机器视觉系统详述

机器视觉系统构成1目录成像系统核心器件选型方法2应用案例4机器视觉系统设计步骤3飞行捕捉和相机丢帧解决办法5机器（Machine)视觉（Vision)+机械运动控制觉(软件)视(硬件)包括光源、镜头、相机、图像采集卡等。机器视觉是一个系统的概念，运用现代先进的控制技术、计算机技术及传感技术，表现为光机电的结合。机器视觉系统构成1、机器视觉系统介绍典型的机器视觉系统包括：光源、镜头、相机、图像采集卡、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。照明光源检测目标光路镜头相机图像采集图像处理运动机构执行机构监视机构2、机器视觉系统的组成机器视觉应用GIGI(Gauge、Inspection、Guide、Identification)Gauge(测量)3、机器视觉系统的应用机器视觉应用GIGI(Gauge、Inspection、Guide、Identification)Inspection（检测）3、机器视觉系统的应用机器视觉应用GIGI(Gauge、Inspection、Guide、Identification)Guide（引导）3、机器视觉系统的应用机器视觉应用GIGI(Gauge、Inspection、Guide、Identification)Identification（识别）3、机器视觉系统的应用机器视觉系统构成1目录成像系统核心器件选型方法2应用案例4机器视觉系统设计步骤3飞行捕捉和相机丢帧解决办法51、成像系统的意义所需要的信息包含在图像中，图像本身的质量对整个视觉系统非常关键！采用特殊的照明方式，得到的图像更容易提取边缘。GarbageIn，GarbageOut.成像系统设计的成败是决定系统成败的首要因素！！！2、成像系统解析光源镜头相机采集卡机器视觉中光源的作用：•照亮目标，提高亮度•形成有利于图像处理的效果•克服环境光干扰，保证图像稳定性由上图可见不同的光源可以产生完全不同的成像效果，从而也导致不同的检测算法（优选及简化）。一幅好的图像应该具备的条件：•对比度明显，目标与背景的边界清晰•背景尽量淡化而且均匀，不干扰图像处理•与颜色有关的颜色信息要真实，亮度适中，不过度曝光光源作用光源LED：照射形状、大小、颜色种类丰富，寿命长，转换特性良好,荧光灯：可实现大型化，便宜，使用10kHZ以上的高频形式卤素灯：高亮度、光纤传导、冷光照明金属卤化物灯：与卤素灯相比更接近太阳光，耗电量低，价格高LED型荧光灯型卤素灯型光源种类光源1.可制成各种形状、尺寸及各种照射角度；2.可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度；3.加散热装置散热效果好，光亮度更稳定；4.使用寿命长，反应快捷。条形光环形光背光源同轴光•特点：照度高，光源指向性强；•应用：LCD面板检测，文字识别等。•特点：照射角度低，利于突出边缘轮廓；•应用：晶片或玻璃基底伤痕检测。•特点：发光部分为漫射面，均匀性好；•应用：靶标测试，LCD检测等。•特点：光线方向趋于平行；•应用：半导体、PCB板表面检测。LED光源优势光源打光方式•单一角度、复合角度、平行光光源形状•同轴光、条形光、背光源、环形光、穹顶光、点光源光源形状•白色、单色、红外、紫外、组合颜色选择光源的三个步骤：光源打光方式特殊照明平行同轴光平行背光复合角度无影灯单一角度明视场暗视场背光照明光源明视场与暗视场明视场：用直射光来观察对象暗视场：用杂散光来观察对象明视场暗视场明视场暗视场光源背光照明主要用于边缘提取，透明体内部不透明体检测，狭缝和通孔内杂质检测。打光原理锯齿缺陷检测马达转子检测光源无影灯运用特殊的光学构造，使对象物多角度受光，从而达到“无阴影”的效果。打光原理穹顶光成像效果可以避免弯曲表面导致的不均匀受光光源平行背光通过精确的光路设计及特殊的光学构造，使原本发散的光线达到“平行”的效果。平行背光普通背光常用于有圆弧、倒角等样品的尺寸测量项目普通背光平行背光光源单色光应用常用LED光源根据颜色分为白光、蓝光、绿光、红光、红外及紫外等。光源通过互补色增加对比度•互补色：也称对比色，互补色在色环上相互对应。两种互补色等强度混合可以得到白色。•如果希望更加鲜明地突出某些颜色，则可以选择右侧色环上相对应的互补颜色，这样可以明显地提高图像的对比度。右图中，绿色背景采用红色光源提高对比度（灰阶图像）光源代码颜色波长（nm）应用R红625(600~720)背景为黑色的透明软板孔位定位、绿色线路板检测、透光膜厚度测量等。G绿517(510~530)红色背景产品检测、银色背景产品检测等。B蓝465(430~480)银色背景（钣金、车加工件等）、薄膜上金属印刷品等。V紫400W白色温：5500k白色光源在拍彩色图像时使用更多。IR红外850(780~1400)穿透塑料薄膜观察缺陷特征等。UV紫外385(190~400)证件检测、触摸屏ITO检测、荧光检测、金属表面划痕检测、点胶溢胶检测等。光源镜头主要参数放大倍率•视场FOV•光学放大倍率距离•工作距离WD•焦距f•景深DOF性能•分辨率•光学畸变•MTF亮度•光圈数•最大兼容CCD镜头光学放大倍率光学放大倍率=y’/y=相机靶面大小/视场大小视场FOV镜头工作距离WD镜头前透镜表面到检测物体表面的距离。镜头焦距f光学系统主点到焦点的距离，焦距越小，视场越大。镜头镜头接口接口类型后截距接口CMount17.526mm螺口CSMount12.5mm螺口FMount46.5mm卡口相机接口CMountCSMountFMount可配镜头接口C/F+转接器CS/C+节圈F接口配套原则镜头F=f/D镜头F数越小，通光孔径越大，景深越小F数镜头最大兼容CCD芯片大小镜头成像尺寸≥相机靶面大小镜头镜头畸变畸变是镜头放大倍率随着视场变化而变化的现象。测量应用，畸变越小越好畸变可以通过软件进行校正镜头镜头景深对于理想的光学系统，像平面对应一个理想物平面。实际光学系统，能清晰成像的最远物面到理想物平面的距离称为远景深度，能清晰成像的最近物面到对准平面的距离称为近景深度，远景深度和近景深度的和就是光学系统的景深。镜头镜头景深F数越小，通光口径越大，景深越小F数越大，通光口径越小，景深越大镜头镜头分辨率物方分辨率：镜头能够分辨开的两个物体之间的最小工作距离，单位μm。Resolution(像)=Resolution(物)×镜头放大倍率解像力：1mm内的黑白线对数，单位lp/mm。Resolving=1/Resolution(像)镜头镜头分辨率当像方分辨率=2×像元尺寸时，说明镜头分辨率与相机完全匹配。如相机像元尺寸为5μm，镜头放大倍率为0.5倍，则物方分辨率为20μm，此时镜头与相机匹配。若R物＜20μm，则说明此时镜头过好，相机分辨率成为系统的限制。镜头调制传递函数MTF空间频率：1mm内的黑白线对数，lp/mm。对比度：归一化的值。理想黑白线对的对比度为1，对比度下降，观察到的图像会模糊。MTF是空间频率和对比度定义的，它表征了光学系统传递对比度的能力，空间频率变高时，对比度会下降。镜头•工作波长可见光波段（380nm~780nm）•机器视觉系统通常使用环境为可见光范围红外与紫外波段（780nm~10mm）•特殊要求，需要用到红外或紫外相机情况镜头--如何选择镜头•定焦与变焦变焦镜头工作距离不变的情况下获得不同的放大倍率镜头--如何选择镜头•远心镜头与标准工业镜头远心镜头•精密测量系统CCTV镜头•一般工业测量、缺陷检测，对物体成像的放大倍率没有严格要求远心镜头CCTV镜头镜头--如何选择镜头根本区别——观察三维物体时，能否消除透视误差远心镜头相机上显示的图像，无论距离镜头近或远，所有物体都表现出相同的大小CCTV镜头相机上显示的图像，距离镜头远的物体比距离镜头近的物体小FOV总是小于远心镜头镜头--如何选择镜头原理：在像方焦平面处设置孔径光阑，使得物方主光线平行于光轴；特点：在景深范围内移动检测物体，镜头放大倍率保持不变；作用：可以消除物方由于调焦不准确带来的读数误差。机器视觉领域里常用的远心镜头为：物方远心镜头和双侧远心镜头。物方远心镜头镜头--如何选择镜头双侧远心镜头原理：在物方焦点及像方焦点均设置孔径光阑，作用：当由于安装或相机芯片精度等因素导致的芯片到镜头接口处的法兰距离可变时，需要用双侧远心镜头来消除物方和像方产生的透视误差。镜头--如何选择镜头优点：•消除透视误差•畸变较小缺点：•由于远心光路限制，要求镜头直径＞FOV，因此当被测物较大时，远心镜头体积会很庞大，成本也会很高。远心镜头特点镜头--如何选择镜头镜头接口镜头接口与相机接口相匹配可以通过接圈转接实现匹配镜头--如何选择镜头•镜头像面尺寸与分辨率镜头像面尺寸•镜头像面尺寸应大于相机靶面镜头分辨率•镜头分辨率与相机的像元大小相匹配，以充分利用相机的分辨精度。镜头像面尺寸＞CCD尺寸镜头像面尺寸＜CCD尺寸YESNO镜头--如何选择镜头选择焦距镜头--如何选择镜头–镜头支持的最大放大倍率或最小工作距离–畸变率–MTF–景深–机械尺寸–抗震性镜头--如何选择镜头AMPA/DA/DA/DA/DA/DA/DCCDCMOS-Rollingshutter-相机相机实际上是一个光电转换装置，即将图像传感器所接收到的光学图像转化为计算机所能处理的电信号。目前典型的光电转换器件为CCD、CMOS图像传感器。电荷积累电荷转移AD转换数据传输成像芯片类型：CCD或CMOS芯片尺寸：1/2英寸或其他像素数：1024X1024像素尺寸：6.5X6.5um帧/行频:30fps信噪比（SNR）：60dB接口：FireWire、Camlink、USB、GIGE等镜头接口：C-Mount、CS-Mount电源：12VEMVA1288性能其他还包括：像素时钟、光谱响应度、是否制冷、工作环境、GPIO等相机相关参数：EMVA报告样例1：光谱响应可见光、红外、紫外、X-ray相机--如何选择相机2：彩色/黑白，线阵/面阵如果需要获取颜色信息的应用（印刷检测），需要选用彩色相机，多数定位、测量、识别及缺陷检测应用建议使用黑白相机。黑白相机图像信噪比高、灵敏度高、对比度大、数据量小，更利于处理！多数应用可以选择面阵相机，对于高速高分辨率检测应用选用线阵相机（PCBAOI、印刷缺陷检测、色选等）。3：分辨率/帧率分辨率=视野/精度帧率应高于检测效率行频=运动速度/精度相机--如何选择相机4：其他考虑因素量子效率；信噪比；动态范围；数据接口；体积；工作环境；……机器视觉系统构成1目录成像系统核心器件选型方法2应用案例4机器视觉系统设计步骤3飞行捕捉和相机丢帧解决办法5问题说明备注被测物被测物是什么？样品？材质？颜色？检测指标有无？好坏？尺寸？位置？瑕疵？字符？条码？检测视野精度要求测量尺寸精度要求多少？工作距离安装摄像机到被测物体的距离最大允许多远？能是否自由调节？生产节拍或产线运行速度每分钟测量多少个？生产线运行速度？安装空间被测零件周围是否有安装光源的位置？是否有合适安装摄像头的位置？怎样固定比较合适？需求调研表合格判据什么定义为合格／不合格？工位信号有工位触发信号还是需要自动连续拍摄图像？剔除方式是否需要自动剔除次品？怎样对不合格品进行剔除？使用什么信号格式？在什么位置进行剔除？工作环境工作环境的温度、湿度、粉尘、防水、杂散光线情况交货日期、成本预期需求调研表检测目标、内容——〉分辨率、检测范围、颜色——〉相机——〉放大率、像面尺寸——〉镜头——〉工作距离、景深、光圈——〉光源——〉机械结构——〉电气控制——〉反馈验证2、一般设计过程机器视觉光学评估流程样品收集分析项目检测需求光学器件选型光学实验评估图像处理机器视觉系统构成1目录成像系统核心器件选型方法2应用案例4机器视觉系统设计步骤3飞行捕捉和相机丢帧解决办法5检测类应用锂电池极片漏涂检测–被测物：锂电池极片正反面–极片宽度：200-800mm–缺陷：是否漏出金属–精度：0.5mm