機(jī)器視覺系統(tǒng)

機(jī)器視覺系統(tǒng)視覺獲得的感知信息占人對(duì)外界感知信息的80%1、機(jī)器視覺的相關(guān)概念2、機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)成3、機(jī)器視覺工業(yè)上的典型應(yīng)用4、機(jī)器視覺系統(tǒng)的軟硬件目錄5、機(jī)器視覺系統(tǒng)搭建1、機(jī)器視覺的相關(guān)概念（1）機(jī)器視覺系統(tǒng)通過圖像采集單元將待檢測目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，并傳送給圖像處理分析單元；（2）圖像處理分析單元的核心為圖像處理分析軟件，它包括圖像增強(qiáng)與校正、圖像分割、特征提取、圖像識(shí)別與理解等方面，輸出目標(biāo)的質(zhì)量判斷、規(guī)格測量等分析結(jié)果；（3）分析結(jié)果輸出至圖像界面，或通過電傳單元（PLC等）傳遞給機(jī)械單元執(zhí)行相應(yīng)操作，如剔除、報(bào)警燈，或通過機(jī)械臂執(zhí)行分揀、抓取等動(dòng)作。機(jī)器視覺機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼來做測量和判斷。機(jī)器視覺是通過光學(xué)的、非接觸的傳感器自動(dòng)地獲取和解釋處理一個(gè)真實(shí)物體的圖像，以獲取所需信息或用于控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)的過程。機(jī)器視覺系統(tǒng)人類視覺與機(jī)器視覺的對(duì)比人類視覺與機(jī)器視覺的對(duì)比幾個(gè)概念區(qū)分1機(jī)器視覺≠計(jì)算機(jī)視覺2工業(yè)級(jí)≠消費(fèi)級(jí)3工業(yè)相機(jī)≠普通相機(jī)≠手機(jī)攝像頭機(jī)器視覺≠計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)工程計(jì)算機(jī)視覺在工廠自動(dòng)化中的應(yīng)用結(jié)合自動(dòng)圖像分析與其他方法和技術(shù)，以提供自動(dòng)檢測和機(jī)器人指導(dǎo)在工業(yè)應(yīng)用中的一個(gè)過程。計(jì)算機(jī)視覺的工程實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺人工系統(tǒng)背后的理論不限于工業(yè)領(lǐng)域用于許多領(lǐng)域自動(dòng)化圖像分析的核心技術(shù)理論和算法基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)視覺用機(jī)器構(gòu)成的系統(tǒng)來處理視覺問題處理視覺的問題是一個(gè)計(jì)算問題圖像處理側(cè)重于“處理”圖像使用計(jì)算機(jī)來模擬人的視覺工業(yè)級(jí)機(jī)器視覺≠消費(fèi)級(jí)計(jì)算機(jī)視覺工業(yè)級(jí)機(jī)器視覺≠消費(fèi)級(jí)機(jī)器視覺工業(yè)相機(jī)≠普通相機(jī)工業(yè)相機(jī)的性能強(qiáng)勁，穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)緊湊，連續(xù)工作時(shí)間長，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，一般的普通相機(jī)做不到這些。工業(yè)相機(jī)的快門時(shí)間特別短，能清晰地抓拍快速運(yùn)動(dòng)的物體，而普通相機(jī)抓拍快速運(yùn)動(dòng)的物體非常模糊；工業(yè)相機(jī)的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通相機(jī)的圖像傳感器是隔行掃描的，甚至是隔三行掃描；工業(yè)相機(jī)幀率遠(yuǎn)高于普通相機(jī)；工業(yè)相機(jī)每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機(jī)只能拍攝2-3幅圖像；工業(yè)相機(jī)輸出的是裸數(shù)據(jù)，它的光譜范圍也往往比較寬，比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法，普遍應(yīng)用于機(jī)器視覺系統(tǒng)中。而普通相機(jī)拍攝的圖片，它的光譜范圍只適合人眼視覺，并且經(jīng)過了MPEG壓縮，圖像質(zhì)量也較差。相機(jī)的像素?cái)?shù)所能決定的是拍攝圖片分辨率，而圖片分辨率越高，只代表了圖片尺寸越大，并不能說明圖片越清晰。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?；兿癫钪挥绊懹跋竦膸缀涡螤睿挥绊懹跋竦那逦?。計(jì)算機(jī)視覺機(jī)械設(shè)計(jì)照明工程光學(xué)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制圖像處理嵌入式系統(tǒng)圖像處理自動(dòng)控制嵌入式系統(tǒng)照明工程機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)視覺光學(xué)設(shè)計(jì)機(jī)器視覺系統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)相關(guān)學(xué)科2、機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)成電腦系統(tǒng)圖像采集卡相機(jī)鏡頭光源被測物I/O控制其他機(jī)械部分供電及傳輸模擬圖片信號(hào)光源觸發(fā)信號(hào)其他動(dòng)作信號(hào)數(shù)字圖片信號(hào)與軟件通訊相機(jī)觸發(fā)信號(hào)機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成-模擬相機(jī)機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成-數(shù)字相機(jī)機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成-智能相機(jī)3、機(jī)器視覺工業(yè)上的典型應(yīng)用17測量：長度測量測量：角度測量測量：圓弧及半徑測量18檢測：有無檢測檢測：殘次品檢測檢測：數(shù)字統(tǒng)計(jì)檢測：瑕疵檢測定位：內(nèi)部定位定位：坐標(biāo)輸出定位識(shí)別：讀碼識(shí)別：OCR/OCV識(shí)別：顏色識(shí)別4、機(jī)器視覺系統(tǒng)的軟硬件光源光源是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，實(shí)際應(yīng)用中其作用占到整個(gè)檢測工作80%的應(yīng)用效果。光源：為確保視覺系統(tǒng)正常取像獲得足夠光信息而提供照明的裝置。光源是一個(gè)視覺應(yīng)用開始工作的第一步，好的光源與照明方案往往是整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵，起著非常重要的作用。使用光源的目的：光源并不是簡單的照亮物體而已。

1.光源與照明方案的配合應(yīng)盡可能地突出物體特征量；

2.將待測區(qū)域與背景明顯區(qū)分開，增加對(duì)比度，消隱不感興趣的部分；

3.增強(qiáng)待測目標(biāo)邊緣清晰度；

4.保持足夠的整體亮度；

5.物體位置的變化不應(yīng)該影響成像的質(zhì)量。適合的燈源可以提高系統(tǒng)檢測精度、運(yùn)行速度及工作效率。影響因素：

1.相機(jī)光譜響應(yīng)特性；

2.LED的顏色、反光角度、亮度、壽命等；

3.物品形狀與LED形狀；

4.打光方式；

5.輔助手段（偏光鏡、濾光鏡、漫反射板等）選擇原則：滿足應(yīng)用，綜合考慮理論分析，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證光源選擇的注意事項(xiàng)螢光燈鹵素?zé)?光纖導(dǎo)管LED燈源價(jià)格低高中亮度低高中穩(wěn)定性低中高閃光裝置無無有使用壽命中低高光線均勻度高中低多色光無無有復(fù)雜設(shè)計(jì)低中高光源分類及比較螢光燈

鹵素?zé)?光纖導(dǎo)管LED光源其他（激光、紫外光等）LED的特性使得其廣泛的應(yīng)用于機(jī)器視覺系統(tǒng)中。目前常用的LED光源有：環(huán)形光、條形光、面板光、同軸光、點(diǎn)光源、線光源等等。根據(jù)不同的產(chǎn)品選擇合適的光源，有時(shí)候會(huì)需要幾種光源進(jìn)行組合照明。成象面工作距離（WD）景深（DOV）視野（FOV）后焦面距離鏡頭光學(xué)鏡頭相當(dāng)于人眼的晶狀體，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中非常重要?；竟δ?/p>

-實(shí)現(xiàn)光束變換，將目標(biāo)成像在圖像傳感器的光敏面上視野(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。最大/最小工作距離（WorkDistance）

從物鏡到被檢測物體的距離的范圍，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。景深（DepthOfField）

在某個(gè)調(diào)焦位置上，景深內(nèi)的物體都可以清晰成像。焦距 焦距是像方主面到像方焦點(diǎn)的距離。如16mm，25mm，35mm等。鏡頭的基本參數(shù)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。畸變小于2%人眼是看不出來的。如果畸變小于CCD的一個(gè)像素，那么相機(jī)也看不出來了。光圈與F值 光圈是一個(gè)用來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等等。光圈大通光能力大，光圈小通光能力小；光圈小則景深大，光圈大則景深?。环直媛?測量系統(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。分辨率影響因素：鏡頭結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工精度鏡頭的相對(duì)孔徑越大、分辨率越高光波長度，波長越短分辨率越高視場中心較邊緣分辨率高同檔次的固定焦距鏡頭較變焦鏡頭分辨率高短焦鏡頭一般邊緣分辨率較中心低，長焦鏡頭一般中心較邊緣分辨率低。按照等效焦距分為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。中焦距鏡頭焦距介于廣角鏡頭和長焦鏡頭之間的鏡頭。通常情況下畸變校正較好。長焦距鏡頭等效焦距超過200mm的鏡頭。工作距離長，放大比大，畸變常常表現(xiàn)為枕形狀畸變。鏡頭的分類按照功能分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。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)。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)。按照用途分微距鏡頭（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。機(jī)器視覺鏡頭可支持的最大的CCD尺寸不能小于所搭配的相機(jī)中CCD傳感器芯片的尺寸。如果鏡頭尺寸比CCD靶面尺寸小,圖片邊緣會(huì)出現(xiàn)黑場,即只有中間一個(gè)圓圈的視場是有效的.鏡頭接口要跟相機(jī)接口匹配安裝，也可通過轉(zhuǎn)換匹配安裝。選擇鏡頭的原則機(jī)器視覺鏡頭的光譜特性要符合光源的要求。系統(tǒng)精度

-獲取最佳視野

-鏡頭畸變對(duì)系統(tǒng)精度的影響

-鏡頭分辨率對(duì)系統(tǒng)精度的影響縱深成象

-待測物縱深方向的成象是否在鏡頭景深范圍之內(nèi)1、清晰度不同鏡頭在成像面中心的分辨率是最高的，在邊緣的差之。普通鏡頭在中心分辨率可以基本滿足清晰度的同時(shí)，邊緣的清晰度降低很多，總體清晰度可滿足普通相機(jī)像素的要求。2、光譜矯正能力不同只有寬光譜的透射能力對(duì)于高清晰成像還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，如果鏡頭的光譜矯正能力不足，反而將使部分波長的光不能準(zhǔn)確的在相機(jī)靶面上成像，致使虛像的產(chǎn)生。這種技術(shù)是普通鏡片通過鍍膜無法實(shí)現(xiàn)的。3、畸變率不同人眼能分辨的畸變大于3%，所以普通鏡頭的畸變一般為2%-3%之間。但對(duì)于工業(yè)鏡頭往往不夠。工業(yè)鏡頭和相機(jī)鏡頭的區(qū)別相機(jī)原理簡介相機(jī)將通過鏡頭的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)——電子圖像，這是模擬信號(hào)；再通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。相機(jī)按芯片技術(shù)：CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)按靶面類型：面陣相機(jī)和線陣相機(jī)按輸出模式：模擬相機(jī)和數(shù)字相機(jī)按顏色：彩色相機(jī)和黑白相機(jī)按是否帶處理器：智能相機(jī)和非智能相機(jī)44相機(jī)分類像素：用來計(jì)算影像的一種單位，一個(gè)像素通常被視為圖像的最小的完整采樣。像素深度：：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit等。分辨率：表示每一個(gè)方向上的像素?cái)?shù)量，我們通常所看到的分辨率都以乘法形式表現(xiàn)的。幀率/行頻：相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec.），對(duì)線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)（Hz)曝光方式與快門速度光譜響應(yīng)特性:是指該像元傳感器對(duì)不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm。芯片尺寸白平衡：簡單地說白平衡就是無論環(huán)境光線如何，仍然把“白”定義為“白”的一種功能。由于CCD傳感器本身沒有這種功能，因此就有必要對(duì)它輸出的信號(hào)進(jìn)行一定的修正，這種修正就叫做工業(yè)相機(jī)的白平衡。相機(jī)的主要參數(shù)47圖像處理系統(tǒng)圖像處理系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)的作用是執(zhí)行圖像處理及分析軟件，調(diào)用根據(jù)檢測功能所特殊設(shè)計(jì)的一系列圖像處理及分析算法模塊，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和處理，最終得到系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的信息，然后通過與之相連接的外部設(shè)備以各種形式輸出檢測結(jié)果及響應(yīng)。其外部輸出設(shè)備可以包括顯示器、網(wǎng)絡(luò)、打印機(jī)、報(bào)警器及各種控制信號(hào)。嵌入式圖像處理系統(tǒng)：直接將圖像處理系統(tǒng)集成到芯片中，結(jié)構(gòu)與功能相對(duì)比較簡單?；赑C的視覺系統(tǒng)：需要在PC環(huán)境中才能運(yùn)行，結(jié)構(gòu)及功能復(fù)雜，且可多路并行處理。有些圖像處理系統(tǒng)還可以在其基礎(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā)。圖像處理系統(tǒng)分類軟件國外品牌：Halcon、VisionPro、LabviewVision等商業(yè)軟件包；OpenCV開源免費(fèi)軟件包。國內(nèi)品牌：研華、OPT、海康、大華、匯萃等，都宣稱開發(fā)成功。50機(jī)器視覺軟件包515、機(jī)器視覺系統(tǒng)搭建高系統(tǒng)精度FOV：100MM500象素象素值=0.2MM系統(tǒng)精度（Systemaccuracy）X方向系統(tǒng)精度（X方向象素值）＝視野范圍（X方向）÷CCD芯片象素?cái)?shù)量（X方向）Y方向系統(tǒng)精度（Y方向象素值）＝視野范圍（Y方向÷CCD芯片象素?cái)?shù)量（Y方向）該指標(biāo)取決于，相機(jī)分辨率及視野（FOV）54視野（FOV）

-讓視覺系統(tǒng)“關(guān)心”的部分盡可能“充滿”視野。通俗來說，F(xiàn)OV越小越“好”。 -相機(jī)分辨率相同視野越小系統(tǒng)精度越高 -視野相同相機(jī)分辨率越高系統(tǒng)精度越高適合的視野不適合的視野調(diào)整系統(tǒng)關(guān)心的部分55清晰成象確定圖象中所要檢測的部分處于清晰的焦距之內(nèi)當(dāng)圖象中檢測部分不處于同一焦平面時(shí)，需要考慮鏡頭的景深注意：每一款鏡頭相對(duì)于固定的光圈，都有自己固定的景深注意：縮小光圈可以加大景深。同時(shí)為保證正確曝光需要提高光強(qiáng)56避免畸變?cè)诙ㄎ患案呔葴y量的系統(tǒng)中，鏡頭畸變的影響尤其重要真實(shí)世界鏡頭畸變產(chǎn)生的圖象57保持待測物體在成象中大小一致在定位及識(shí)別系統(tǒng)中，這一點(diǎn)尤為重要58圖象中待測部分反差最大化待測部分對(duì)于一個(gè)視覺系統(tǒng)來說，“黑白分明”的圖象才是好圖象。59恰當(dāng)?shù)恼彰髋c曝光避免陰影如果圖象中待測區(qū)域處于陰影之下，圖象將不能提供足夠的反差，這將嚴(yán)重影響系統(tǒng)檢測的精度避免過亮如果照明過亮，區(qū)域內(nèi)亮部的光線會(huì)反射進(jìn)暗部的區(qū)域，造