工業(yè)視覺(jué)入門培訓(xùn)

1、機(jī)器視覺(jué)機(jī)器視覺(jué)1、工業(yè)光源光源簡(jiǎn)述光源簡(jiǎn)述q 機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)工作的基本程序：取像 = 分析 = 結(jié)果輸出q 光源：為確保視覺(jué)系統(tǒng)正常取像獲得足夠光信息而提供照明的裝置q 光源的目的是將待測(cè)區(qū)域與背景明顯區(qū)分開將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)“凝固”在圖像上增強(qiáng)待測(cè)目標(biāo)邊緣清晰度消除陰影抵消噪光q 光源是一個(gè)視覺(jué)應(yīng)用開始工作的第一步q 適合的光源可以提高系統(tǒng)檢測(cè)精度、運(yùn)行速度及工作效率q CCTV鏡頭鏡頭q 專業(yè)攝影鏡頭專業(yè)攝影鏡頭q 遠(yuǎn)心鏡頭遠(yuǎn)心鏡頭2、工業(yè)鏡頭CCTV鏡頭專業(yè)攝影鏡頭遠(yuǎn)心鏡頭價(jià)格低中高分辨率低（20L/MM）中（4080L/MM）高畸變高中低焦距選擇范圍廣泛25MM/75MM/50MM廣泛25MM

2、/75MM/50MM狹窄使用靈活性高中低適合應(yīng)用低精度測(cè)量/簡(jiǎn)單檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)精度測(cè)量/定位高精度測(cè)量/縱深測(cè)量2、工業(yè)鏡頭鏡頭種類鏡頭種類成象面成象面工作距離（工作距離（WD）景深（景深（DOV）視野（視野（FOV）后焦面距離后焦面距離2 2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭基本概念基本概念2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭基本概念基本概念q視野 (FOV) 圖像采集設(shè)備所能夠覆蓋的范圍，它可以是在監(jiān)視器上可以見到的范圍，也可以使設(shè)備所輸出的數(shù)字圖像所能覆蓋的最大范圍。q最大/最小工作距離（Work Distance）從物鏡到被檢測(cè)物體的距離的范圍，小于最小工作距離大于最大工作距離系統(tǒng)均不能正確成像。q景深（Depth O

3、f Field）在某個(gè)調(diào)焦位置上，景深內(nèi)的物體都可以清晰成像。2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭基本概念基本概念q 畸變 幾何畸變指的是由于鏡頭方面的原因?qū)е碌膱D像范圍內(nèi)不同位置上的放大率存在的差異。幾何畸變主要包括徑向畸變和切向畸變。如枕形或桶形失真。2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭基本概念基本概念q 鏡頭接口nC-MOUNT鏡頭的標(biāo)準(zhǔn)接口之一，鏡頭的接口螺紋參數(shù)：直徑：1“螺距：32牙nCSMount是CMount的一個(gè)變種，區(qū)別僅僅在于鏡頭定位面到圖像傳感器光敏面的距離的不同，CMount 是17.5mm，CSMount是12.5mm。nC/CS能夠匹配的最大的圖像傳感器的尺寸不超過(guò)1“。2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡

4、頭基本概念基本概念q 成像面 可以在鏡頭的像面上清晰成像的物方平面q 光圈與F值光圈是一個(gè)用來(lái)控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內(nèi)。表達(dá)光圈大小我們是用F值，如f1.4，f2，f2.8 etc。q 焦距焦距是像方主面到像方焦點(diǎn)的距離。如16mm， 25mm2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭基本概念基本概念q 分辨率測(cè)量系統(tǒng)能夠重現(xiàn)的最小的細(xì)節(jié)的尺寸常常用每毫米線對(duì)來(lái)表示，也就是根據(jù)這個(gè)鏡頭能夠分辨一毫米內(nèi)多少對(duì)直線。選擇鏡頭的時(shí)候必須注意廠商給出的分辨率的定義方式。q lp/mm (line pair per mm) lp/mm是表征分辨率的最簡(jiǎn)單的指標(biāo)，但不是最佳指標(biāo)，最佳的指標(biāo)是鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)MT

5、F。2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭基本概念基本概念q 鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭基本概念基本概念q 鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭基本概念基本概念q鏡頭的調(diào)制傳遞函數(shù)MTFMTF能夠同時(shí)表征系統(tǒng)重現(xiàn)物方空間的幾何能夠同時(shí)表征系統(tǒng)重現(xiàn)物方空間的幾何和灰度細(xì)節(jié)能力，是衡量成像系統(tǒng)性能的最和灰度細(xì)節(jié)能力，是衡量成像系統(tǒng)性能的最佳方式。佳方式。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的成像系統(tǒng)，細(xì)節(jié)密集地方的對(duì)于一個(gè)實(shí)際的成像系統(tǒng)，細(xì)節(jié)密集地方的對(duì)比度要小于細(xì)節(jié)稀疏位置的對(duì)比度對(duì)比度要小于細(xì)節(jié)稀疏位置的對(duì)比度成像系統(tǒng)中的每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)系統(tǒng)最終的成像系統(tǒng)中的每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)系統(tǒng)最終的MTF產(chǎn)生影像，包括濾色片

6、，鏡頭，圖像傳感器，產(chǎn)生影像，包括濾色片，鏡頭，圖像傳感器，后期處理電路等等。后期處理電路等等。2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭基本概念基本概念q 系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF2 2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭分類分類按照等效焦距分為q 廣角鏡頭 等效焦距小于標(biāo)準(zhǔn)鏡頭（等效焦距為50mm）的鏡頭。特點(diǎn)是最小工作距離短，景深大，視角大。常常表現(xiàn)為桶形畸變。q 中焦距鏡頭 焦距介于廣角鏡頭和長(zhǎng)焦鏡頭之間的鏡頭。通常情況下畸變校正較好。q 長(zhǎng)焦距鏡頭 等效焦距超過(guò)200mm的鏡頭。工作距離長(zhǎng)，放大比大，畸變常常表現(xiàn)為枕形狀畸變。等效焦距計(jì)算方法： 實(shí)際焦距43mm 鏡頭成像圓的直徑2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭分類分類按照功能分

7、q變焦距鏡頭 鏡頭的焦距可以調(diào)節(jié)，鏡頭的視角，視野可變q定焦距鏡頭 鏡頭的焦距不能調(diào)節(jié)，鏡頭視角固定。聚焦位置和光圈可以調(diào)節(jié)q定光圈鏡頭 光圈不能調(diào)節(jié)，通常情況下聚焦也不能調(diào)節(jié)。2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭分類分類按照用途分q 微距鏡頭（或者成為顯微鏡頭） 用于拍攝較小的目標(biāo)具有很大的放大比q 遠(yuǎn)心鏡頭 包括物方遠(yuǎn)心鏡頭和像方遠(yuǎn)心鏡頭以及雙邊遠(yuǎn)心鏡頭。2、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭參數(shù)之間關(guān)系參數(shù)之間關(guān)系q光圈大通光能力光圈大通光能力大，光圈小通光能大，光圈小通光能力??；力小；q光圈小則景深大光圈小則景深大，光圈大則景深小，光圈大則景深?。?、工業(yè)鏡頭、工業(yè)鏡頭參數(shù)之間關(guān)系參數(shù)之間關(guān)系q光圈大通光能光圈大通

8、光能力大，光圈小通力大，光圈小通光能力小光能力小q光圈小則景深光圈小則景深大，光圈大則景大，光圈大則景深小深小3、工業(yè)相機(jī)基本概念q 傳感器的尺寸 圖像傳感器感光區(qū)域的面積大小。這個(gè)尺寸直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數(shù)模擬相機(jī)的傳感器的長(zhǎng)寬比例是4：3 (H：V)，數(shù)字相機(jī)的長(zhǎng)寬比例則包括多種：1：1，16：9，3：2 etc。一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（一、工業(yè)相機(jī)的基本概念（2）q 物理放大率 傳感器感光面積于視野的比值，整個(gè)參數(shù)基本取決于鏡頭q 系統(tǒng)放大率 最后顯示環(huán)節(jié)上目標(biāo)的尺寸于實(shí)際目標(biāo)尺寸的比值。系統(tǒng)放大率取決于物理放大率和顯示系統(tǒng)的闡述。對(duì)于自動(dòng)測(cè)量

9、和檢測(cè)系統(tǒng)而言，物理放大率具有關(guān)鍵的意義。系統(tǒng)放大率僅僅對(duì)于需要人機(jī)交互進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)有意義q 像素（Pixel =picture+element） 傳感器感光面上最小感光單位。第二章 機(jī)器視覺(jué)中的圖像采集技術(shù)q 分辨率(Resolution) 模擬制式相機(jī)的分辨率取決于傳感器上像素的數(shù)目以及后期處理電路的質(zhì)量，數(shù)字相機(jī)的傳分辨率則直接取決與傳感器上像素的數(shù)目。480768640480760574美制美制 RS RS 170 Norm 170 Norm歐制歐制 CCIR - Norm CCIR - Norm3、工業(yè)相機(jī)基本概念q 像素長(zhǎng)寬比 指?jìng)鞲衅魃舷袼厮胶痛怪狈较蚬?jié)距的比值，對(duì)于正方形的

10、象素來(lái)說(shuō)，其比值為1：1。此參數(shù)，對(duì)于系統(tǒng)的標(biāo)定有直接影響。q 快門速度（Shutter Speed） CCD/CMOS相機(jī)多數(shù)采用電子快門，通過(guò)電信號(hào)脈沖的寬度來(lái)控制傳感器的光積分（曝光）時(shí)間。對(duì)于一般性能的的相機(jī)快門速度可以達(dá)到1/10000-1/100000秒。q 幀頻率（Frame Rate） 相機(jī)每秒中能夠輸出圖像的幀數(shù)，對(duì)于模擬制式相機(jī)，這個(gè)頻率是固定值，對(duì)于數(shù)字相機(jī)，是個(gè)可變的值。q 像素速率（Pixel Rate） 相機(jī)每秒中能夠輸出像素的個(gè)數(shù)，僅僅對(duì)于數(shù)字相機(jī)有意義。3、工業(yè)相機(jī)基本概念q 卷簾快門（Rolling Shutter） 多數(shù)CMOS圖像傳感器上使用的快門，其特征

11、是逐行曝光，每一行的曝光時(shí)間不一致。q 全局快門（Global Shutter） CCD傳感器和極少數(shù)CMOS傳感器采用的快門，傳感器上所有像素同時(shí)刻曝光。3、工業(yè)相機(jī)基本概念q 相機(jī)掃描方式n隔行掃描（ Interlace ）352463、工業(yè)相機(jī)基本概念3、工業(yè)相機(jī)基本概念q 相機(jī)掃描方式 逐行掃描（ Progressive scan ）352413、工業(yè)相機(jī)基本概念q 異步觸發(fā) 通常情況下相機(jī)是一幀一幀拍攝的，所以進(jìn)行高速拍攝的時(shí)候最高的同步精度不可能超過(guò)一幀圖像的周期，對(duì)于某些支持異步觸發(fā)的相機(jī)，可以在當(dāng)前幀掃描尚未完成的情況下，將當(dāng)前幀拋棄，直接開始新一幀圖像的掃描，可以使得高速拍攝

12、的同步精度達(dá)到一行的掃描周期。q 最低照度 又稱靈敏度，衡量相機(jī)對(duì)光線敏感程度的指標(biāo)。通常情況下是指相機(jī)獲得30最大輸出值時(shí)候所需的照度。單位是Lux。q 局部掃描 多數(shù)數(shù)字相機(jī)支持僅僅輸出傳感器上某一部分像素，這些像素位于某個(gè)矩形窗口內(nèi)。通過(guò)具備掃描可以獲得更高的楨頻率。3、工業(yè)相機(jī)基本概念q 傳感器的光譜下面是一個(gè)典型的CCD圖像傳感器對(duì)于不同光譜的響應(yīng)曲線。3、工業(yè)相機(jī)基本概念q 信號(hào)格式模擬圖像信號(hào)的格式包括：復(fù)合視頻信號(hào)，Y/C分離信號(hào)，RGB分量信號(hào)。絕大多數(shù)周邊設(shè)備都能夠兼容這些信號(hào)格式。通常情況下對(duì)于彩色視頻信號(hào)，Y/C分離傳輸?shù)姆绞絻?yōu)于復(fù)合視頻傳輸?shù)姆绞?，RGB分量傳輸?shù)姆绞?/p>

13、又優(yōu)于Y/C分離傳輸方式。 數(shù)字相機(jī)的信號(hào)傳輸格式更為復(fù)雜，目前普遍應(yīng)用的包括： *LVDS *IEEE-1394(Fire Wire) *USB2.0 *CameraLink *Ethernet，包括傳輸未經(jīng)壓縮影像的千兆協(xié)議和傳輸經(jīng)過(guò)壓縮影像的百兆協(xié)議。 上述數(shù)字相機(jī)的傳輸方式無(wú)論是在機(jī)械上還是在電氣上都是不兼容的。3、工業(yè)相機(jī)基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)Digital Image Processing ModuleLens MountIR FilterImage SensorDrive CircuitTransmitting Controller Video SignalChannel to con

14、trol the camera 3、工業(yè)相機(jī)基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)v 圖像傳感器（Image sensor）：是一個(gè)由N行及M列感光單元（CCD Pixel）組成的矩陣。v CCD的基本工作原理：當(dāng)光子撞擊到硅原子上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自由電子，再將這些自由電子收集在一起形成信號(hào)。感光單元感光單元(CCD Pixcel)工作原理工作原理3、工業(yè)相機(jī)基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)q CCD的電荷存儲(chǔ)器：能夠存儲(chǔ)一定量的電子。將電子釋放出來(lái)之后所形成的電流，便可以量化地代表感光面上某點(diǎn)的明暗信息。q CCD成象的“溢出”（Blooming）問(wèn)題：當(dāng)CCD象素接收到過(guò)多的光子，存儲(chǔ)器中所收集的自由電子就會(huì)向周邊的象素“溢出”。致

15、使整個(gè)區(qū)域成象變亮。光子光子CCD象素象素自由電子自由電子溢出溢出3、工業(yè)相機(jī)基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)v 相機(jī)拍照時(shí)間示意圖n電子快門時(shí)間可由用戶自己設(shè)置。但相機(jī)傳輸速率（Frame rate）是相對(duì)固定的。因此，傳輸速率是相機(jī)的成像速度的“瓶頸”。例：電子快門速度可達(dá)1/1000秒，但成像卻只能達(dá)到60幀/秒。電子快門時(shí)間電子快門時(shí)間圖像傳輸時(shí)間圖像傳輸時(shí)間單幀圖像完整拍照時(shí)間單幀圖像完整拍照時(shí)間q 按照?qǐng)D像傳感器區(qū)分CCD相機(jī)：使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機(jī) CMOS相機(jī)：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機(jī) q 按照輸出圖像顏色區(qū)分：?jiǎn)紊鄼C(jī)：輸出圖像為單色圖像的相機(jī)。 彩色相機(jī)：輸出圖

16、像為彩色圖像的相機(jī)。 3、工業(yè)相機(jī)分類分類q按照傳感器類型區(qū)分面掃描相機(jī)傳感器上像素呈面狀分布的相機(jī)，其所成圖像為二維“面”圖像。 線掃描相機(jī)傳感器上呈線狀（一行或三行）分布的相機(jī)，其所成圖像為一維“線”圖像。3、工業(yè)相機(jī)分類分類q 按輸出信號(hào)區(qū)分 模擬信號(hào)相機(jī)從傳感器中傳出的信號(hào)，被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，即普通視頻信號(hào)，后再傳到圖像采集卡中。 數(shù)字信號(hào)相機(jī)信號(hào)自傳感器中的像素輸出后，在相機(jī)內(nèi)部直接數(shù)字化并輸出。3、工業(yè)相機(jī)分類分類3、工業(yè)相機(jī)分類分類彩色彩色VS黑白黑白 黑白相機(jī)的每個(gè)像素僅僅采集亮度信號(hào)，對(duì)于彩色相機(jī)，則是借黑白相機(jī)的每個(gè)像素僅僅采集亮度信號(hào)，對(duì)于彩色相機(jī)，則是借助于一個(gè)助于

17、一個(gè)Bayer濾色片讓每個(gè)像素來(lái)采集圖像特定的色彩分量，濾色片讓每個(gè)像素來(lái)采集圖像特定的色彩分量，然后利用后期的電路再重建出真是色彩，所以黑白相機(jī)的分辨率然后利用后期的電路再重建出真是色彩，所以黑白相機(jī)的分辨率通常比具有同樣像素?cái)?shù)目和同級(jí)別后期處理電路的彩色相機(jī)高出通常比具有同樣像素?cái)?shù)目和同級(jí)別后期處理電路的彩色相機(jī)高出1020（in TVL)。此外由于沒(méi)有覆蓋。此外由于沒(méi)有覆蓋Bayer濾色片，黑白濾色片，黑白相機(jī)在弱光下面的靈敏度也更好一些。但是彩色相機(jī)在檢測(cè)那些相機(jī)在弱光下面的靈敏度也更好一些。但是彩色相機(jī)在檢測(cè)那些具有色彩敏感信息的目標(biāo)的時(shí)候具有突出的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然黑白相機(jī)具有色彩敏感信息的目標(biāo)的時(shí)候具有突出的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然黑白相機(jī)也可以通過(guò)對(duì)光源色彩的控制實(shí)現(xiàn)這一功能。如果需要更高質(zhì)量也可以通過(guò)對(duì)光源色彩的控制實(shí)現(xiàn)這一功能。如果需要更高質(zhì)量的彩色視頻，就需要采用的彩色視頻，就需要采用3CCD技術(shù)的彩色相機(jī)。技術(shù)的彩色相機(jī)。3、工業(yè)相機(jī)分類分類模擬相機(jī)模擬相機(jī) VS 數(shù)字相機(jī)數(shù)字相機(jī) 相對(duì)來(lái)說(shuō)模擬相機(jī)的價(jià)格比較低廉，使用比較相對(duì)來(lái)說(shuō)模擬相機(jī)的價(jià)格比較低廉，使用比較簡(jiǎn)單。但是模擬相機(jī)存在一個(gè)分辨率和幀頻率簡(jiǎn)單。但是模擬相機(jī)存在一個(gè)分辨率和幀頻率的上限，而且對(duì)于傳輸過(guò)程中的噪聲和損耗也的上限，而且對(duì)于傳輸過(guò)程中的