角與鏡頭焦距、Sensor靶面大小和鏡頭畸變有關(guān)： a.鏡頭焦距相同的情況下，Sensor靶面越大,視場角越大； b.Sensor靶面相同的情況下，鏡頭焦距越小,視場角越大； c. 鏡頭焦距和Sensor靶面都相同的情況下,枕形(負)畸變越大,視場角越大。 05清晰度（Resolution） 定義 分辨率和反差綜合表現(xiàn)的結(jié)果。 分辨率又稱分辨力、解析力、鑒別率、解析度，指的是鏡頭清晰的再現(xiàn)被攝景物細節(jié)的能力，分辨率越高的鏡頭，拍攝的圖像越清晰細膩。 清晰度也可以用像面上鏡頭在單位MM內(nèi)能夠分辨的線對數(shù)表示，單位是LP/MM，能夠分辨的線對數(shù)越多，代表鏡頭分辨率越高。如下圖所示： image.png 反差即對比度，用來形容圖像最亮處和最暗處的差別；用MTF（ModulationTransfer Function調(diào)制傳遞函數(shù)）來表示，MTF描述的是光學成像系統(tǒng)對各頻率分量對比度的傳遞特性，如下式所示： image.png 其中I’max和I’min表示像的最大和最小灰度值，Imax和Imin表示物的最大和最小灰度值。 很明顯，調(diào)制度介于0和1之間，調(diào)制度M越高，意味著反差越大；當圖像中的最大亮度和最小亮度相等，反差完全消失，此時調(diào)制度為0。 下圖為分辨率為10LP/MM，MTF在0.05~0.4之間的對比圖片，從下圖可以看出，人眼可接受的最小可分辨的MTF數(shù)值在0.15~0.2之間。 image.png MTF如何影響到鏡頭的整體成像效果？ 低頻率時的MTF值決定了圖像的對比度，高頻率時的MTF值決定了圖像的分辨力，MTF的優(yōu)劣直接影響到鏡頭的整體成像效果，如下圖： image.png A曲線: 曲線平滑下降,說明圖像的解像力和對比度均達到了較好的水平，見A圖; B曲線: 低頻率時的MTF值持續(xù)很高,說明圖像的對比度很好；但是高頻率時的MTF很低，說明圖像的解像力較差，見B圖； C曲線: 低頻率時的MTF值下降較快，說明圖像對比度較差;高頻時的MTF較B曲線高，說明圖像解像力效果比B好，見C圖； image.png 06相對照度（Relative Illumination） 定義 圖像邊緣亮度與中心亮度的比值。Sensor表面不同位置的照度的大小與該處入射于像面的光線入射角的Cosin四次方成正比。 相對照度<1? image.png 相對照度＜1的原因：中心視場與邊緣視場的有效通光孔徑不同(如左圖)，造成中心與邊緣的亮度差異。 07景深（Depth of Field） 定義 能夠在像平面上呈現(xiàn)清晰的像的物方空間深度范圍。 那么景深是如何計算的？又和哪些因素有關(guān)呢？ 可成清晰像的最遠的物平面稱為遠景平面，它與對準平面的距離成為后景深△L1；能成清晰像的最近物平面稱為近景平面，它與對準平面的距離稱為前景深△L2；景深=前景深+后景深，如下圖所示： image.png 前景深 ΔL1= FδL²/ （f² + FδL） 后景深 ΔL2= FδL²/ （f² - FδL） 景深 ΔL =ΔL1+ΔL2=2f²FδL²/（ f 4- F²δ²L²） δ——容許彌散圓直徑 f——鏡頭焦距 F——鏡頭的拍攝光圈值 L——對焦距離 ΔL1—— 前景深 ΔL2——后景深 ΔL——景深 由景深計算公式可以看出，景深與鏡頭使用的F.No 、 f焦距、拍攝距離以及對圖像質(zhì)量的要求(表現(xiàn)為容許彌散圓的大小)有關(guān)。 這些主要因素對景深的影響如下（假定其他的條件都不改變）： a. 鏡頭光圈： 光圈越大，景深越�。还馊υ叫�，景深越大； b. 鏡頭焦距: 鏡頭焦距越長，景深越��；焦距越短，景深越大； c. 拍攝距離: 距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。 08放大倍率（Magnification） 定義 像高和物高的大小之比。 放大倍率的計算方法： image.png 09靶面大�。∕ax Image Circle） 定義 感光元器件對角線尺寸。 image.png 靶面大小示意圖 image.png 10鏡頭接口（Mount） C接口是工業(yè)鏡頭最為常用的一種接口，其法蘭距(法蘭面距離感光芯片的距離)為17.526mm，螺紋規(guī)格:直徑1英寸，螺距1-32UNF； CS接口是監(jiān)控行業(yè)較為常用的一種接口，其法蘭距(法蘭面距離感光芯片的距離)為12.526mm，螺紋規(guī)格：直徑1英寸，螺距1-32UNF； 從下圖來直觀地了解C接口與CS接口區(qū)別： image.png a. C接口的相機不能搭配CS接口的鏡頭使用，會導(dǎo)致圖像不清晰； b. CS接口的相機可以搭配C接口的鏡頭使用，但是要使用5mm轉(zhuǎn)接圈才能正常聚焦； F接口是一種卡口型接口,法蘭距46.5mm，最早由Nikon為其35mm式相機而開發(fā)。目前較多的應(yīng)用在大靶面相機和線掃描相機上，使用此接口,鏡頭可輕松安裝和拆卸； M接口是一種螺紋接口,通常用于替換較大靶面相機的F接口，由接口直徑(42mm、58mm、72mm等)、螺距(0.75mm、1mm等)和法蘭距定義,種類較多； S接口是M接口的一種，規(guī)格：螺紋直徑12mm，螺距0.5mm。