26、图像采集与光学基础全解析

图像采集与光学基础全解析

1. 图像采集系统特性

1.1 系统通信与相机配置

在图像采集过程中，系统会与图像采集卡进行通信。这样做的好处是可以节省用于配置相机的额外接口和命令集。而且，线扫描采集无需连续进行，图像处理系统能够随时启动和停止采集操作。

1.2 外部同步频率

为保证恒定的空间分辨率，相对运动和线频率之间需保持恒定比例。但实际中，被检测物体的旋转或线性运动很难完全稳定，会出现启动斜坡和转速的微小变化，这会导致数字图像中局部几何形状改变。为避免此问题，图像行的采集必须与被检测物体的运动同步。通常，所需的外部同步（ExSync）信号由与电机轴相连的旋转编码器生成。必要时，这些信号会通过分频器进行倍增，以获得比旋转编码器分辨率更高的线频率。

2. 光学基础

2.1 f - 数的概念

在讨论成像规律前，需要了解 f - 数的概念。它是镜头入瞳直径 d 与焦距 f 的比值的倒数，即 (k = \frac{f}{d})。光强度与相对孔径的平方成正比，与 f - 数的平方成反比，即 (E \propto (\frac{1}{k})^2)。这意味着 f - 数翻倍，光强度会降至原来的四分之一。

镜头通常有一系列标准光圈设置，即 f - 档，常见的 f - 数序列为：1.0、1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22、32 。相邻值的比值为 (\sqrt{2})，从一个 f - 数到下一个，光强度减半，若要在传感器上收集相同量的光，曝光时间需翻倍。镜头的最大相对孔径称为镜头速度，它限制了通过镜头的光量，进而影响使用该镜头拍摄图像所需的最小光照。