工业机械视觉技艺pdf

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  工业机器视觉技术 MACHINE VISION ◆ 机器视觉系统概述 目 录 ◆ 机器视觉系统组成 C O N T E ◆ 机器视觉算法概述 N T S ◆机器视觉技术应用领域 2 什么是机器视觉? 机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉的产 品将被摄取目标转化为图像信号 ,传送给专有的图像处理系统,根据像素分布和亮 度、颜色等信息,转变成数字信号 ;图像系统对这些信号进行运算来抽取目标的特 征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。 33 机器视觉典型应用场景 4 机器视觉在工业上应用  提高生产柔性和自动化程度  可用于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场 合,常用机器视觉来代替人工视觉  大批量工业生产过程中,用人工视觉检测产品质量效率低且精 度不高,用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的 自动化程度  机器视觉易于实现信息的集成,是实现计算机集成制造的基础 技术 5 机器视觉能够带来哪些效益?  节省时间  降低生产成本  优化物流过程  缩短机器停工期  提高生产率和产品质量  减轻测试及检测人员劳动强度  减少不合格产品的数量  提高机器利用率 6 机器视觉的应用范围 测量 检测 定位 识别 长度测量 有无检测 PCB加工定位 ID识别 角度测量 残次品检测 圆心定位 光学字符识别/校验 半径测量 瑕疵检测 标签位置定位 颜色识别 … … … … 测量:确定一个产品(零件、对象、目标)的长度、角度、半径… 检测:确定一个产品(零件、对象、目标)偏离于所给定的一组标准的过程。 定位:确定一个产品(零件、对象、目标)关键安装位置的过程。 识别:判定一个产品(零件、对象、目标)属于所给定范围中的哪一种的过程。 7 机器视觉产品检验应用 8 机器视觉系统概述 为展现机器视觉的魅力,1.捕获清晰、优质的怎样效果的图像才算 图像是机器视觉发挥作用的前提!优质的图像呢? 2. 如何才能捕获清晰、 优质的图像呢? 99 获得完美图像的关键要素  反差最大化。控制因素:灯源  恰当的照明与曝光。控制因素:灯源、镜头  高系统精度。控制因素:视野、相机分辨率。  清晰成象。控制因素:镜头、灯源  避免畸变。控制因素:镜头、系统标定  保持待测物体在成象中大小一致。控制因素:视野、拍 照角度、待测物位置 10 待测部分反差  对于一个视觉系统来说,“黑白分明”的图像才是好图像  选择适合的灯源。  采用合适的处理算法。 待测部分 1111 恰当的照明与曝光  避免阴影  如果图像中待测区域处于阴影之下,图像将不能提供足够的反差 ,这将严重 影响系统检测的精度。  避免过亮  如果照明过亮 ,区域内亮部的光线会反射进暗部的区域,造成暗部区域内的 细节损失。  如果曝光过度 ,会产生感光元件“溢出”现象。  避免光线变化  如果照明系统发生明暗变化 ,会造成图像明暗变化。这将直接影响系统运行 的稳定性。  避免外界影响  注意系统周围环境的影响,如生产线上的照明系统、室外阳光等等。  可移动的人或物会遮挡系统照明。 12 高系统精度  系统精度(System accuracy )  X方向系统精度(X方向象素值)= 视野范围(X方向)÷感光芯片象素数量 (X方向)  Y方向系统精度(Y方向象素值)= 视野范围(Y方向÷感光芯片象素数量(Y 方向)  该指标取决于,相机分辨率及视野 (FOV ) FOV:100MM 500 象素 1 pixel= 0.2 MM 13 清晰成像  确定图像中所要检测的部分处于清晰的焦距之内。  当图像中检测部分不处于同一焦平面时,需要考虑镜头的景深。  每一款镜头都有固定的“最短焦距”。  每一款镜头相对于固定的光圈,都有自己固定的景深。  缩小光圈可以加大景深。同时为保证正确曝光需要提高光强。  小光圈拍照,可以使图像获得更多“细节”,图像效果更好。 1414 避免畸形 在定位及高精度测量的系统中,镜头畸变的影响尤其重要。  解决办法 :  远心镜头:可以在一定物距范围内,使得到的图像放大倍率不改变, 高分辨率、超宽景深、超低畸变及独有的平行光设计  进行系统标定 真实世界 镜头畸变产生的图像 15 保持待测物体在成像中大小一致  在定位及识别系统中,这一点尤为重要  控制待测目标位置  相机拍照角度 1616 机器视觉系统组成 17 机器视觉系统组成-灯源 18 灯源简述  灯源:为确保视觉系统正常取像获得足够光信息而提供照明的装置  灯源的目的  是将待测区域与背景明显区分开  将运动目标“凝固”在图像上  增强待测目标边缘清晰度  消除阴影  抵消噪光  灯源是一个视觉应用开始工作的第一步  适合的灯源可以提高系统检测精度、运行速度及工作效率 19 灯源分类  萤光灯  卤素灯+光纤导管  灯泡内加入碘或溴等卤素气体  白炽灯的一个变种  LED光源  其他(激光、紫外光等) 20 常用灯源分析 萤光灯 卤素灯+光纤导管 LED灯源 价格 低 高 中 亮度 低 高 中 稳定性 低 中 高 闪光装置 无 无 有 使用寿命 中 低 高 光线均匀度 高 中 低 多色光 无 无 有 复杂设计 低 中 高 温度影响 中 低 高 2121 背光——测量系统的最佳选择 22 亮场——最直接的照明 高角度照明 23 暗场——适合光滑表面的照明 低角度照明 24 结构光法——最简便的三维测量 激光或线性光源 固定角度照射 三维深度信息 25 影子的利用——最不直接的测量 待测物高度信息 待测物长度信息 2626 同轴光——昂贵的灯源 50% 分束片 同轴光源适宜用于反射度极高的物体 ,如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的 划伤检测; 芯片和硅晶片的破损检测,mark点定位;包装条码识别等。 2727 光的三原色  三原色。光的三原色 :红、绿、蓝;  世界上所有颜色都是由三原色按不同比例组合而成  三原色的色光叠加为白光。如:日光  三原色的色彩叠加为黑色  红、绿、蓝三色为互补色。光照在物体上,物体只反射与自身颜色相同的色光 ; 不同色光照在互补色物体上完全不反光。如:红光照红色物体,黑白相机成象物 体为白色;红光照绿色物体,黑白相机成象物体为黑色。 光 的 三 原 色 28 三原色光源选择 照射红色光 黑白相机 29 彩色相机 30 颜色空间 一般如何表示颜色? 31 RGB颜色空间 默认的颜色空间 0,1,0 R (G=0,B=0) G 1,0,0 (R=0,B=0) 0,0,1 B 缺陷 (R=0,G=0) • 通道之间关联性较强 • 不易感官识别 32 HSV颜色空间 易于辨识 - Hue: 色调(0 deg);圆锥体的角度 - Saturation: 饱和度(0-100%); 与椎体中心的距离 - Value (luminance): 明度(0-100%); 椎体的高度 HSV 与RGB 之间为非线 HSV颜色空间 H (S=1,V=1) S (H=1,V=1) V (H=1,S=0) 颜色空间YCbCr Y :色彩亮度 Cb :蓝色浓度偏移成分 Cr :红色浓度偏移成分 特点:计算较快,易于压缩,常用于电视机视 Y 频信号 (Cb=0.5,Cr=0.5) Y=0 Y=0.5 Cr Cb (Y=0.5,Cr=0.5) Cb Y=1 Cr (Y=0.5,Cb=05) 机器视觉系统组成-镜头 36 相机镜头基本原理 工作距离(WD) 成象面 视 野 ( F O V ) 景深(DOV) 后焦面距离 3737 相机镜头-视野  视野 (FOV) 图像采集设备所能够覆盖的范围 ,可理解为在监视器上可以见到的范 围,也可以是设备所输出的数字图像所能覆盖的最大范围。 3838 镜头常用参数(1/3 ) 最大/最小工作距离(Work Distance )  从物镜到被检测物体的距离范围 ,小于最小工作距离大于最大 工作距离系统均不能正确成像。 景深(Depth Of Field )  深度为与物体从最佳焦点前后移动时, 出现最锐利焦点的最近点 与最远点之间的距离。物体侧的深度范围称为景深。同样,照 相机侧的范围称为焦点深度。具体的景深的值多少略有不同。 3939 镜头常用参数(2/3 )  成像面 可以在镜头的像面上清晰成像的物方平面  光圈与F值 光圈是一个用来控制镜头通光量装置,它通常是在镜头内。表达光圈 大小我们是用F值,如f1.4 ,f2 ,f2.8 等等。  焦距 焦距是像方主面到像方焦点的距离。如16mm ,25mm 4040 镜头常用参数(3/3 )  分辨率 测量系统能够重现的最小的细节的尺寸常常用每毫米线对来表示, 也就是根据这个镜头能够分辨一毫米内多少对直线。选择镜头的 时候必须注意厂商给出的分辨率的定义方式。  lp/mm (line pair per mm) lp/mm是表征分辨率的最简单的指标,但不是最佳指标,最佳的 指标是镜头的调制传递函数MTF。 4141 镜头基本-几何畸变  几何畸变  几何畸变指的是由于镜头方面的原因导致的图像范围内不同 位置上的放大率存在的差异  几何畸变主要包括径向畸变(枕形或桶形失线 镜头的分类-等效焦距  广角镜头  等效焦距小于标准镜头(等效焦距为50mm )的镜头  特点 :最小工作距离短,景深大,视角大  常常表现为桶形畸变。  中焦距镜头  焦距介于广角镜头和长焦镜头之间  通常情况下畸变校正较好。  长焦距镜头  等效焦距超过200mm的镜头  工作距离长,放大比大  常常表现为枕形畸变 4343 镜头的分类-功能  变焦距镜头  镜头的焦距可以调节,镜头的视角,视野可变  定焦距镜头  镜头的焦距不能调节,镜头视角固定 变焦距镜头  聚焦位置和光圈可以调节  定光圈镜头  光圈不能调节,通常情况下聚焦也不能调节。 定焦距镜头 44 镜头的分类-用途  微距镜头 (可成为显微镜头)  用于拍摄较小的目标具有很大的 放大比 微距镜头  远心镜头  包括物方远心镜头和像方远心镜 头以及双边远心镜头。 45 镜头光圈与景深参数间关系(6 )  光圈大通光能力大,光 圈小通光能力小  光圈小则景深大,光圈 大则景深小 46 应如何选择镜头 ?  镜头与相机匹配  镜头接口是否为工业标准接口,C/CS接口  镜头成象面是否=相机CCD尺寸。若相机CCD为1/2“ ,而镜头为1/3” ,则该镜头 与相机不匹配  系统工作空间  镜头最短焦距是否适合系统工作空间  注意镜头焦距与最短焦距间的关系  系统精度  获取最佳视野  镜头畸变对系统精度的影响  镜头分辨率对系统精度的影响  纵深成象  待测物纵深方向的成象是否在镜头景深范围之内  其他  超大、超小物体检测 47 机器视觉系统组成-工业相机 48 工业相机 49 工业相机-图像传感器  图像传感器的尺寸 图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。如:1/3“、 1/2”等。绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4 :3 (H :V) ,数字相机的长宽比例则包 括多种:1 :1 ,16 :9 ,3 :2 等。 50 工业相机-放大率、分辨率  物理放大率 传感器感光面积与视野的比值,整个参数基本取决于镜头  像素 (Pixel =picture+element ) 传感器感光面上最小感光单位。  分辨率(Resolution) 模拟制式相机的分辨率取决于传感器上像素的数目以及后期处理电路 的质量,数字相机的分辨率则直接取决于传感器上像素的数目。 51 工业相机-快门  卷帘快门(Rolling Shutter ) 多数CMOS图像传感器上使用的快门,其特征是逐行曝光,每一行的曝 光时间不一致。  全局快门(Global Shutter ) CCD传感器和极少数CMOS传感器采用的快门,传感器上所有像素同时 刻曝光。 52 工业相机其他参数  像素长宽比 指传感器上像素水平和垂直方向节距的比值,对于正方形的象素来说, 其比值为1 :1。此参数,对于系统的标定有直接影响。  快门速度(Shutter Speed ) CCD/CMOS相机多数采用电子快门,通过电信号脉冲的宽度来控制传 感器的光积分(曝光)时间。对于一般性能的的相机快门速度可以达 到1/10000-1/100000秒。  帧频率(Frame Rate ) 相机每秒中能够输出图像的帧数,对于模拟制式相机,这个频率是固 定值,对于数字相机,是个可变的值。  像素速率(Pixel Rate ) 相机每秒中能够输出像素的个数,仅仅对于数字相机有意义。 53 工业相机扫描方式 • 隔行扫描 (Interlace ) • 逐行扫描 (Progressive scan ) 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 54 信号格式  模拟图像信号  复合视频信号,Y/C分离信号,RGB分量信号。  绝大多数周边设备都能够兼容这些信号格式。通常情况下对于彩色视频信号,Y/C分离 传输的方式优于复合视频传输的方式,RGB分量传输的方式又优于Y/C分离传输方式。  数字相机信号  LVDS :low voltage differential signaling  IEEE-1394(Fire Wire)  USB2.0  CameraLink  Ethernet ,包括传输未经压缩影像的千兆协议和传输经过压缩影像的百兆协议。 55 工业相机的基本结构 IR Filter Digital Image Drive Circuit Processing Module Image Sensor Transmitting Lens Mount Controller Video Signal Channel to control the camera 56 工业相机CCD成像原理(1/2 )  图像传感器(Image sensor ):是一个由N行及M列感光单 元(CCD Pixel )组成的矩阵。  CCD (Charge Coupled Device ,电荷耦合元件)的基本工 作原理:当光子撞击到硅原子上时,会产生自由电子,再将 这些自由电子收集在一起形成信号。 感光单元(CCD Units) 工作原理 5757 工业相机CCD成像原理(2/2 )  CCD的电荷存储器:能够存储一定量的电子。将电子释放出来之后所形 成的电流,便可以量化地代表感光面上某点的明暗信息。  CCD成象的“溢出”(Blooming )问题:当CCD象素接收到过多的光子 ,存储器中所收集的自由电子就会向周边的象素“溢出”。致使整个区 域成象变亮。 光子 溢出 CCD象素 自由电子 58 工业相机CMOS成像原理 CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor ,互补性氧化金属半导体) 每个CMOS单元都可以看作是一个光电二极管,无数 个CMOS单元加上处理线路构成CMOS图像传感器。 其采用光生成像的原理成像,在光的照射下,某些物质 内部的电子会被光子激发出来而形成电流,即光生电 。 59 CMOS与CCD  两者区别 CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同 ,他 们最主要的差别在于信号的读出过程不同 ;由于CCD仅 有一个(或少数几个)输出节点统一读出,其信号输出 的一致性非常好 ;而CMOS芯片中,每个像素都有各自 的信号放大器,各自进行电荷-电压的转换,其信号输 出的一致性较差。但是CCD为了读出整幅图像信号,要 求输出放大器的信号带宽较宽,而在CMOS 芯片中,每 个像元中的放大器的带宽要求较低 ,大大降低了芯片的 功耗 ,这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。 尽管降低了功耗,但是数以百万的放大器的不一致性却 带来了更高的固定噪声,这又是CMOS相对CCD的固有 劣势。 60 工业相机-快门速度 电子快门时间可由用户自己设置。但相机传输速率(Frame rate )是相对固定的。 因此,传输速率是相机的成像速度的“瓶颈”。例:电子快门速度可达1/1000秒, 但成像却只能达到60帧/秒。 电子快门时间 图像传输时间 单帧图像完整拍照时间 相机拍照时间示意图 61 工业相机分类(1/3 )  按照图像传感器区分 CCD相机:使用CCD感光芯片为图像传感器的相机 CMOS相机:使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机  按照输出图像颜色区分: 单色相机:输出图像为单色图像的相机。 彩色相机:输出图像为彩色图像的相机。 62 工业相机分类(2/3 ) 按照传感器类型区分 面扫描相机 传感器上像素呈面状分布的相机,其所成图像为二维“面”图像。 线扫描相机 传感器上呈线状(一行或三行)分布的相机,其所成图像为一维“线 )  按输出信号区分 模拟信号相机 从传感器中传出的信号,被转换成模拟电压信号,即普通视频信号,后再 传到图像采集卡中。 数字信号相机 信号自传感器中的像素输出后,在相机内部直接数字化并输出。 64 影响相机选择的主要因素(1/3 )  系统精度要求与相机分辨率:  相机分辨率(X方向)=最佳视野范围(X方向)÷理论象素值(X方向)  相机分辨率(Y方向)=最佳视野范围(Y方向)÷理论象素值(Y方向)  理论象素值的得出,要由系统精度及亚象素综合考虑  系统速度要求与相机成象速度 :  系统单次运行速度 = 系统成象速度 + 系统检测速度  异步触发  快门速度 65 影响相机选择的主要因素 (2/3 )  与视觉板卡相匹配 :  视频信号的匹配。对于模拟信号相机来说,有两种格式,CCIR/RS170。通 常采集卡都同时支持这两种相机。  分辨率的匹配。每款板卡都只支持某一分辨率范围内的相机。  特殊功能的匹配。如要使用相机的特殊功能,先确定所用板卡支持此功能。  接口的匹配。确定相机与板卡的接口相匹配。如CAMERALINK , FIREWIRE1394等。  其他 :  动态成象  色彩检测  超大目标检测  数字相机 66 影响相机选择的主要因素 (3/3 )  亚象素(Sub Pixel )的概念  亚象素:图像分析软件,可以使系统检测精度达到象素单位以下。如: 1/2象素  亚象素对系统精度的影响  亚象素在相机选型中的应用 测量(边缘寻找算法) 定位(模版匹配算法) 瑕疵(斑点分析)  精度、速度及成本 • 分区取象 67 机器视觉系统组成之图像采集卡 68 图像采集卡基本定义  图像采集卡(Frame Graber ) 图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。图像经过采样、量化以后 转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的过程,叫做采集、数字化。  A/D转换 视频量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字 信号的过程,即A/D转换。视频信号的量化处理是图像采集处理的重要组 成部分。 模拟信号 数字信号 低通滤波 采样/保持 A/D 转换 A/D转换过程 69 图像采集卡基本参数(1/2 )  传输通道数(Channel ) 采集卡同时对多个相机进行A/D转换的能力。如:2通道、4通道。  分辨率 采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。即其所能支持的相机 最大分辨率。  采样频率 采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。在进行高速图像采集时, 需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。 70 图像采集卡的基本概念(2/2 )  传输速率 指图像由采集卡到达内存的速度。主流图像采集卡与主板间都采用PCI接 口,其理论传输速度为132MB/S  图像格式(像素格式) 黑白图像:通常情况下,图像灰度等级可分为256级,即以8位表示。 在对图像灰度有更精确要求时,可用10位,12位等来表示。 彩色图像:彩色图像可由RGB3种色彩组合而成,根据其亮度级别的不同 有8 -8 -8 ,10 -10 -10等格式。 71 图像采集卡其他功能  图像采集卡附加功能 相机触发功能 灯源控制功能 基本I/O功能 相机复位功能 相机时序输出功能 72 图像采集卡的基本原理(1/2 ) 1 采集卡上的 A/D 转换器 2 3 4 5 视野(FOV)或现场是相机及光学系统“看”到的真实世界的具体部分。 感光芯片(CCD或CMOS )将光能转化为电能。 相机将此信息以模拟信号的格式输出至图像采集卡。 AD – 转换器将模拟信号转换成 8 位(或多位)的数字信号。每个象素独 立地把光强以灰度值(Gray level )的形式表达。 这些光强值从CCD芯片的矩阵中被存储在内存的矩阵数据结构中。 73 73 图像采集卡的基本原理(2/2 ) 相机“看”到的图像 模拟信号经A/D转换,传输至内存的图像 74 视觉图像成像原理  灰度值(Gray

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