机器视觉系统图像质量造成影响的因素

图像质量是衡量机器视觉系统检测效果的关键因素之一，会对系统的检测效果造成直接影响，特别是在自然光照条件下，图像质量随着光源条件的变化会有明显的不同。

对诸如“增益”和“曝光时间”等摄像头设置作出相应调解可对不稳定的环境光情况作出补偿，从而提高图像质量，稳定检测效果。那么影响机器视觉检测系统的图像质量因素有哪些呢？

对机器视觉系统图像质量造成影响的因素主要有以下几点：

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光源对成像质量的影响

机器视觉系统的核心是图像采集和处理。

所有信息均来源于图像之中，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。而光源则是影响机器视觉系统图像水平的重要因素，因为它具有放大图像的特征和缺陷，减弱混乱和背景的功能，直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。

不同类型的光源的稳定性是不同的，光源的不均匀也会影响图像质量，不同方向上的发光强度差异也会引起噪声。

通过适当的光源照明设计可以使图象中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图象处理的算法难度，同时提高系统的精度和可靠性。反之，如果光源设计不当，会导致在图像处理算法设计和成像系统设计中事倍功半。截止目前尚没有一个通用的机器视觉照明设备，因此针对每个特定的案例，要设计合适的照明装置，以达到最佳效果。

因此，光源及光学系统设计的成败是决定系统成败的首要因素。在机器视觉系统中，光源的作用至少有以下几种：

1）照亮目标，提高目标亮度；

2）形成最有利于图像处理的成像效果；

3）克服环境光干扰，保证图像的稳定性；

4）用作测量的工具或参照；

为了保障图像质量，根据最终应用的情况和感应器与扫描对象的距离，光源可由单独的设备提供，也可以是摄像头透镜周边的一部分。如果光源在摄像头周边，那么摄像头可与光源一起移动。

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镜头对成像质量的影响

机器视觉清晰准确的成像效果自然也与工业镜头的成像技术密不可分。据了解，影响镜头成像效果的因素涵盖镜片、光圈、景深等几种主要参数，目前受关注比较多的基本上是非球面镜片和大景深两大技术指标，下面就着重分析一下这两项技术指标对机器视觉镜头成像效果的影响。

非球面镜片技术指标

对于镜头来说，整个画面的清晰度是为重要的指标，这里重点强调的就是整个画面。

镜头镜片一般有球面和非球面两种，球面镜片因其具有固有球差、像散、场曲，使得画面的清晰度不高，尤其是画面边缘甚至会出现虚化等问题。相比之下，非球面镜片改善了球面镜片因固有而导致的画面局限性，有效的提高了画面边缘的清晰度，很大程度上避免了相差模糊现象的发生。

非球面镜片的清晰成像效果是无可厚非的，但是，相对的其成本也比较高，而这一点也正是导致非球面在工业应用中还不能达到普及程度的主要原因。不过，由于采用非球面镜片能够获取一个好的图像，因此还是有不少客户在使用，而非球面镜片市场也仍然是影响镜头成像效果重要的技术指标。

大景深技术指标

景深指的是相机可以清晰成像的距离范围，也就是说想要获得清晰的画面，就需要镜头有不错的景深，景深越大，画面的清晰范围就越大，图像放大后，远端的景物也依然可以看的清晰。

镜头的大景深能够增强画面清晰度，增大画面清晰面积，是足以影响镜头成像效果的一大技术指标。那么，我们在选择大景深镜头时，就可以通过成像后放大画面的清晰度来进行对比。

景深并不是一个独立存在的参数，它跟焦距，光圈、摄距等参数都有一定的关系。例如：光圈与景深是成反比的，光圈大，景深小;光圈小，景深大。焦距与景深也成反比，镜头焦距长，景深小;镜头焦距短，景深大。而摄距与景深则成正比，摄距远，景深大;摄距近，景深小。

除了以上两大技术指标外，还有一些因素也在影响着镜头的成像技术。例如：大光圈对画面的对比度就有着很大的影响，在光线暗淡的条件下，如果光圈不够大的话，画面就会显得暗淡，噪点增加，画面质量就会大幅下降。

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图像传感器对成像的影响

混叠现象

对图片进行离散采样并且采样频率低于目标空间频率时，就会产生混叠现象。此时可以观察到条状或者带状的图形（称为摩尔效应），这个图形类似于当两个纺织物前后交叠时的现象。

混叠现象在图像传感器的光电转换中有最重要的影响，这是因为：

（a）拍摄图片后的处理产生的莫尔条纹混叠现象，可以通过恰当的处理来避免。但是，在图像传感器采样中出现的没有办法消除。

（b）对通常使用的带有色彩滤波器的单色图像传感器，混叠现象经常以颜色的形式出现，因为色彩采样的频率是低于照度采样频率的，这是导致图像质量变差的重要因素。

色彩摩尔效应常常当作检查图像质量的标准，当目标中有高频分量时这种效应经常会出现。色彩摩尔效应有时体现为彩色的边界，即一个黑白图案的边缘处出现了错误的彩色。当对一个高频黑白目标拍摄时，通过检查误差色彩的产生来评估色彩摩尔效应。最常使用的图表是CZP（圆形波带板）图表，这是一个二维频率扫描图表，它是设计和估量光学低通滤波器的一个重要的工具。

拖尾、图像残留

图像在传感器输出端保持不变的现象，当持续时间较短时，这种现象称为拖尾；当持续时间较长或永久存在时，这种现象称为图像残留。固态图像传感器通常不会出现图像残留。然而，当传输效率不够高或者像素的复位电荷不足时，拖尾有时会出现。

暗电流

图像传感器是一种半导体器件，当它没有受到光照时，也会因为热效应造成泄露电荷，称为暗电流。通过减去黑像素（不受光照产生的像素）的输出值可以对空间均匀的暗电流进行消除。但是，不同像素中的暗电流是不同的，并且会给图像引入噪声，而且电荷转移隧道中的电荷累积部分也会产生暗电流。当在像素电荷转移隧道中的电荷转移的必要时间不恒定时，如电荷转移被暂停或者电荷被强制停滞时，暗电流就可能称为一个噪声源。

噪声级别是和下面两个因素成比例：①像素中产生噪声的累积时间；②转移隧道中产生噪声的等待时间。在实际应用中，暗电流强烈依赖于温度，这方面的相关性也需要考虑。

像素缺陷

在图像传感器的制造过程中一些杂质的引入等原因，一些像素具有过大的暗电流、读出信号的问题或者过低的像素敏感度等缺陷，这些像素输出固定的白色或黑色信号称为像素缺陷。像素缺陷经常被相邻的像素数据所取代来避免它出现在相机的输出中。但是，也有可能因为过多的像素缺陷而影响图像的质量。

高光溢出/漏光

由于强光入射到图像传感器的表面，常会产生一些不正常的信号，当一个像素的电荷处于饱和状态或者泄露到相邻像素中，称为高光溢出（blooming）。在CCD图像传感器中，当长波光照射到硅基上并穿透时，称为漏光（smear）。

白电平限幅/缺色/单调黑色

白电平限幅、缺色和单调黑色区域经常被观察到，一个原因是由于图像传感器没有足够的动态范围，另一个原因是图像传感器的操作点并不能被很好地控制住。当一个图像传感器记录一个拥有比传感器饱和值更高光照度的明亮区域时，白电平限幅就会出现。

由于具有饱和值的信号，饱和区域将会被记下，这会导致出现一个完全单调的白色区域。当图像传感器饱和区域的输出色彩信号只有一种或者两种色彩通道时，缺色现象就会出现，这将导致目标区域对应的色彩平衡度严重变差，从而影响图像质量。单调黑色会丢失由于图像传感器动态范围限制的细节，在重现图像时会导致灰度太低而在视觉上无法辨别，那么这个区域就会被视为单调黑色区域。导致单调黑色的首要原因是图像传感器和图片播放系统灰度信息的缺失。

空间随机噪声/固定模式噪声

随机噪声，毫无规律地分布在整个图像中，其对图像质量的影响并不大，在一定程度上是可以接受的。固定模式噪声，如白色条纹噪声和飞入噪声，更容易被检测到，也更影响图像质量。

热噪声/闪烁噪声

在图像传感器的放大器处理信号中和用于接收传感器输出的预处理电路中加入了噪声，这种噪声称为热噪声。热噪声可以通过降温来减少，但不能完全消除。随着像素尺寸的不断变小，量子效应也变得不可忽略，浙江导致图像传感器的信号大小会以不确定的量子效应进行波动。

这意味着即使目标图像均匀不变时，输出信号也会在时间和空间上进行随机的波动。闪烁噪声的大小与光子数量的均方根成比例，因此，信号和闪烁噪声的比值与信号值的均方根成比例。

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系统控制对成像的影响

对焦误差

即使镜头有理想的性能，如果对焦不准确，也不能获得理想的图像质量。如果目标物体在焦距之外，图像会变模糊，并且模糊的程度会随着与焦点偏移程度的扩大而增大，即在高频的情况下镜头的响应将会变差，这将导致分辨率和锐化度的严重恶化。另一方面，随着分辨率的降低，混叠也会降低。

曝光误差

如果曝光误差很大，那么由于信号超过了动态范围，丢失的信息变得不可弥补，从而无法获得理想的图像质量。而且，曝光误差将会增加各种噪声，包括量化误差。

白平衡误差

如果有白平衡误差，色彩就不能被精确地拍摄下来，图像质量也会受到影响。

照明闪烁的影响

交流电导致照明光常常会有闪烁，这会对控制系统和得到的图像造成影响，尤其是荧光灯这种类型的光源。

机器视觉系统的图像成像质量虽说受到众多因素的影响，但也都是在可控范围内，经过工程师的反复测试，确定好光源、镜头、相机等重要部件的使用可行性，就能保证系统的成像质量，满足机器系统的检测要求。

审核编辑 ：李倩