机器视觉系统综合基础知识

光机电的完美集成(机器视觉系统综合基础知识)机器视觉系统综合基础知识灯源简述灯源分类获得完美图像的6大要素如何选择镜头第一节第一节内容提要机器视觉系统综合基础知识一、灯源简述第一节机器视觉系统工作的基本程序：•取像=》分析=》结果输出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机器视觉系统综合基础知识二、灯源分类第一节萤光灯卤素灯+光纤导管LED光源其他（激光、紫外光等）机器视觉系统综合基础知识第一节三、获得完美图像的6大要素（1）：高系统精度系统精度（Systemaccuracy）•X方向系统精度（X方向象素值）＝视野范围（X方向）÷CCD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÷CCD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：100MM500象素象素值=0。2MM机器视觉系统综合基础知识第一节三、获得完美图像的6大要素（1）：高系统精度最佳视野（FOV）：•让视觉系统“关心”的部分尽可能“充满”视野。通俗来说，FOV越小越“好”。•相机分辨率相同视野越小系统精度越高•视野相同相机分辨率越高系统精度越高适合的视野不适合的视野调整系统关心的部分机器视觉系统综合基础知识第一节三、获得完美图像的6大要素(2)：清晰成象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注意：每一款镜头都有固定的“最短焦距”注意：每一款镜头相对于固定的光圈，都有自己固定的景深注意：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注意：小光圈拍照，可以使图像获得更多“细节”，图像效果更好机器视觉系统综合基础知识第一节三、获得完美图像的6大要素(3)：避免畸变在定位及高精度测量的系统中，镜头畸变的影响尤其重要•使用远心镜头•进行系统标定真实世界镜头畸变产生的图像机器视觉系统综合基础知识第一节三、获得完美图像的6大要素（4）：保持待测物体在成象中大小一致在定位及识别系统中，这一点尤为重要•控制待测目标位置•相机拍照角度机器视觉系统综合基础知识第一节三、获得完美图像的6大要素（5）：图像中待测部分反差最大化对于一个视觉系统来说，“黑白分明”的图像才是好图像•选择适合的灯源待测部分机器视觉系统综合基础知识第一节三、获得完美图像的6大要素（6）：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CCD“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机器视觉系统综合基础知识第一节三、获得完美图像的6大要素：小结#1：获得完美图像的6大要素及控制因素•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•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小结#2：如何获得完美图像•选择适合的灯源、镜头、相机•学会如何使用、控制灯源、镜头、相机机器视觉系统综合基础知识第一节四、如何选择镜头（1）：技术因素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、超小物体检测机器视觉系统综合基础知识第一节四、如何选择镜头（2）：常见镜头分类CCTV镜头专业摄影镜头远心镜头机器视觉系统综合基础知识第一节CCTV镜头专业摄影镜头远心镜头价格低中高分辨率低（20L/MM）中（40^80L/MM）高畸变高中低焦距选择范围广泛25MM/75MM/50MM广泛25MM/75MM/50MM狭窄使用灵活性高中低适合应用低精度测量/简单检测标准精度测量/定位高精度测量/纵深测量四、如何选择镜头（3）：常见镜头对比机器视觉系统综合基础知识如何选择灯源如何选择相机例题项目评估的基本步骤第二节第二节内容提要机器视觉系统综合基础知识第二节一、如何选择光源（1）：背光——测量系统的最佳选择机器视觉系统综合基础知识第二节一、如何选择光源（2）：亮场——最直接的照明高角度照明机器视觉系统综合基础知识第二节一、如何选择光源（3）：暗场——适合光滑表面的照明低角度照明机器视觉系统综合基础知识第二节一、如何选择光源（4）：结构光法——最简便的三维测量三维深度信息激光或线性光源固定角度照射机器视觉系统综合基础知识第二节一、如何选择光源（5）：影子的利用——最不直接的测量待测物长度信息待测物高度信息机器视觉系统综合基础知识第二节一、如何选择光源（6）：同轴光——昂贵的灯源50%分束片机器视觉系统综合基础知识第二节一、如何选择光源（7）：彩色的考虑三原色。光的三原色：红、绿、蓝；色彩三原色：青、紫、黄•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色彩三原色机器视觉系统综合基础知识第二节一、如何选择光源（7）：彩色的考虑机器视觉系统综合基础知识第二节一、如何选择光源（8）：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机器视觉系统综合基础知识第二节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•快门速度二、如何选择相机（1）机器视觉系统综合基础知识第二节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•数字相机二、如何选择相机（2）机器视觉系统综合基础知识第二节亚象素（SubPixel）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•分区取象二、如何选择相机（3）机器视觉系统综合基础知识第二节根据现场的检测样品及教师提出的要求，完全系统硬件选型•灯源选型•镜头选型•相机选型•系统参数：视野、工作距离等三、例题（1）：题目机器视觉系统综合基础知识第二节选型步骤：•确定项目检测方向：测量、检测、定位。•确定项目检测要求：精度、速度、工作空间。•根据项目检测方向完成灯源选型•根据项目精度要求确定最佳视野•根据项目精度要求及工作空间要求完成镜头选型确定某款镜头、工作距离、•根据项目精度要求及速度要求完成相机选型•考虑系统硬件成本三、例题（2）：提示机器视觉系统综合基础知识四、项目评估的基本步骤（1）第二节客户需求系统精度要求系统速度要求检测项目条款检测项目条款•条款名称及详细说明系统工作空间要求•初步了解视觉系统允许的工作空间系统速度要求•清楚了解整个系统的速度要求•对于设备制造商，还需要了解整个设备的工作流程系统工作空间要求系统精度要求•详细记录每项条款的精度要求机器视觉系统综合基础知识四、项目评估的基本步骤（2）第二节灯源选型•根据项目的检测条款，选用适合的灯源镜头的选型•系统精度要求•系统工作空间要求相机选型•系统精度要求•系统速度要求项目评估镜头选型相机选型灯源选型项目试验项目试验•系统搭建，灯源、镜头、相机•建立检测程序原型•记录试验结果，精度、检测时间机器视觉系统综合基础知识四、项目评估的基本步骤（3）第二节条款回顾•根据项目的检测条款，逐条确定是否可以检测精度回顾•根据项目的检测条款，逐条列出试验完成精度系统运行速度•记录试验中系统运行速度评估报告精度回顾系统运行速度条款回顾系统硬件配置系统硬件配置•记录系统硬件配置。灯源、镜头、工作距离、光圈、相机、快门速度、电脑配置等机器视觉系统综合基础知识如何选用板卡PC式系统概述智能相机概述视觉系统选型视觉系统未来发展趋势第三节第三节内容提要机器视觉系统综合基础知识第三节一、如何选用板卡（1）什么是视觉板卡的软件包•由视觉厂家开发出的与其板卡产品相配套的视觉软件工具包软件包的基本构成•图像处理工具。如边缘寻找、模版匹配等•图像预处理工具。如直方图、图像二直化等•其他工具。如图像缓冲区、画图工具等为什么要使用软件包•安全的软硬件匹配•节省开发周期•底层图像处理工具稳定可靠机器视觉系统综合基础知识一、如何选用板卡（2）第三节什么样视觉板卡是“好”板卡板卡硬件功能的对比板卡软件包功能的对比应用系统开发时限及功能公司市场定位及经营方向机器视觉系统综合基础知识一、如何选用板卡（3）第三节硬件功能对比•图像格式支持•分辨率支持•相机特殊功能支持•灯源控制•图像缓冲•其他机器视觉系统综合基础知识一、如何选用板卡（4）第三节软件功能对比（1）•是否易于使用硬件开发环境开发环境的操作系统开发语言软件功能对比（2）•软件功能优劣边缘寻找功能目标定位功能图像预处理功能字符读取功能（OCR）数据读取功能图像缓冲功能实际应用功能•接口功能•其他辅助功能机器视觉系统综合基础知识应用系统开发时限及功能一、如何选用板卡（5）：第三节系统功能开发时限技术支持人力资源综合分析最后决定机器视觉系统综合基础知识第三节一、如何选用板卡（6）公司市场定位及经营方向•系统开发成本开发硬件成本开发人力资源成本•系统销售价格•系统市场前景未来几年内的整体市场预测年销售额预测市场竞争状况•板卡及软件包技术优势与竞争对手相比，各自的技术优劣•软件包更新换代机器视觉系统综合基础知识二、PC式系统概述第三节待测目标CCD相机镜头灯源图像采集卡电脑系统PCI地址总线灯源控制信号相机控制信号及电源模拟图像信号数字图像信号机器视觉系统综合基础知识三、智能相机的概述第三节智能相机（SmartCamera）•嵌入式视觉系统（EmbeddedVisionSystem），或叫视觉传感器（VisionSensor）。大约于十年前出现在市场上“嵌入”机器视觉系统综合基础知识四、视觉系统选型第三节PC式视觉系统嵌入式视觉系统检测速度强弱测量精度强弱多相机支持强弱闪光装置强弱相机功能支持强弱用户化功能支持强弱复杂运算强弱系统成本弱强工作空间弱强操作难度弱强集成能力弱强稳定性弱