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机器视觉基础知识介绍

内部公开. 机器视觉基础知识介绍. Jun, 2013. 目录. 机器视觉系统基本原理 照明光源 镜头 工业摄像机 图像采集 / 处理卡 图像处理系统. 机器视觉的系统原理. 机器视觉系统的目的就是给机器或自动生产线添加一套视觉系统，其原理是由计算机或图像处理器以及相关设备来模拟人的视觉行为，完成得到人的视觉系统所得到的信息 。 人 的视觉系统是由眼球、神经系统及大脑的视觉中枢 构成。 计算机视觉 系统则是由图像采集系统、图像处理系统及信息综合分析处理系统构成。. 机器视觉系统构成. 照明 光源 镜头 工业摄像机 图像 采集 / 处理 卡 图像处理系统

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机器视觉基础知识介绍

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Presentation Transcript

  1. 内部公开 机器视觉基础知识介绍 Jun, 2013

  2. 目录 • 机器视觉系统基本原理 • 照明光源 • 镜头 • 工业摄像机 • 图像采集/处理卡 • 图像处理系统

  3. 机器视觉的系统原理 • 机器视觉系统的目的就是给机器或自动生产线添加一套视觉系统，其原理是由计算机或图像处理器以及相关设备来模拟人的视觉行为，完成得到人的视觉系统所得到的信息。 • 人的视觉系统是由眼球、神经系统及大脑的视觉中枢构成。 • 计算机视觉系统则是由图像采集系统、图像处理系统及信息综合分析处理系统构成。

  4. 机器视觉系统构成 • 照明光源 • 镜头 • 工业摄像机 • 图像采集/处理卡 • 图像处理系统 • 其它外部设备

  5. 人类视觉和机器视觉比较

  6. 目录 • 机器视觉系统基本原理 • 照明光源 • 镜头 • 工业摄像机 • 图像采集/处理卡 • 图像处理系统

  7. 照明光源 照明系统是机器视觉系统最为关键的部分，直接关系到系统的成败，其重要性无论如何强调都是不过分的。好的照明设计能够使我们得到一幅好的图像，从而改善整个系统的分辨率，简化软件的运算，而不合适的照明，则会引起很多问题。机器视觉中的光源起到如下作用： • 照亮目标，提高亮度； • 形成有利于图像处理的成像效果； • 克服环境光干扰，保证图像稳定性； • 用作测量的工具或参照物 。

  8. 照明光源主要参数 • 光源的光谱分布： 对于色彩检测的应用，应选择与日光接近的光源，光谱要宽，而且连续。光源照射在物体上，物体所产生的颜色效果要客观、真实，既光源的显色性好。其它场合可使用各种单色光和特殊光源。 • 色温，单位是开尔文（K）： 当光源所发出的光的颜色与“黑体”在某一温度下辐射的颜色相同时，“黑体的温度就称为该光源的色温。“黑体”的温度越高，光谱中蓝色的成分则越多，而红色的成分则越少。例如：白炽灯的光色是暖白色，其色温为2700K左右，而日光色荧光灯的色温则是6400K左右。白炽灯的色温一般在2700K左右、日光灯的色温在2700-6400K左右、钠灯的色温在2000K左右

  9. 照明光源主要参数 • 照度： 单位被照面上接收到的光通量称为照度。如果每平方米被照面上接收到的光通量为1（lm），则照度为1(lx)。单位：勒克斯（lx或Lux）。1勒克斯（lx）相当于每平方米被照面上光通量为1流明（lm）时的照度。在高速运动条件下拍摄图像，曝光时间很短，只有高亮度的光源才能得到足够亮度的图像。 • 夏日阳光下 100000Lux • 阴天室外 10000Lux • 电视台演播室 1000Lux • 距60W台灯60cm桌面 300Lux • 室内日光灯 100Lux • 黄昏室内 10Lux • 20cm处烛光 10-15Lux • 晴朗的月夜地面照度约0.2 lx

  10. 照明光源主要参数 • 寿命：光源的半衰期要长，且在半衰期内，光谱稳定，亮度衰减小。 • 发热特性：光源的工作温度要低，避免高温损坏被检测物。 • 信噪比高：抗干扰能力强。 • 闪烁频率：交流、直流。 • 外形尺寸：便于安装。

  11. 照明光源分类 • 按照射方式可分为四大类: • 背向照明 • 前向照明 • 结构光 • 频闪照明。 各种照明方式：平面照明、环形光源、同轴光源、平行光源、点光源、低角度光源、线光源、光栅；

  12. 照明光源分类

  13. 目录 • 机器视觉系统基本原理 • 照明光源 • 镜头 • 工业摄像机 • 图像采集/处理卡 • 图像处理系统

  14. 工业镜头的基本参数 镜头基本参数示意图 • 视场(Field of view, 即FOV，也叫视野范围) ：指观测物体的可视范围，也就是充满相机采集芯片的物体部分。（视场范围是选型中必须要了解的） • 工作距离(Working Distance,即WD):指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离（选型必须要了解的问题，工作距离是否可调？包括是否有安装空间等） • 分辨率：图像系统可以测到的受检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好。 • 景深 (Depth of view，即DOF)：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力（需要了解客户对景深是否有特殊要求？）

  15. 工业镜头的其他参数 • 感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视场非常重要。镜头主要缩放比例 (PMAG) 由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。 • 焦距（f）：焦距是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是照相机中，从镜片中心到底片或CCD等成像平面的距离。f={工作距离/视野范围长边（或短边）}X CCD长边（或短）焦距大小的影响情况： 焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低。

  16. 工业镜头的其他参数 • 解析度表示一组物镜所能见到了2点的最小间隔0.61x 使用波长(λ)/ NA=解析度(μ)以上的计算方法理论上可以计算出解析度，但不包括失真。※使用波长为550nm • 解像力１mm中间可以看到黑白线的条数。单位（lp）/mm. • MTF（Modulation Transfer Function）成像时再现物体表面的浓淡变化而使用的空间周波数和对比度。

  17. 工业镜头的其他参数 • 失真（distortion）：衡量镜头性能的指标之一，又称畸变，指被摄物平面内的主轴外直线，经光学系统成像后变为曲线，则此光学系统的成像误差称为畸变。畸变像差只影响影像的几何形状，而不影响影像的清晰度。 • 光圈与F值光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1.4，f2，f2.8 etc。

  18. 工业镜头各参数间相互影响关系 光圈大小的影响情况： 光圈越大，图像亮度越高； 景深越小，分辨率越高； 像场中央与边缘： 一般像场中心较边缘分辨率高； 像场中心较边缘光场照度高。 光波长度的影响： 在相同的工业相机及镜头参数条件下，照明光源的光波波长越短，得到的图像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置测量的视觉系统中，尽量采用短波长的单色光作为照明光源，对提高系统精度有很大的作用。

  19. 光学放大倍数 用于计算主要缩放比例的公式如下： PMAG   =  感光芯片尺寸 (mm) / 视场 (mm) 主要缩放比例、感光芯片尺寸和视场的关系示意图

  20. 光学放大倍数

  21. 显示放大倍数 • 显示放大倍率在显微中应用非常广泛，被测物体的显示放大倍率取决于三个因素：镜头光学倍率、工业相机感光芯片的尺寸（靶面大小）、显示器尺寸。 • 显示放大倍率=镜头光学倍率×显示器尺寸×25.4/耙面对角线尺寸

  22. 工业镜头分类 • 按焦距划分：定焦和变焦 • 按光圈划分：固定光圈和可变光圈 • 按接口划分：C接口、CS接口、F接口等 • 按倍数划分：定倍镜头、连续变倍镜头 • 机器视觉行业常用到的很重要的镜头主要包括FA镜头，远心镜头和工业显微镜 等

  23. 常见镜头 定焦镜头 定倍远心镜头 Navitar zoom6000 连续变倍镜头 Navitar zoom6000 连续变倍镜头组件

  24. 工业镜头选择要点 • 视野范围、光学放大倍数及期望的工作距离：在选择镜头时，我们会选择比被测物体视野稍大一点的镜头，以有利于运动控制。 • 景深要求：对于对景深有要求的项目，尽可能使用小的光圈；在选择放大倍率的镜头时，在项目许可下尽可能选用低倍率镜头。如果项目要求比较苛刻时，倾向选择高景深的尖端镜头。 • 芯片大小和相机接口 ：例如2/3”镜头支持最大的工业相机耙面为2/3”,它是不能支持1英寸以上的工业相机。 • 注意与光源的配合，选配合适的镜头 。 • 可安装空间：在方案可选择情况下，让客户更改设备尺寸是不现实的。

  25. 目录 • 机器视觉系统基本原理 • 照明光源 • 镜头 • 工业摄像机 • 图像采集/处理卡 • 图像处理系统

  26. 工业摄像机分类--按芯片类型 按不同芯片类型划分： • CCD摄像机CCD称为电荷耦合器件，CCD实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存起来的方法。 • CMOS摄像机CMOS称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含义。CMOS可以将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口控制电路集成在一块硅片上，具有结构简单、处理功能多、速度快、耗电低、成本低等特点。

  27. 工业摄像机分类--按像素排列方式 • 面阵摄像机 • 黑白摄像机 • 采用BAYER转化的单片相机 • 3CCD彩色摄像机（分光棱镜） • 线阵摄像机 • 黑白摄像机 • 3Line彩色摄像机 • 3CCD彩色摄像机（分光棱镜）

  28. 工业摄像机分类--按输出图像信号格式 • 模拟摄像机 • PAL（黑白为CCIR），中国，625行，50场 • NTSC（黑白为EIA），日本，525行，60场 • SECAM • S-VIDEO • 分量传输 • 数字摄像机 • IEEE1394 • USB2.0 • DCOM3 • RS-644 LVDS • Channel Link • Camera Link • 千兆网

  29. 工业摄像机主要参数 • 分辨率 • 帧率/行频 • 成像灵敏度 • 靶面尺寸 • 快门速度 • 光谱响应特性 • 白平衡 • 外同步与外触发

  30. 目录 • 机器视觉系统基本原理 • 照明光源 • 镜头 • 工业摄像机 • 图像采集/处理卡 • 图像处理系统

  31. 图像采集/处理卡主要功能 图像采集卡的主要功能： • A/D转换 • 图像传输 • 图像采集控制 • 图像处理（FPGA、DSP）

  32. 图像采集/处理卡分类 • 模拟量图像采集卡: • 标准视频信号采集: PAL、NTSC • 非标准视频信号采集 • 数字量图像采集卡 • IEEE1394卡 • RS-644 LVDS • Channel Link LVDS • Camera Link LVDS • 千兆网图像传输卡/传输器

  33. 目录 • 机器视觉系统基本原理 • 照明光源 • 镜头 • 工业摄像机 • 图像采集/处理卡 • 图像处理系统

  34. 图像处理系统 图像处理系统或计算机的作用是执行图像处理及分析软件，调用根据检测功能所特殊设计的一系列图像处理及分析算法模块，对图像数据进行复杂的计算和处理，最终得到系统设计所需要的信息，然后通过与之相连接的外部设备以各种形式输出检测结果及响应。其外部输出设备可以包括显示器、网络、打印机、报警器及各种控制信号。

  35. 图像处理系统 • 嵌入式图像处理系统： DSP、 FPGA、CPU • 基于PC的视觉系统：结构及功能复杂，可多路并行处理。 • 小型机器视觉系统：结构简单，稳定性好，开发周期长。 可二次开发的视觉系统：PPT、DVT、VC、Halcon等

  36. 机器视觉及图像处理常用算法 • 滤波（平滑、降噪） • 增强 • 边缘锐化 • 纹理分析（去骨架、连通性） • 图像分割，灰度、色彩、频谱特征、纹理特征、空间特征； • 变换(空域和频域、几何变换、色度变换） • 几何形态分析（Blob分析），形状、边缘、长度、面积、圆形度位置、方向、数量、连通性等 • 搜索匹配 • 文字识别OCR，印刷质量OCV • 色彩分析（色度、色密度、光谱、自动白平衡） • 3维测量

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