專題：視覺檢測技術(shù)

視覺檢測技術(shù)專題北京信息科技大學電信系視覺的重要性視覺是人類觀察世界、認識世界的重要功能手段。人類從外界獲得的信息量約有75％來自視覺系統(tǒng)，這既說明視覺信息量巨大，也表明人類對視覺信息有較高的利用率。人類視覺過程可以看作是一個復(fù)雜的從感覺到知覺的過程。機器視覺？機器視覺就是用各種成像系統(tǒng)代替視覺器官作為輸入敏感手段，由計算機來代替大腦完成處理和解釋。機器視覺的最終研究目標就是使計算機能象人那樣通過視覺觀察和理解世界，具有自主適應(yīng)環(huán)境的能力，這是要經(jīng)過長期努力才能達到的目標。

視覺檢測？用機器代替人眼來判斷和測量。優(yōu)點：和一般測量儀器比：非接觸、高精度、高速。和人眼比：可長時間穩(wěn)定工作、可惡劣條件下工作、有較寬光譜范圍，如紅外測量。

鏈接視覺檢測應(yīng)用？產(chǎn)品檢測：測量、檢測、定位、識別。生物和醫(yī)學圖像分析機器人引導遙感圖像分析指紋虹膜鑒別國防中的目標識別和武器制導等。

視覺檢測系統(tǒng)的組成主要內(nèi)容視覺檢測技術(shù)應(yīng)用視覺檢測中的技術(shù)視覺檢測技術(shù)應(yīng)用

面陣CCD

視覺檢測應(yīng)用功能：測量檢測定位識別應(yīng)用行業(yè)：軍事包裝食品飲料制藥/醫(yī)療汽車電子消費類尺寸測量二維視覺坐標測量機測量（長度測量）測量（角度測量）尺寸測量尺寸測量—刀具預(yù)調(diào)測量儀各種數(shù)控機床刀具幾種機床刀具對刀儀作用數(shù)控加工中心的配套儀器。主要用于測量加工刀具的切削點位置也可以用于測量刀具角度和刀具圓弧半徑等參數(shù)。可根據(jù)測量結(jié)果對刀具進行預(yù)調(diào)。刀具測量示意圖對刀儀國內(nèi)外現(xiàn)狀接觸式光學投影式電子攝像式對刀儀組成原理示意圖視覺系統(tǒng)設(shè)計視覺系統(tǒng)示意圖視覺系統(tǒng)實物圖軟件系統(tǒng)設(shè)計軟件界面對刀儀樣機售出到銀川共享鑄造公司現(xiàn)場測量圖像快速亞像素定位算法粗定位：原圖像二值化邊緣提取輪廓跟蹤

刀具識別：檢測－－工業(yè)IC成品檢測手機鍵盤檢測：檢測－－工業(yè)外形尺寸檢測輪胎的檢測檢測－－制藥●藥品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量檢測●藥品的形狀、厚度藥片是否打孔檢測檢測－－制藥更多資料

檢測－－印刷鈔票印刷檢測

檢測－－外觀●外觀檢測高外蓋的檢測正常的瓶蓋歪蓋

檢測－－外觀噴碼有無的檢測

檢測注射針頭的檢測針尾向上時，程序報錯

檢測針頭向上時，程序通過液位檢測（乳制品）正常液位在這個項目中使用了穿透性較強的紅外光偏低液位

檢測定位（IC元件定位）定位（機械手定位）定位識別（二維碼識別）識別（顏色識別）識別識別●外觀完整性檢測●條碼識別●生產(chǎn)日期、密封性檢測瓶裝制劑包裝檢測：微軟指紋識別器具有指紋識別功能的閃存盤筆記本電腦指紋識別

指紋識別LG虹膜識別門禁

虹膜識別線陣CCD的應(yīng)用在線測量柱體直徑

在線測量圓柱體直徑，如熱鋼管、熱石英管等。在線測量板寬度(1)

在線測量板寬度(2)測量帶鋼位置－－防跑偏測量玻璃厚度更多資料測縫隙寬度測量小孔測量液體折射率可以根據(jù)折射率測量出某種物質(zhì)的濃度測量原麥汁濃度

微小角位移測量單線陣CCD測工作臺二維位移

測量火車軌道不平光場均勻度測量

高溫物體溫度測量

變形量測量

測量運動速度

測槍彈速度掃描檢測－紙張、紡織品、PS板檢測掃描檢測－帶鋼掃描檢測－鍍膜玻璃

視覺檢測技術(shù)視覺檢測技術(shù)主要內(nèi)容光源鏡頭攝像機圖像采集卡智能相機新技術(shù)視覺檢測中照明的作用照明的目標：將被測物與背景盡量明顯區(qū)分，突出被測量！ ●照明系統(tǒng)是機器視覺系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的部分，往往決定了系統(tǒng)的成敗。常用的光源：LED、鹵素燈、熒光燈。熒光燈鹵素燈一般使用光纖鹵素燈：這是由一個鹵素燈泡在裝置（通常稱為，燈箱）中發(fā)光。再由光纖導管將鹵素燈所產(chǎn)生的強光，轉(zhuǎn)向?qū)Ρ粶y物進行照明。LED陣列照明技術(shù)直射光特點：明亮、射角窄、會有光點。漫射光特點：較暗、射角寬、不會有光點、光斑均勻反射明亮Regularreflection

直反射Diffusedreflection

漫反射與照距無關(guān)不反映顏色與角度有關(guān)較暗與照距有關(guān)與角度無關(guān)反映顏色平面&光潔表面粗糙(a)沐浴方式（高角度）(b)低角度光(c)同軸方式(d)低角度方式擴散光(e)直射背向照明(f)散射背向照明照明方式照明方式明域照明、暗域照明明域照明、暗域照明明域照明暗域照明塑料飲料瓶肩部OCR圖3-12

照明方式的影響（b）背向照明（a）前向照明前向照明、背向照明透射照明讀取人民幣的編號光源顏色影響一紅白緑藍啤酒瓶的瓶蓋光源顏色影響二電子器件紅光綠光低角度光讀取刻印型號同軸光LCD字符檢查同軸光軸承外側(cè)傷痕檢查沐浴方式保險絲蓋文字外形檢測條形方式讀編號集光方式接插件頂端排列檢查低角度方式擴散光CSP(ChipSizePackage)芯片級封裝平面環(huán)形方式玻璃瓶口破損檢查碗狀圓拱形方式鉆頭刃角檢測透射方式透射方式實例啤酒瓶底異物檢查偏振光沒有用偏光技術(shù)使用偏光技術(shù)（a）高角度直射光（b）低角度散射光圖3-17

照明角度對圖像的影響低角度光鏡頭光學鏡頭一般稱為攝像鏡頭或攝影鏡頭，簡稱鏡頭，其功能就是光學成像。鏡頭是機器視覺系統(tǒng)中的重要組件，對成像質(zhì)量有著關(guān)鍵性的作用，它對成像質(zhì)量的幾個最主要指標都有影響，包括：分辨率、對比度、景深及各種像差。

選擇依據(jù)：相機接口/物距/拍攝范圍/CCD尺寸/畸變的允許范圍/放大率/焦距/光圈等。鏡頭分類（按接口）鏡頭和攝像機之間的接口有許多不同的類型，工業(yè)攝像機常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、等。接口類型的不同和鏡頭性能及質(zhì)量并無直接關(guān)系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各種常用接口之間的轉(zhuǎn)接口。C接口和CS接口是工業(yè)攝像機最常見的國際標準接口，為1英寸－32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區(qū)別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的攝像機可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用C口鏡頭時需要加一個5mm的接圈；C型接口的攝像機不能用CS口的鏡頭。F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標準，所以又稱尼康口，也是工業(yè)攝像機中常用的類型，一般攝像機靶面大于1英寸時需用F口的鏡頭。V接口鏡頭是著名的專業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標準，一般也用于攝像機靶面較大或特殊用途的鏡頭。鏡頭分類（按接口）鏡頭分類（按焦距）根據(jù)焦距能否調(diào)節(jié)，可分為定焦距鏡頭和變焦距鏡頭兩大類。依據(jù)焦距的長短，定焦距鏡頭又可分為魚眼鏡頭、短焦鏡頭、標準鏡頭、長焦鏡頭四大類。變焦鏡頭有可分為手動變焦和電動變焦兩大類。

變焦鏡頭由于具有可連續(xù)改變焦距值的特點，在需要經(jīng)常改變攝影視場的情況下非常方便使用，所以在攝影領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。但由于變焦距鏡頭的透鏡片數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以最大相對孔徑不能做得太大，致使圖像亮度較低、圖像質(zhì)量變差，同時在設(shè)計中也很難針對各種焦距、各種調(diào)焦距離做像差校正，所以其成像質(zhì)量無法和同檔次的定焦距鏡頭相比。

光學成像公式光學鏡頭的成像規(guī)律可以根據(jù)兩個基本成像公式牛頓公式和高斯公式來推導，一般根據(jù)成像的放大率和物距這兩個條件來選擇合適焦距的鏡頭。物像公式：物距：放大率：視場：鏡頭分類（按有效像場）鏡頭類型有效像場尺寸電視攝像鏡頭1/4英寸攝像鏡頭3.2mm×2.4mm（對角線4mm）1/3英寸攝像鏡頭4.8mm×3.6mm（對角線6mm）1/2英寸攝像鏡頭6.4mm×4.8mm（對角線8mm）2/3英寸攝像鏡頭8.8mm×6.6mm（對角線11mm）1英寸攝像鏡頭12.8mm×9.6mm（對角線16mm）電影攝影鏡頭35mm電影攝影鏡頭21.95mm×16mm（對角線27.16mm）16mm電影攝影鏡頭10.05mm×7.42mm（對角線12.49mm）照相鏡頭135型攝影鏡頭36mm×24mm127型攝影鏡頭40mm×40mm120型攝影鏡頭80mm×60mm中型攝影鏡頭82mm×56mm大型攝影鏡頭240mm×180mm

特殊鏡頭顯微鏡頭：一般是指成像比例大于10:1的拍攝系統(tǒng)所用，但由于現(xiàn)在的攝像機的像元尺寸已經(jīng)做到3微米以內(nèi)，所以一般成像比例大于2:1時也會選用顯微鏡頭。微距鏡頭：一般是指成像比例為2:1～1:4的范圍內(nèi)的特殊設(shè)計的鏡頭。在對圖像質(zhì)量要求不是很高的情況下，一般可采用在鏡頭和攝像機之間加近攝接圈的方式或在鏡頭前加近拍鏡的方式達到放大成像的效果。

紫外鏡頭和紅外鏡頭：一般鏡頭是針對可見光范圍內(nèi)的使用設(shè)計的，由于同一光學系統(tǒng)對不同波長的光線折射率的不同，導致同一點發(fā)出的不同波長的光成像時不能會聚成一點，產(chǎn)生色差。常用鏡頭的消色差設(shè)計也是針對可見光范圍的，紫外鏡頭和紅外鏡頭即是專門針對紫外線和紅外線進行設(shè)計的鏡頭。特殊鏡頭遠心鏡頭主要是為糾正傳統(tǒng)鏡頭的視差而特殊設(shè)計的鏡頭，它可以在一定的物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不會隨物距的變化而變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。

鏡頭的選擇鏡頭分不同類型，但即使對于同一類型的鏡頭，其成像質(zhì)量也有著很大的差異，這主要是由于材質(zhì)、加工精度和鏡片結(jié)構(gòu)的不同等因素造成的，同時也導致不同檔次的鏡頭價格從幾百元到幾萬元的巨大差異。比較著名的如四片三組式天塞鏡頭、六片四組式雙高斯鏡頭。像差是影響圖像質(zhì)量的重要方面，常見的像差有如下六種：球差、慧差、像散、場曲、色差、畸變。鏡頭的選擇

我們在評價鏡頭質(zhì)量時一般還會從分辨率、明銳度和景深等幾個實用參數(shù)判斷：

1.分辨率（Resolution）

2.對比度（Acutance）：3.景深（DOF)4.最大相對孔徑與光圈系數(shù)

相對孔徑，是指該鏡頭的入射光孔直徑（用D表示）與焦距（用f表示）之比，即：相對孔徑＝D/f。相對孔徑的倒數(shù)稱為光圈系數(shù)。鏡頭的選擇規(guī)律1.焦距大小的影響情況●焦距越小，景深越大；●焦距越小，畸變越大；●焦距越小，漸暈現(xiàn)象越嚴重，使像差邊緣的照度降低；2.光圈大小的影響情況●光圈越大，圖像亮度越高●光圈越大，景深越??；●光圈越大，分辨率越高；

鏡頭的選擇規(guī)律3.像場中央與邊緣

●一般像場中心較邊緣分辨率高

●一般像場中心較邊緣光場照度高4.光波長度的影響

在相同的攝像機及鏡頭參數(shù)條件下，照明光源的光波波長越短，得到的圖像的分辨力越高。所以在需要精密尺寸及位置測量的視覺系統(tǒng)中，盡量采用短波長的單色光作為照明光源，對提高系統(tǒng)精度有很大的作用。

攝像機種類： 線&面、隔/逐、黑/彩、數(shù)/模、CCD/CMOS。指標： 象元尺寸、分辨率、靶面大小、感應(yīng)曲線、動態(tài)范圍、靈敏度、速度、噪聲、填充因子、體積、質(zhì)量、工作環(huán)境等。1.分辨率：攝像機每次采集圖像的像素點數(shù)，對于數(shù)字攝像機一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對應(yīng)的，對于模擬攝像機則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480。2.像素深度：即每像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對于數(shù)字攝像機一般還會有10Bit、12Bit等。3.最大幀率/行頻：攝像機采集傳輸圖像的速率，對于面陣攝像機一般為每秒采集的幀數(shù)，對于線陣攝像機為每秒采集的行數(shù)（Hz）。攝像機主要參數(shù)4.曝光方式和快門速度：對于線陣攝像機都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個固定的時間；面陣攝像機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數(shù)字攝像機一般都提供外觸發(fā)采圖的功能。快門速度一般可到10微秒，高速攝像機還可以更快。5.像元尺寸：像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了攝像機靶面的大小。目前數(shù)字攝像機像元尺寸一般為3μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。6.光譜響應(yīng)特性：是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm。

攝像機主要參數(shù)隔行掃描/逐行掃描黑白/彩色攝像機黑白攝像機：每個像素點對應(yīng)一個像元，該像元對于各種波長的光具有較一致的敏感度，采集得到的只是每個像素點的灰度值。采用BAYER轉(zhuǎn)化的單片彩色攝像機：這種攝像機的每個像素點實際只對應(yīng)R、G、B三種之一的像元，R、G、B三種像元按一定的規(guī)律排列，我們實際所得到的每個像素點的R、G、B三原色的數(shù)值是根據(jù)該像素點及其周圍若干點的三色數(shù)值進行BAYER插分計算而來的。3CCD彩色攝像機這種攝像機每個像素點對應(yīng)有R、G、B三個感光元件，采用分光棱鏡將入射光線分別折射到三個CCD靶面上，分別進行光電轉(zhuǎn)換得到R、G、B三色的數(shù)值（見下圖）。得到的圖像質(zhì)量好，但由于攝像機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以一般較昂貴。另外由于這種攝像機采用了分光棱鏡的方式，光線到達每個CCD靶面的光程是不一樣的，所以需要鏡頭做針對性的設(shè)計才能達到比較好的圖像效果，所以使用3CCD的攝像機還需要配備專用的鏡頭。模擬攝像機模擬攝像機所輸出的信號形式為標準的模擬量視頻信號，需要配專用的圖像采集卡才能轉(zhuǎn)化為計算機可以處理的數(shù)字信息。模擬攝像機一般用于電視攝像和監(jiān)控領(lǐng)域，具有通用性好、成本低的特點，但一般分辨率較低、采集速度慢，而且在圖像傳輸中容易受到噪聲干擾，導致圖像質(zhì)量下降，所以只能用于對圖像質(zhì)量要求不高的機器視覺系統(tǒng)。常用的攝像機輸出信號格式有：

●

PAL（黑白為CCIR），中國，625行，50場

●

NTSC（黑白為EIA），日本，525行，60場

數(shù)字攝像機數(shù)字攝像機是在內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換電路，可以直接將模擬量的圖像信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，不僅有效避免了圖像傳輸線路中的干擾問題，而且由于擺脫了標準視頻信號格式的制約，對外的信號輸出使用更加高速和靈活的數(shù)字信號傳輸協(xié)議，可以做成各種分辨率的形式，出現(xiàn)了目前數(shù)字攝像機百花齊放的形勢。常見的數(shù)字攝像機圖像輸出標準有：

IEEE1394，USB2.0，DCOM3，RS-644LVDS，ChannelLinkLVDS，CameraLinkLVDS，千兆網(wǎng)

CCD特點目前攝像機常用的感光芯片有CCD和CMOS兩種：

１．CCD攝像機，CCD稱為電荷耦合器件。

２．CMOS攝像機，CMOS稱為“互補金屬氧化物半導體”。CCD傳感器通常能看到的照度范圍在0.1~3Lux，是CMOS傳感器感光度的3到10倍，所以目前一般CCD攝像機的圖像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS攝像機。

CMOS特點CMOS具有結(jié)構(gòu)簡單、處理功能多、速度快、耗電低、成本低等特點。存在成像質(zhì)量差、像敏單元尺寸小、填充率低等問題，近年來發(fā)展提高了光電靈敏度、減小了噪聲，擴大了動態(tài)范圍，使得一些參數(shù)與CCD攝像機相近，而在功能、功耗、尺寸和價格方面要優(yōu)于CCD，逐步得到廣泛的應(yīng)用。CMOS傳感器可以做得非常大，因此非常適用于特殊應(yīng)用。CMOS傳感器不需要復(fù)雜的處理過程，直接將圖像半導體產(chǎn)生的電子轉(zhuǎn)變成電壓信號，因此就非?？欤@個優(yōu)點使得CMOS傳感器對于高幀攝像機非常有用，高幀速度能達到400到100000幀/秒。圖像采集卡圖像采集卡（完成信號的采集與格式轉(zhuǎn)換）分類：

模擬(標準和非標準）/數(shù)字

單通道/多通道主要指標：

采集頻率（速度），接口

Buffer大小，預(yù)處理功能，支持相機的種類，控制功能，I/O點數(shù)視覺檢測系統(tǒng)評估精度：

為什么要達到這么高的精度？高精度意味著高代價。系統(tǒng)的誤差分配，系統(tǒng)精度、機臺精度、控制傳感精度，視覺部分的精度度（分辨率、圖像質(zhì)量、安裝精度、鏡頭、標定方法、算法、環(huán)境等）。速度：

總指標、控制部分、動作的配合及協(xié)調(diào)、通信速度、采集速度、處理速度（計算機