機(jī)器視覺基本介紹

1、機(jī)器視覺基本概念2018.1.29機(jī)器視覺系統(tǒng)作用：利用機(jī)器代替人眼來做各種測量和判斷。它是計算機(jī)學(xué)科 的一個重要分支，它綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù), 涉及到計算機(jī)、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機(jī)電一體化等多個領(lǐng)域。機(jī)器視覺系統(tǒng) 的特點：是提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度。在一些不適合于人工作業(yè)的危險工作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時在大批量工業(yè)生產(chǎn)過程中，用人工視覺檢查產(chǎn)品質(zhì)量效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度。 而且機(jī)器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機(jī)集成制造 的基礎(chǔ)技術(shù)?？梢栽谧羁?/p>

2、的生產(chǎn)線上對產(chǎn)品進(jìn)行測量、引導(dǎo)、檢測、和識別，并能保質(zhì)保量的完成生產(chǎn)任務(wù)視覺檢測：指通過機(jī)器視覺產(chǎn)品（即圖像攝取裝置，分CMOS和CCD兩種）將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號， 傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運算來抽取目標(biāo)的特征,進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。是用于生產(chǎn)、裝配或包裝的有價值的機(jī)制。它在檢測缺陷和防止缺陷產(chǎn)品被配送到消費者的功能方面具有不可估量的價值。照明照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，所以針對每個特定的應(yīng)用實例，要選擇相應(yīng)的照明裝

3、置， 以達(dá)到最佳效果。光源可分為可見光和不可見光。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉 光燈?？梢姽獾娜秉c是光能不能保持穩(wěn)定。如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定，是實用化過程中急需要解決的問題。另一方面，環(huán)境光有可能影響圖像的質(zhì)量，所以可采用加防護(hù)屏的方法來減少環(huán)境光的影響。照明系統(tǒng)按其照射方法可分為：背向照明、前向照明、結(jié)構(gòu)光和頻閃光照明等。 其中，背向照明是被測物放在光源和攝像機(jī)之間，它的優(yōu)點是能獲得高對比度的圖像。前向照明是光源和攝像機(jī)位于被測物的同側(cè)，這種方式便于安裝。結(jié)構(gòu)光照明是將光柵或線光源等投射到被測物上，根據(jù)它們產(chǎn)生的畸變， 解調(diào)出被測物的三維信息。頻閃光照明是將高頻率

4、的光脈沖照射到物體上，攝像機(jī)拍攝要求與光源同步。鏡頭FOV（ Field of Vision ）=所需分辨率*亞象素*相機(jī)尺寸/PRTM （零件測量公差比）鏡頭選擇應(yīng)注意：焦距目標(biāo)高度影像高度放大倍數(shù)影像至目標(biāo)的距離 中心點/節(jié)點畸變視覺檢測中如何確定鏡頭的焦距為特定的應(yīng)用場合選擇合適的工業(yè)鏡頭時必須考慮以下因素：視野-被成像區(qū)域的大小。工作距離（WD）-攝像機(jī)鏡頭與被觀察物體或區(qū)域之間的距離。CCD -攝像機(jī)成像傳感器裝置的尺寸。這些因素必須采取一致的方式對待。如果在測量物體的寬度，則需要使用水平方向 的CCD規(guī)格，等等。如果以英寸為單位進(jìn)行測量，則以英尺進(jìn)行計算，最后再轉(zhuǎn)換為毫 米。參考如

5、下例子：有一臺 1/3 ” C型安裝的CDD攝像機(jī)（水平方向為 4.8毫米）。物 體到鏡頭前部的距離為 12” （ 305毫米）。視野或物體的尺寸為 2.5 ” （64毫米）。換算系 數(shù)為1” = 25.4毫米（經(jīng)過圓整）。FL = 4.8 毫米 x 305 毫米/ 64毫米FL = 1464 毫米/ 64毫米FL =按23毫米鏡頭的要求FL = 0.19 ” x 12 ” / 2.5”FL = 2.28 ” / 2.5”FL = 0.912 ” x 24毫米/inchFL =按23毫米鏡頭的要求注：勿將工作距離與物體到像的距離混淆。工作距離是從工業(yè)鏡頭前部到被觀察物體 之間的距離。而物體到像

6、的距離是CCD傳感器到物體之間的距離。計算要求的工業(yè)鏡頭焦距時，必須使用工作距離相機(jī)按照不同標(biāo)準(zhǔn)可分為：標(biāo)準(zhǔn)分辨率數(shù)字相機(jī)和模擬相機(jī)等。要根據(jù)不同的實際應(yīng)用場 合選不同的相機(jī)和高分辨率相機(jī)：線掃描CCD和面陣CCD ;單色相機(jī)和彩色相機(jī)。圖像采集圖像采集卡只是完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)的一個部件，但是它扮演一個非常重要的角色。 圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數(shù)字等等。比較典型的是 PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計算機(jī)存儲器進(jìn) 行處理。有些采集卡有內(nèi)置的多路開關(guān)。例如，可以連接8個不同的攝像機(jī)，然后告訴采集卡采用那一個相機(jī)抓拍到的信息。有些采集卡有內(nèi)置的數(shù)字輸入

7、以觸發(fā)采集卡進(jìn)行捕捉， 當(dāng)采集卡抓拍圖像時數(shù)字輸出口就觸發(fā)閘門。視覺處理器視覺處理器集采集卡與處理器于一體。以往計算機(jī)速度較慢時，采用視覺處理器加快視覺處理任務(wù)。由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲器，而且計算機(jī)也快多了， 所以視覺處 理器用的較少了。機(jī)器選型在機(jī)器視覺系統(tǒng)中，獲得一張高質(zhì)量的可處理的圖像是至關(guān)重要。系統(tǒng)之所以成功， 首先要保證圖像質(zhì)量好，特征明顯，。一個機(jī)器視覺項目之所以失敗，大部分情況是由于圖 像質(zhì)量不好，特征不明顯引起的。要保證好的圖像，必須要選擇一個合適的光源。 光源選型基本要素： 對比度：對比度對機(jī)器視覺來說非常重要。機(jī)器視覺應(yīng)用的照明的最重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征

8、與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對比度，從而易于特征的區(qū)分。 對比度定義為在特征與其周圍的區(qū)域之間有足夠的灰度量區(qū)別。好的照明應(yīng)該能夠保證需要檢測的特征突出于其他背景。亮度：當(dāng)選擇兩種光源的時候，最佳的選擇是選擇更亮的那個。當(dāng)光源不夠亮?xí)r，可能有三種不好的情況會出現(xiàn)。第一，相機(jī)的信噪比不夠；由于光源的亮度不夠，圖像的對比度必然不夠，在圖像上 出現(xiàn)噪聲的可能性也隨即增大。第二，其次，光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深。第三，另外，當(dāng)光源的亮度不夠的時候，自然光等隨機(jī)光對系統(tǒng)的影響會最大。魯棒性：另一個測試好光源的方法是看光源是否對部件的位置敏感度最小。當(dāng)光源放置在攝像頭視野的不同

9、區(qū)域或不同角度時，結(jié)果圖像應(yīng)該不會隨之變化。方向性很強(qiáng)的光源， 增大了對高亮區(qū)域的鏡面反射發(fā)生的可能性，這不利于后面的特征提取。好的光源需要能夠使你需要尋找的特征非常明顯，除了是攝像頭能夠拍攝到部件外， 好的光源應(yīng)該能夠產(chǎn)生最大的對比度、亮度足夠且對部件的位置變化不敏感。特征提取辨識一般檢測（自動識別）先利用高清晰度、高速攝像鏡頭拍攝標(biāo)準(zhǔn)圖像，在此基礎(chǔ)上設(shè) 定一定標(biāo)準(zhǔn)；然后拍攝被檢測的圖像，再將兩者進(jìn)行對比。圖像識別處理時應(yīng)采取相應(yīng)的算法，提取雜質(zhì)的特征，進(jìn)行模式識別，實現(xiàn)智能分析。Color檢測一般而言，從彩色 CCD相機(jī)中獲取的圖像都是 RGB圖像。也就是說每一個像素都由 紅（R ）綠（6

10、）籃（B）三個成分組成，來表示 RGB色彩空間中的一個點。問題在于這些 色差不同于人眼的感覺。即使很小的噪聲也會改變顏色空間中的位置。所以無論我們?nèi)搜鄹杏X有多么的近似，在顏色空間中也不盡相同。基于上述原因，我們需要將RGB像素轉(zhuǎn)換成為另一種顏色空間 CIELAB。目的就是使我們?nèi)搜鄣母杏X盡可能的與顏色空間中的色差相近。Blob檢測根據(jù)上面得到的處理圖像，根據(jù)需求，在純色背景下檢測雜質(zhì)色斑，并且要計算出色 斑的面積，以確定是否在檢測范圍之內(nèi)。因此圖像處理軟件要具有分離目標(biāo)，檢測目標(biāo)，并且計算出其面積的功能。Blob分析(Blob Analysis )是對圖像中相同像素的連通域進(jìn)行分析，該連通域稱

11、為Blob。經(jīng)二值化(Binary Thresholding )處理后的圖像中色斑可認(rèn)為是blob。 Blob分析工具可以從背景中分離出目標(biāo)，并可計算出目標(biāo)的數(shù)量、位置、形狀、方向和大小，還可以提供相關(guān) 斑點間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在處理過程中不是采用單個的像素逐一分析，而是對圖形的行進(jìn)行操作。圖像的每一行都用游程長度編碼 (RLE )來表示相鄰的目標(biāo)范圍。這種算法與基于象素的算 法相比，大大提高處理速度。結(jié)果處理和控制應(yīng)用程序把返回的結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫或用戶指定的位置，并根據(jù)結(jié)果控制機(jī)械部分做相 應(yīng)的運動。工作原理視覺檢測涉及拍攝物體的圖像，對其進(jìn)行檢測并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)供系統(tǒng)處理和分析，確保 符合其制造商的質(zhì)

12、量標(biāo)準(zhǔn)。不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的對象會被跟蹤和剔除。掌握視覺檢測系統(tǒng)的工作原理對評估該系統(tǒng)對公司運作所做的貢獻(xiàn)十分重要。必須充分在設(shè)置視覺檢測系統(tǒng)時所涉及到的變量。正確設(shè)置這些變量， 采用合適的容差，這對確保在動態(tài)的生產(chǎn)環(huán)境中有效而可靠地運行系統(tǒng)而言至關(guān)重要。如果一個變量調(diào)整或設(shè)計不正確，系統(tǒng)將連續(xù)出現(xiàn)錯誤剔除，證明使用不可靠。結(jié)構(gòu)組成圖像部件攝像機(jī)捕捉被檢測物體的電子圖像，然后將其發(fā)送到處理器進(jìn)行分析。電子圖像被轉(zhuǎn) 換成數(shù)字，表示圖像最小的部分，即像素。圖像顯示的像素數(shù)量稱作分辨率。圖像的分辨率 越高，包含的像素數(shù)量越多，進(jìn)行檢測時，圖像的像素數(shù)量越多，檢測結(jié)果越準(zhǔn)確。攝像機(jī)視覺檢測系統(tǒng)的攝像機(jī)有三

13、個變量需要調(diào)整，以優(yōu)化捕捉到的圖像。它們是光圈、對 比度和快門速度。照明部件正確的照明對幫助創(chuàng)建有效檢測所需的對比度很關(guān)鍵。當(dāng)對一件產(chǎn)品的正確系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行評估時，設(shè)計師會花費相當(dāng)多的時間用來確定檢測所需的最佳照明。照明解決方案的類型、幾何形狀、顏色和強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)提供盡可能強(qiáng)的對比。軟件工具視覺檢測系統(tǒng)使用軟件處理圖像。軟件采用算法工具幫助分析圖像。視覺檢測解決方 案使用此類工具組合來完成所需要的檢測。常用的包括，搜索工具，邊界工具，特征分析工具，過程工具，視覺打印工具等。視覺檢測的優(yōu)勢1、非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產(chǎn)生任何損傷， 從而提高系統(tǒng)的可靠性。2、具有較寬的光譜響應(yīng)范圍，例如使

14、用人眼看不見的紅外測量，擴(kuò)展了人眼的視覺范 圍。3、 長時間穩(wěn)定工作，人類難以長時間對同一對象進(jìn)行觀察，而機(jī)器視覺則可以長時間 地作測量、分析和識別任務(wù)。4、利用了機(jī)器視覺解決方案，可以節(jié)省大量勞動力資源，為公司帶來可觀利益。CCD篇1、CCD視覺系統(tǒng)的作用：利用機(jī)器代替人眼來做各種測量和判斷。2、CCD視覺系統(tǒng)的組成：該系統(tǒng)綜合了光學(xué)、機(jī)械、電子、計算機(jī)軟硬件等方面的技術(shù)涉及到計 算機(jī)、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機(jī)電一體化等多個領(lǐng) 域。包括數(shù)字圖像處理技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)、傳感器技術(shù)、模擬與數(shù)字視頻 技術(shù)、計算機(jī)軟硬件技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等。機(jī)話&覓(Machine Vision

15、)基 .| 機(jī)器 丨 亠 I 視応|1-p nF n,nLrniir7t 111jX j3、CCD檢測原理CCD與CMOSS的區(qū)別】信息正常讀取：CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉(zhuǎn)移后讀取，電荷 信息轉(zhuǎn)移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復(fù)雜。CMOS光電傳感器經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后直接產(chǎn)生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單。2）速度CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢；而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比CCD電荷耦合器快很多。3）電源及耗電量C

16、CD電荷耦合器大多需要三組電源供電， 耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個電源， 耗電量非常小，僅為 CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有 很大優(yōu)勢。4 ）成像質(zhì)量CCD電荷耦合器制作技術(shù)起步早，技術(shù)成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅（SiO2 ）隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量相對 CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于CMOS光電傳感器集成度高，各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量 影響很大，使 CMOS光電傳感器很長一段時間無法進(jìn)入實用。近年，隨著CMOS電路消噪技術(shù)的不斷發(fā)展，為生產(chǎn)高密度優(yōu)質(zhì)的CMOS圖像傳感器提供了良好的

17、條件。cmosfflccd的區(qū)gl毆Il*nilCMpMiImiInterlin* Transfer CCD1. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)（傳感器本身的結(jié)構(gòu)）CCD的成像點為X-Y縱橫矩陣排列，每個成像點由一個光電二極管和其控制的一個鄰近電荷存儲區(qū)組成。光電二極管將光線（光量子）轉(zhuǎn)換為電荷（電子），聚集的電子數(shù)量與光線的強(qiáng)度成正比。在讀取這些電荷時，各行數(shù)據(jù)被移動到垂直電荷傳輸方向的緩 存器中。每行的電荷信息被連續(xù)讀出，再通過電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和放大器傳感。這種構(gòu)造產(chǎn)生的圖像具有低噪音、 高性能的特點。但是生產(chǎn)CCD需采用時鐘信號、偏壓技術(shù)， 因此整個構(gòu)造復(fù)雜，增大了耗電量，也增加了成本CMOS傳感器周圍的電子

18、器件，如數(shù)字邏輯電路、時鐘驅(qū)動器以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等，可在同一加工程序中得以集成。CMOS傳感器的構(gòu)造如同一個存儲器，每個成像點包含一個光電二極管、一個電荷 /電壓轉(zhuǎn)換單元、一個重新設(shè)置和選擇晶體管，以及一個放大 器，覆蓋在整個傳感器上的是金屬互連器（計時應(yīng)用和讀取信號）以及縱向排列的輸出 信號互連器，它可以通過簡單的X-Y尋址技術(shù)讀取信號2. CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖像信息，速度比 CCD電荷耦合器快很多。CMOS光電傳感器的加工采用半導(dǎo)體廠家生產(chǎn)集成電路的流程，可以

19、將數(shù)字相機(jī)的所有部件集成到一塊芯片上，如光敏元件、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、圖像信 號處理器及控制器等，都可集成到一塊芯片上，還具有附加DRAM的優(yōu)點。只需要一個芯片就可以實現(xiàn)很多功能，因此采用CMOS芯片的光電圖像轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的整體成本很低。CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別是 CCD是集成在半導(dǎo)體單晶材料上， 而CMOS是集成 在被稱做金屬氧化物的半導(dǎo)體材料上，工作原理沒有本質(zhì)的區(qū)別。CCD只有少數(shù)幾個廠商例如索尼、松下等掌握這種技術(shù)。而且CCD制造工藝較復(fù)雜，采用 CCD的攝像頭價格都會相對比較貴。事實上經(jīng)過技術(shù)改造，目前CCD和CMOS的實際效果的差距已經(jīng)減小了不少。而且C

20、MOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多攝像頭生產(chǎn)廠商采用的CMOS感光元件。成像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明銳度都很好，色彩還原、曝光可以保證基本準(zhǔn)確。而CMOS的產(chǎn)品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因，CMOS的成像質(zhì)量和 CCD還是有一定距離的。但由于低廉的價格以及高度的整合性，因此在攝像頭領(lǐng)域還是得到了廣泛的應(yīng)用。tmo臺和的區(qū)別總結(jié)CCD與CIDS的具體案比SMCIOS備注信號英測棚U型號0,1-3LUX6-15LUX由兩種感光器件的 工作原理可以看出，CCD （電荷藕合器件圖像傳感器：Charge CoupledDevice），它的優(yōu)勢在于成像質(zhì)量好，但是由于制造工藝復(fù)雜，只有少數(shù)的廠商能夠掌握，所以導(dǎo)致制造成本居高不下，特別是大型CCD，價格非常高昂。 在相同分辨率下，CMOS）價格比 CCD互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體： Complementary Metal-Oxide Semiconductor便宜，但是 CMOS 器件產(chǎn)生的圖像質(zhì)量相比 CCD 來說要低一些。CMOS 針對 CCD 最主要的優(yōu)勢就是非常省 電，不像由二極管組成的 CCD ，CMOS 電路幾 乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時才有電量的消耗。這就使得 CMOS 的耗電量只有 普通 CCD 的