2D機(jī)器視覺概述 機(jī)器視覺組成 AOI機(jī)器視覺的系統(tǒng)組成與人的組成相似,相機(jī) 就像人的眼睛（eye),只不過天生是近視眼,所以 一般需要在它的前面加一個(gè)鏡頭,就像近視 的人戴眼鏡一樣.當(dāng)然,人沒有光源,就看不 清任何物體,所以視覺系統(tǒng)也一樣,需要光 源.采集卡相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng),傳輸數(shù)據(jù).

相機(jī)

鏡頭2D視覺基本組成: 工業(yè)相機(jī) 工業(yè)鏡頭 工業(yè)光源 圖像采集卡,光源

2D機(jī)器視覺概述 2D視覺能做什么 機(jī)器視覺的系統(tǒng)就像人的眼睛,通?？梢詫?duì) 看到的物體進(jìn)行成像,能區(qū)別各種各樣的東 西,這就是識(shí)別的應(yīng)用;當(dāng)一個(gè)物體來回運(yùn) 動(dòng),可以不斷捕獲和追蹤,這是視覺的定位 功能;為什么可以知道成像物體大小,高低, 尺寸等特征,這就是測量部分,人們經(jīng)常查 看物體是否贓物,變形,缺陷等,這就是檢測 應(yīng)用.

2D視覺主要應(yīng)用: 識(shí)別 定位 測量 檢測

2D機(jī)器視覺概述 2D視覺應(yīng)用領(lǐng)域 2D機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域廣泛,現(xiàn)在最火的 Iphone手機(jī),就是電子行業(yè)常用的一種,在 醫(yī)院常用的X光,B超等,這是醫(yī)療行業(yè)的一 種代表,大街上隨處可見的汽車,回家過年 看到的火車,這是視覺在交通行業(yè)的另一種 典型表現(xiàn),現(xiàn)人力成本急劇增加,越來越多 的公司開始將產(chǎn)品出貨實(shí)現(xiàn)無人自動(dòng)化,這 些多是2D視覺經(jīng)典應(yīng)用.

2D視覺主要應(yīng)用: 電子行業(yè) 醫(yī)療行業(yè) 汽車行業(yè) 包裝行業(yè)

工業(yè)相機(jī) 工業(yè)相機(jī)結(jié)構(gòu)和原理 工業(yè)相機(jī)原理: 被攝物體的圖片經(jīng)過光學(xué)鏡頭聚焦到相機(jī) 芯片上,在驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)脈沖下相機(jī) 完成光電荷的轉(zhuǎn)換,存儲(chǔ),轉(zhuǎn)移和讀取,從而 將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出,信號(hào)處理電 路接受來自相機(jī)的電信號(hào),并進(jìn)行采樣保持, 相關(guān)雙采樣,自動(dòng)增益控制等處理,然后進(jìn) 行視頻信號(hào)合成,將相機(jī)所輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn) 換為所需要的視頻格式輸出.

工業(yè)相機(jī)結(jié)構(gòu) 1.右圖中上圖為CCD芯片結(jié)構(gòu)圖. 2.下圖為CMOS芯片電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖.

工業(yè)相機(jī) 相機(jī)的分類 相機(jī)分類： 1.按芯片為(CCD和CMOS) 2.按傳感器類型(面陣和線陣) 3.按信號(hào)輸出(模擬和數(shù)字) 4.按圖像模式(彩色和黑白)

按傳感 器類型

各類主要區(qū)別: 1.通常CCD比CMOS貴,圖像成像好. 2.面陣常應(yīng)用較小物體,線陣常應(yīng)用大目標(biāo). 3.模擬相機(jī)分辨率低,數(shù)字相機(jī)常用于高分辨 率. 4.彩色相機(jī)為彩圖,一般為24bit,黑白相機(jī)為灰 度圖,一般為8bit.

按芯片 類型

按信號(hào) 輸出

按圖像 模式

工業(yè)相機(jī) 工業(yè)相機(jī)關(guān)鍵參數(shù)-分辨率 分辨率是相機(jī)的基本參數(shù),由相機(jī)所采用的芯片

分辨率決定,是芯片靶面排列的像元數(shù)量.通常 面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)數(shù) 字來表示,如(1024PixelX768Pixel,),而線 陣相機(jī)的分辨率通常表示方式為多少K,常用單 位為K,如1K(1024),2K(2048),4K(4096)等.

使用技巧 使用時(shí)通常需要知道圖像單位(pixel)和實(shí)際物 理單位(mm)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即視覺系統(tǒng)所能 達(dá)到的精度,計(jì)算公式如下: 單方向視野大小/相機(jī)單方向分辨率=理論精度 例如：視場水平方向的長度為32mm,相機(jī)水 平方向分辨率是1600Pixel,所以視覺系統(tǒng)精度 為32/1600=0.02mm.

工業(yè)相機(jī) 工業(yè)相機(jī)關(guān)鍵參數(shù)-幀率 單位為FPS(幀/秒),指相機(jī)每秒鐘能采集多少 幅圖像,1幅圖像為1幀.例如15幀/秒,表示相機(jī) 一秒鐘能采集15幅圖像.一般說來,分辨率越大, 幀率越低.

使用技巧 1. 目前市場上的工控機(jī)網(wǎng)卡大部分為100M的 傳輸速率﹐如果需要用到2個(gè)2百萬像素以上的 相機(jī),必須考慮用千兆網(wǎng)卡.計(jì)算公式如下: 相機(jī)像素/1024/1024*幀率=數(shù)據(jù)量(單位M) 2.在使用千兆網(wǎng)卡時(shí),為了優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸速率, 有必要設(shè)置網(wǎng)卡的兩個(gè)重要參數(shù).

工業(yè)相機(jī) 工業(yè)相機(jī)關(guān)鍵參數(shù)-傳感器尺寸 工業(yè)上, 常用的傳感器尺寸有如右圖. 使用技巧:在選擇鏡頭時(shí),一般遵循鏡頭最大兼用 CCD尺寸>=相機(jī)芯片尺寸. 單CCD相機(jī)

CCD尺 寸 1”

圖像尺寸(mm) 水平﹕H 垂直﹕V 對(duì)角﹕D 12.8 8.8 6.4 4.8 3.6 9.6 6.6 4.8 3.6 2.7 16 11 8 6 4.6

1'' 1''鏡頭 2/3''鏡頭 1/2''鏡頭 1/3''鏡頭 OK X X X

2/3'' OK OK X X

1/2'' OK OK OK X

1/3'' OK OK OK OK

1/4'' 2/3” X X OK OK 1/2” 1/3” 1/4”


工業(yè)相機(jī) 工業(yè)相機(jī)關(guān)鍵參數(shù)-數(shù)據(jù)傳輸接口 對(duì)于數(shù)字相機(jī)來說,目前業(yè)內(nèi)常用的接口有USB,IEEE1394,GigE,CameraLink等,對(duì)于不同接 口,其特性不同.

接口類型 USB

接口簡介

主要特性

目前采用的USB接口為USB2.0標(biāo)準(zhǔn), 普及度高,方便易用,低成本,高帶寬 最近推出USB3.0技術(shù). (480M).

1394接口,又稱為火線(FireWire),1394a IEEE1394 最高傳輸速度為400Mbps,1394b最高 速度快,支持熱插拔和即插即用. 傳輸速度為800Mbps. GigE CameraLink 千兆網(wǎng)是一種最新的高速以太網(wǎng)技 傳輸速度快(1000M),成本低. 術(shù). CameraLink標(biāo)準(zhǔn)由美國工業(yè)學(xué)會(huì)AIA 通用性好,高速. 制定.

工業(yè)相機(jī) 工業(yè)相機(jī)關(guān)鍵參數(shù)-光譜響應(yīng) 光譜響應(yīng)通常是指相機(jī)的芯片對(duì)不同波長的光線響應(yīng)能力,X軸表示波長,Y軸表示響應(yīng).實(shí)驗(yàn)證明 ,相機(jī)芯片對(duì)500nm波長具有最好的光譜響應(yīng).

工業(yè)鏡頭 工業(yè)鏡頭結(jié)構(gòu) 鏡頭主要組成部件 1.光圈：控制鏡頭入光亮的光學(xué)裝置. 2.聚焦環(huán):調(diào)節(jié)圖像清晰度裝置.

光圈是一個(gè)用來控制光線透過鏡頭,進(jìn)入相機(jī)芯片的光量部件,它通常是在鏡頭內(nèi),用F值來表 示.公式如下: f/倍數(shù)=通光量. 當(dāng)倍數(shù)從小到大變化(2~22),其通光量減少,實(shí)際的表現(xiàn)

為圖像變暗. 聚焦是成像的必要條件,在實(shí)際應(yīng)用中,常用的使用手法為,先將圖像調(diào)試清晰,然后上下調(diào)整從 清晰到模糊,即可確認(rèn)最佳聚焦.

工業(yè)鏡頭 工業(yè)鏡頭分類 鏡頭主要分類: 1.按功能分類:定焦鏡頭,變焦鏡頭,定光圈鏡頭. 2.按視角分類:普通鏡頭,廣角鏡頭,遠(yuǎn)攝鏡頭. 3.按焦距分類:短焦距鏡頭,中焦距鏡頭,長焦距鏡 頭. 4.按用途分類:CCTV鏡頭,遠(yuǎn)心鏡頭. 右圖為常見的類型.

CCTV 鏡頭

遠(yuǎn)心 鏡頭

微距 鏡頭

紫外 鏡頭

顯微 鏡頭

紅外 鏡頭

工業(yè)鏡頭 工業(yè)鏡頭關(guān)鍵參數(shù)-分辨率 鏡頭的分辨率要和相機(jī)相當(dāng),常常為了提高測量精度,選用高分辨率的相機(jī),但實(shí)際測量效果 沒有多大提升.

常用的工業(yè)相機(jī)可見如下幾種： 0.3M,0.4M,0.8M,1.3M,1.4M,2M,4M,5M,8M,12M.(單位Million) 常用的工業(yè)鏡頭有如下幾種: 非百萬級(jí),亞百萬級(jí),百萬級(jí),五百萬級(jí),千萬級(jí). 所以必須保證鏡頭的分辨率大于等于相機(jī)分辨率.

工業(yè)鏡頭 工業(yè)鏡頭關(guān)鍵參數(shù)-畸變 指被攝物平面內(nèi)的主軸外直線,經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像 后變?yōu)榍€,則此光學(xué)系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變. 畸變像差只影響影像的幾何形狀,而不影響影像 的清晰度.

減少畸變的使用方法: 1.通過標(biāo)定,利用軟件精確計(jì)算. 2.相機(jī)芯片為鏡頭的80%大小. 3.同一工藝下,長焦距優(yōu)于短焦距. 4.選用鏡頭制作工藝好的廠家.

工業(yè)鏡頭 工業(yè)鏡頭關(guān)鍵參數(shù)-焦距 鏡頭的焦距主要對(duì)視場,工作距離有較大影響. 我們可以通過以下計(jì)算公式得到: 視場/芯片=工作距離/焦距

注意事項(xiàng): 1.以上公式的計(jì)算結(jié)果在工作距離越遠(yuǎn),視場越 小的情況下越準(zhǔn)確. 2.對(duì)于較近的工作距離(小于20mm),請(qǐng)?jiān)谟?jì)算 的結(jié)果上再加上鏡頭的一半或者三分之二作為 工作距離值. 3.如果已知其它參數(shù),減去同樣的值作為結(jié)果較 為準(zhǔn)確.

焦 距


工業(yè)鏡頭 工業(yè)鏡頭關(guān)鍵參數(shù)-景深 簡單來講,在鏡頭與物體垂直方向,成像最清晰 時(shí)開始調(diào)節(jié)聚焦環(huán)到開始變得不清晰的距離X2, 即為景深.

景深

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn): 在視野和工作距離不變的情況下: 1.焦距越小,景深越大,漸暈現(xiàn)象越嚴(yán)重 使相 差邊緣的照度降低 2.鏡頭離物體越遠(yuǎn),景深越大. 3.光圈越大,景深越小.

工業(yè)鏡頭 常用工業(yè)鏡頭特性分析 鏡頭 優(yōu)點(diǎn) 普通CCTV鏡頭 用途廣﹐成本低﹐體積小. 放大倍率不同﹐放大倍率會(huì)有變化﹐ 有視差﹐鏡頭畸變大. 大物體成像. 遠(yuǎn)心鏡頭

放大倍數(shù)恆定﹐不隨景深變化 而變化﹐無視差. 成本高﹐尺寸大﹐重量重﹐鏡頭口徑要≧被 測物體尺寸. 精密測量.

缺點(diǎn)

應(yīng)用

普通鏡頭測量時(shí),由于投影誤差(物體晃動(dòng))和周圍雜光的影響,測量精度降低.

遠(yuǎn)心鏡頭可以改善由于物體晃動(dòng)和周圍雜光的影響,提高測量精度.

工業(yè)光源 光源的作用 照明系統(tǒng)是機(jī)器視覺系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分之一,直接關(guān)系視覺系統(tǒng)的成敗,合適的光源設(shè)計(jì),可 以使目標(biāo)物體與背景得到最大的分離,大大降低圖像處理算法,同時(shí)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠 性.截至到目前,尚無一種通用的照明系統(tǒng).

光源的主要作用為: 1.照亮目標(biāo),形成有利于圖像處理的效果.

2.克服環(huán)境光干擾,保證圖像穩(wěn)定. 判斷光源選擇好壞的標(biāo)準(zhǔn): 1.對(duì)比度明顯,目標(biāo)和背景邊界清晰. 2.整體亮度均勻,亮度適中,顏色真實(shí).

工業(yè)光源 光源類型 光源類型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)

LED燈

1.反應(yīng)快,10微秒或者更短 時(shí)間達(dá)到最大亮度. 2.壽命長(30000h-100000h), 光亮度穩(wěn)定.

白熾燈

1.使用壽命短 (1000h). 白熾燈 亮度高,色溫與日光接近. 2.響應(yīng)慢,發(fā)熱大, 易碎. 1.使用壽命短 (1000h). 鹵素?zé)?亮度高. 2.響應(yīng)慢. 3.沒有光亮度和色 溫的變化. 1.使用壽命短 擴(kuò)散性好,適合大面積照 熒光燈 (1500h). 射. 2.響應(yīng)慢,亮度暗. 21

LED燈

熒光燈

光釬鹵 素?zé)?br data-filtered="filtered" style="margin: 0px; padding: 0px; font-family: Arial, 宋體; font-size: 13px;"/>

工業(yè)光源 光源特性分析-波長 紅外 電磁波 10 3

紫外 可見光 X射線 10 15 10 18 10 21 10 24

遠(yuǎn)紅外 10 6 10 9

Y射線

近紅外 10 12

電磁波譜-光波的能量頻率(HZ) ※ 光是一種電磁輻射,真空波長在380nm---780nm之間的那部分光是人眼所能看見的,稱為可 見光.不同的波長,對(duì)物體的穿透力(穿透率)不同,波長越長,對(duì)物體的穿透力愈強(qiáng),波長越 短,對(duì)物體表面的擴(kuò)散率愈大. 顏色 波長范圍(nm) 紫外 

工業(yè)光源 光源特性分析-顏色 在進(jìn)行圖像處理時(shí),要想使測量項(xiàng)目變得清晰可靠,因此考慮到補(bǔ)色的物體和照射光顏色有如 下表對(duì)應(yīng)關(guān)系.

物體顏色

白

黑

紅

藍(lán)

綠

金

銀

照明顏色 紅 藍(lán) 綠 白 23

Good Normal NO Normal

NO NO NO Good

Normal Good Good NO

Good Normal NO NO

Good NO Normal NO

Normal Good NO NO

Good Normal NO NO

工業(yè)光源 常見光源 常見光源如右圖所示.其特性如下: 環(huán)形光源:易于制作,價(jià)格低廉,光照角度可設(shè)計(jì) 大,其亮度強(qiáng). 背光光源:發(fā)光均勻,抗環(huán)境光源干擾,對(duì)不同材 料的物體兼容性強(qiáng). 同軸光源:不易反射,減少光源損失,易于突出表 面不平整. 點(diǎn)光光源:設(shè)計(jì)靈活,形態(tài)多樣,節(jié)約安裝空間, 功耗低.

環(huán)型

背光 點(diǎn)光

同軸

工業(yè)光源 常見光源輔助器件 光源輔助器材 名稱 帶通濾鏡 作用 根據(jù)光源的波長,常用來去掉比目標(biāo)光源小的波長.

偏振片

偏振片的材質(zhì)是石英片﹐利用石英的物理偏光特性﹐把進(jìn)來的光線保留直射 部分﹐反射掉斜射部分﹐避免去影響旁邊的感光點(diǎn).

漫射板

漫射板起到導(dǎo)光作用﹐將經(jīng)過的光線均勻擴(kuò)散.

應(yīng)用實(shí)例詳解 選型說明 主要分為相機(jī),鏡頭,光源三個(gè)部分的選型配置: 相機(jī)和鏡頭: 根據(jù)貼合居中要求,可以選用兩個(gè)相機(jī),四個(gè)相機(jī),八個(gè)相機(jī)的方案.顯然兩個(gè)相機(jī)最經(jīng)濟(jì). 以 5MCCD來算(2/3’’,芯片尺寸8.8mmX6.6mm,相機(jī)像素2448X2048),根據(jù)公式計(jì)算可知,鏡 頭放大倍率為：8.8/57=1.54倍.相機(jī)精度為:57/2448=0.0232mm,為保險(xiǎn)起見, 通常會(huì)乘 以30%的系數(shù).大家知道遠(yuǎn)  心鏡頭景深大,焦距不可變,成本高,而且通用性不好,所以選用可變焦 的CCTV鏡頭.當(dāng)然需要注意鏡頭的接口要和相機(jī)一致,鏡頭的分辨率符合相機(jī)的需求,鏡頭的尺 寸大于或等于CCD芯片. 光源: 此產(chǎn)品為黑色物料,易反光.同軸光不易反射,可以突出表面,根據(jù)光源特性分析,黑色物料用白色 光源,其對(duì)比性明顯,故正面用白色同軸光,下面用白色背光. 注意事項(xiàng)： 1.千兆網(wǎng)相機(jī),請(qǐng)配專業(yè)千兆網(wǎng)卡. 2.工控機(jī)請(qǐng)使用PCI-E16插槽.