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2016-08-26 09:28 |
机器视觉入门基础知识介绍
随着工业4.0时代的到来，机器视觉在智能制造业领域的作用越来越重要，为了能让更多用户获取机器视觉的相关基础知识，包括机器视觉技术是如何工作的、它为什么是实现流程自动化和质量改进的正确选择等。小编为你准备了这篇机器视觉入门学习资料。 F WU >WHX
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机器视觉是一门学科技术，广泛应用于生产制造检测等工业领域，用来保证产品质量，控制生产流程，感知环境等。机器视觉系统是将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种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。 $L( ,lB
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[attachment=72054] Nt_sV7zzb
机器视觉优势：机器视觉系统具有高效率、高度自动化的特点，可以实现很高的分辨率精度与速度。机器视觉系统与被检测对象无接触，安全可靠。人工检测与机器视觉自动检测的主要区别有： KPDJ$,:
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[attachment=72055] 7[0Mr,^
为了更好地理解机器视觉，下面，我们来介绍在具体应用中的几种案例。 uH? 4d!G
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啤酒厂采用的填充液位检测系统为例来进行说明： L4T\mP7D7*
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[attachment=72056] 1u5^a^O(|
当每个啤酒瓶移动经过检测传感器时，检测传感器将会触发视觉系统发出频闪光，拍下啤酒瓶的照片。采集到啤酒瓶的图像并将图像保存到内存后，视觉软件将会处理或分析该图像，并根据啤酒瓶的实际填充液位发出通过-未通过响应。如果视觉系统检测到一个啤酒瓶未填充到位，即未通过检测，视觉系统将会向转向器发出信号，将该啤酒瓶从生产线上剔除。操作员可以在显示屏上查看被剔除的啤酒瓶和持续的流程统计数据。 nC
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机器人视觉引导玩偶定位应用： %scIZCrI~
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[attachment=72057] `Ix`/k}
现场有两个振动盘，振动盘1作用是把玩偶振动到振动盘2中，振动盘2作用是把玩偶从反面振动为正面。该应用采用了深圳视觉龙公司VD200视觉定位系统，该系统通过判断玩偶正反面，把玩偶处于正面的坐标值通过串口发送给机器人，机器人收到坐标后运动抓取产品，当振动盘中有很多玩偶处于反面时，VD200视觉定位系统需判断反面玩偶数量，当反面玩偶数量过多时，VD200视觉系统发送指令给振动盘2把反面玩偶振成正面。 b C"h7$3
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该定位系统通过玩偶表面的小孔来判断玩偶是否处于正面，计算出玩偶中心点坐标，发送给机器人。通过VD200视觉定位系统实现自动上料，大大减少人工成本，大幅提高生产效率。 ~|, "w90
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视觉检测在电子元件的应用： A-.Wd7^~*
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[attachment=72058] 4 ;)t\9cy_
此产品为电子产品的按钮部件，产品来料为料带模式，料带上面为双排产品。通过对每个元器件定位后，使用斑点工具检测产品固定区域的灰度值，来判断此区域有无缺胶情况。 op2Zf?Bx{+
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该应用采用了深圳视觉龙公司的DragonVision视觉系统方案，使用两个相机及光源配合机械设备，达到每次检测双面8个产品，每分钟检测大约1500个。当出现产品不良时，立刻报警停机，保证了产品的合格率和设备的正常运行，提高生产效率。 Vv5T(~
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机器视觉的应用领域: ZwY mR =
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•识别 Y1>OhHuN
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标准一维码、二维码的解码 !mWm@ }Ujg
光学字符识别（OCR）和确认（OCV） 9bRUN<
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[attachment=72059] -R1;( n)
•检测 vg3iT }
色彩和瑕疵检测 {|OXiRm'
零件或部件的有无检测 e 2G;_:
目标位置和方向检测 q 9VBK(,X
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•测量 G(shZ=fq
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尺寸和容量检测 w'_|X& @H
预设标记的测量，如孔位到孔位的距离 5]CaWFSmT
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[attachment=72060] #H
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•机械手引导 c;(Fz^&_
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输出空间坐标引导机械手精确定位 qf ]le] J
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[attachment=72061] 9An \uH)mL
机器视觉系统的分类 Uc ,..
J(~1mIJjC
•智能相机 )K::WqR%w)
•基于嵌入式 w8 N1-D42
•基于PC m~W[,7NE0&
Unq~lt%2
[attachment=72062] I` j G
机器视觉系统的组成 [ 4b E"u
&Qj1uf92.
•图像获取：光源、镜头、相机、采集卡、机械平台 {[/A?AV; F
•图像处理与分析：工控主机、图像处理分析软件、图形交互界面。 n"}* C|(k
•判决执行：电传单元、机械单元 2?:OsA}
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[attachment=72063] _\,lv
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光源---光路原理 Jy "\_Vv l
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照相机并不能看见物体，而是看见从物体表面反射过来的光。 vF~q ".imC
&w`Ho)P
镜面反射：平滑表面以对顶角反射光线
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漫射反射：粗糙表面会从各个方向漫射光线 7B5b
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发散反射：多数表面既有纹理，又有平滑表面，会对光线进行发散反射 XhWo~zh"
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[attachment=72064] qe
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•光源---作用和要求 Y[>h |@
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在机器视觉中的作用 +eKLwM
照亮目标，提高亮度 qkp0' f*}
形成有利于图像处理的效果 XDyo=A]
克服环境光照影响，保证图像稳定性 /F|VYl^_
用作测量的工具或参照 nra)t|m
良好的光场设计要求 |yp^T
对比度明显，目标与背景的边界清晰 L\bc R
背景尽量淡化而且均匀，不干扰图像处理 9B83H V4 J
与颜色有关的还需要颜色真实，亮度适中，不过曝或欠曝； " ;T
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[attachment=72065] aTvLQ@MQ
•光源---光场构造 ]c|JxgU
s`[V{1m ,
明场： 光线反射进入照相机 z?kE((Ey
暗场：光线反射离开照相机 Qgf|obrEi6
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[attachment=72066] s[/d}S@ >
•光源---构造光源 7(C)vtEO:
H, GnF
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使用不同照明技术对被测目标会产生不同的影响，以滚珠轴承为例： Vu4L C&q
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[attachment=72068] E KN<KnU%
•相机 ZJhI|wRwD
e.X D5~Ax
种类：线&面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高、CCD/CMOS Qz2jV
指标：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感应曲线、动态范围、灵敏度、速度噪声、填充因子、体积、质量、工作环境等 3i4m!g5Z?
工作模式：Free run、Trigger（多种）、长时间曝光等 xdaq` ^Bbt
传输方式：GIGE，Cameralinker,模拟 =JP Y{'V O
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I#-h<SG
[attachment=72069] '0_W< lGB
•相机--按照图像传感器区分 Q?([#
z.2UZ%:
CCD相机：使用CCD感光芯片为图像传感器的相机,集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。 .A6pPRy e
U;u 4ey
CMOS相机：使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机 ,将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。 Q[ H4l({E
E(1G!uu<
•相机--按照输出图像颜色区分： =eDC{/K
Ic&YiATj
单色相机：输出图像为单色图像的相机。 y OXEP
彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。 9 o P
M\JAB ;A
•相机--按输出信号区分 n ? =O@yq
Qn- nO_JL
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。 R{aqn0M
ZdPqU \G^q
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。数字相机又包含1394相机、USB相机、Gige相机、CameraLink相机等 =1)9>= }
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]](xYy.
•相机--按照传感器类型区分 *g:Dg I 2
1sJz`+\
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。 w6 lx&K-
*] >R
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”图像。 ]ERAt^$0
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•相机--CMOS VS CCD R@>^t4#_Q0
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CCD Zm6jF
CMOS od,,2pwK+
串行处理 KRP6b:+4L
并行处理 .]<gm9l
光线灵敏度高，图像对比度高 UxMe i
光线灵敏度低，图像对比度低，高动态范围 sdd%u~4,X
低噪声 qzZ;{>_f
存在固定模式噪音 }#= t%uZ/
集成度较低 ku>Bxau4>
高集成度，芯片上集成了很多功能 X %;4G^%ZI
取图速度慢，帧率低 3(* vZ
取图速度块，帧率高 ~Xr[d07bC
功耗一般 c2s73i z
功耗较低 LCH w.
成本较高 o62GEl25
成本低 cmd7-2
FS!vnl8`
•相机--传感器的尺寸 &&"+\^3
$0~1;@`rQ6
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：1：1，4：3，3：2 等。 N>sHT
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tm_\(
[attachment=72070] F<*zL:-Z
•相机--像素
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是成像于相机芯片的图像的最小组成单位。以200万像素的相机为例，满屏有1600*1200个像素,成像于1/1.8英寸大小的CCD芯片。 *W 04$N
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[attachment=72071] ChNT; G<6$
•相机--分辨率 6]HM hv
-&%!
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由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：1920（H）x 1080(V)，前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元，后面的数字表示像元的行数，即1080行。 CSNz8
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X @A8~ kj1
•相机--帧率和行频 yVpru8+eD
9sv#TT5V
由相机的帧率/行频表示相机采集图像的频率，通常面阵相机用帧率表示，单位fps（Frame Per second），如30fps,表示相机在1秒钟内最多能采集30帧图像；线性相机通常用行频表示，单位KHz,如12KHz表示相机在1秒钟内最多能采集12000行图像数据。 .i#'IS0c
/}eb1o
•相机--快门速度（Shutter Speed） Kz]\o"K
.8[uEQ_L
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。 YCdtf7P=q
,k Fp%qNj
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。 Wk
}}f|O0
@j(2tJ,w
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。 G6\`Iy68/v
oGt 2n:
•相机--智能相机 {817Svp@
B_3N:K Y
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智能工业相机是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。智能工业相机一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成。由于应用了最新的 DSP、FPGA及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需求。 T*(mi{[T
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[attachment=72072] Ar T@BqWd
•镜头---主要参数 8\?H`NN
\34 :]NM
工业的镜头大都是多组镜片组合在一起的。计算时会忽略厚度对透镜的影响将其等效成没有厚度的播透镜模型，即理想凸透镜。 .[?2_e#9 %
If P?+yPa
参数：焦距/视场/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍数/畸变/接口 , $cpm =1
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[attachment=72073] +7y#c20
分辨率：对色彩和纹理的分辨能力。 5n e&6
n HLMF7\
畸变：镜头中心区域和四周区域的放大倍数不相同。 Jgq#m~M6
~svea>Fmr
[attachment=72074] 7H,)heA
畸变的校正一般用黑白分明的方格图像来进行，过程并不复杂。一般如果畸变小于2%，人眼观察不到；若畸变小于CCD的一个像素，摄像机也看不见。 mWMtz]M}
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[attachment=72075] r#J_;P{U
•镜头---分类 n<A<Xj08T9
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CCTV镜头 ;[:IC^9fv
专业摄影镜头 wf^p?=Ke
远心镜头 !R[~Z7b6
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[attachment=72076] q{xF7}i
[attachment=72077] :=:m4UJb
•镜头---远心镜头 wEU=R>j.
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在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样也会产生测量误差。采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。[attachment=72078]
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