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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。 o ^~6RZ
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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。 1=#r$H
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[attachment=72054] yb/<
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机器视觉优势：机器视觉系统具有高效率、高度自动化的特点，可以实现很高的分辨率精度与速度。机器视觉系统与被检测对象无接触，安全可靠。人工检测与机器视觉自动检测的主要区别有： kN 9S;o@ )
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[attachment=72055] uuj"Er3 1
为了更好地理解机器视觉，下面，我们来介绍在具体应用中的几种案例。 x$CpUy{6
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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： AX**q$ 'R
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[attachment=72056] cNC\w%
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。 [2w3c4K
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机器人视觉引导玩偶定位应用： ^FgNg'"[3
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[attachment=72057] )$q<"t\#P#
现场有两个振动盘，振动盘1作用是把玩偶振动到振动盘2中，振动盘2作用是把玩偶从反面振动为正面。该应用采用了深圳视觉龙公司VD200视觉定位系统，该系统通过判断玩偶正反面，把玩偶处于正面的坐标值通过串口发送给机器人，机器人收到坐标后运动抓取产品，当振动盘中有很多玩偶处于反面时，VD200视觉定位系统需判断反面玩偶数量，当反面玩偶数量过多时，VD200视觉系统发送指令给振动盘2把反面玩偶振成正面。 V.WfP*~NJ
p@i U}SUaE
该定位系统通过玩偶表面的小孔来判断玩偶是否处于正面，计算出玩偶中心点坐标，发送给机器人。通过VD200视觉定位系统实现自动上料，大大减少人工成本，大幅提高生产效率。 VR?7 {3
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视觉检测在电子元件的应用： 7 g ]]>
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[attachment=72058] 7i{Rn K6*
此产品为电子产品的按钮部件，产品来料为料带模式，料带上面为双排产品。通过对每个元器件定位后，使用斑点工具检测产品固定区域的灰度值，来判断此区域有无缺胶情况。 d!8q+FI
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该应用采用了深圳视觉龙公司的DragonVision视觉系统方案，使用两个相机及光源配合机械设备，达到每次检测双面8个产品，每分钟检测大约1500个。当出现产品不良时，立刻报警停机，保证了产品的合格率和设备的正常运行，提高生产效率。 :EgdV
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机器视觉的应用领域: 'lC"wP&$
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•识别 hPr
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标准一维码、二维码的解码 F/j=rs,*|D
光学字符识别（OCR）和确认（OCV） N["c*=x
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[attachment=72059] IX7d[nm39
•检测 mMN oR]
色彩和瑕疵检测 C,2IET
零件或部件的有无检测 I.x0$ac7
目标位置和方向检测 _ Fl]zs<
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•测量 RB/[(4
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尺寸和容量检测 Jr17pu(t
预设标记的测量，如孔位到孔位的距离 DP^{T/G
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[attachment=72060] w41#? VC/
•机械手引导 .6O>P2m]a_
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输出空间坐标引导机械手精确定位 ac+7 D:X
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[attachment=72061] ] (MXP,R
机器视觉系统的分类 9q* sR1
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•智能相机 EzNmsbtZ(
•基于嵌入式 aF'Ik XG d
•基于PC 0RoI`>j'
"Wi`S;
[attachment=72062] Gw+z8^|C&}
机器视觉系统的组成 D VSYH{U4
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•图像获取：光源、镜头、相机、采集卡、机械平台 1&jX~'
•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。 (|U+ (~PJ
•判决执行：电传单元、机械单元 g<,v2A
;/oMH/ ,U8
[attachment=72063] o{-PT'
光源---光路原理 P:*'x9`
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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。 q,:\i+>K*
?Fi-,4
镜面反射：平滑表面以对顶角反射光线 yvH: U5%
漫射反射：粗糙表面会从各个方向漫射光线 {ReAl_C m
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 k(^zhET
1GEE ^Eu
[attachment=72064] W;KHLHp-
•光源---作用和要求 _&F6As
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在机器视觉中的作用 W{-N,?z
照亮目标，提高亮度 i r]u FOj
形成有利于图像处理的效果 $ng\qJ"HF
克服环境光照影响，保证图像稳定性 =_ rn8
用作测量的工具或参照 K]
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良好的光场设计要求 )3..7ht3^5
对比度明显，目标与背景的边界清晰 tk uN$Jl
背景尽量淡化而且均匀，不干扰图像处理 a?J U(
与颜色有关的还需要颜色真实，亮度适中，不过曝或欠曝； 9 l,Gd
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[attachment=72065] l,v :[N
•光源---光场构造 JWn9&WK
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明场： 光线反射进入照相机 |xf%1(Rl@
暗场：光线反射离开照相机 {Or|] 0
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[attachment=72066] pg>P]a{
•光源---构造光源 CiMy_`H
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[attachment=72067] G %#us3x
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： {Ua5bSbh
:_e.ch:4
[attachment=72068] 7PisX!c,h
•相机 x65e,'
VWMCbg>R
种类：线&面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高、CCD/CMOS +- .BF"}
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 rBny*! n
工作模式：Free run、Trigger（多种）、长时间曝光等 ho(Y?'^t3
传输方式：GIGE，Cameralinker,模拟 Cog:6Gnw
T.(SBP
[attachment=72069] J@Orrz2q#
•相机--按照图像传感器区分 [{ zekF~)@
<= 7p~
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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。 ,]cd%w9
gf3/ kll9
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。 *uv\V@0
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•相机--按照输出图像颜色区分： }Ns_RS$
V!Joh5=a
单色相机：输出图像为单色图像的相机。 "^trHh8=
彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。 ]Ny] Ox<
*}v'y{;
•相机--按输出信号区分 6C3y+@9
RV($G8U
模拟信号相机：从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信号后再传到图像采集卡中。 }>OE"#si
[ wu%t8O2
数字信号相机：信号自传感器中的像素输出后，在相机内部直接数字化并输出。数字相机又包含1394相机、USB相机、Gige相机、CameraLink相机等 4o=G) KO{
m# S ZI}
•相机--按照传感器类型区分 ,%jJ
,G,
Qy$QOtrv
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。 keWgbj
*Zc-&Dk:Ir
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。 /0\pPc*kA{
Fj&vWj`*
•相机--CMOS VS CCD z[k2&= c
,J~1~fg89
CCD WI6er;D
CMOS _E "[ %
串行处理 3n/L; T,X
并行处理 |/(5GX,X
光线灵敏度高，图像对比度高 B#gmT 2L
光线灵敏度低，图像对比度低，高动态范围 "*T)L<G
低噪声 EP8LJzd"
存在固定模式噪音 b,@:eV Q7
集成度较低 asJYGqdF
高集成度，芯片上集成了很多功能 e-s@@k
取图速度慢，帧率低 NKGCz|-
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取图速度块，帧率高 K:Ap|F
功耗一般
h!Q >h7
功耗较低 F-R`'{ ka
成本较高 ]I]dwi_g)
成本低 /#
eBDo
rvG qUmSUs
•相机--传感器的尺寸 @2u <Bh}}
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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。 ?y
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jsG9{/Ov3
[attachment=72070] BNByaC
•相机--像素 ^g0 Ig2'
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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。 u)V* o
Z5U~g?
[attachment=72071] P` `hw=L
•相机--分辨率 z6!X+`&
OYzJE@r^
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。 T-@pTJ !K9
5bAXa2Vt
•相机--帧率和行频 }+B7C2_\
X}!_p& WI
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。 `SG70/
7q?Yd AUz
•相机--快门速度（Shutter Speed） Cse0!7_T
J8%|Gd0#4
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。 xvkof
'Q )
}iC~B }
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。 wiVQMgi`
@U) 'UrNr~
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。 d!d
3r W;A
Dux`BKl
•相机--智能相机 Q(sbClp"
?yz%r`;r
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。 aw 7f$ Fqk
`%=Jsi0.Nq
[attachment=72072] .
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NS
•镜头---主要参数 cC[n~OV
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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。 D6vn3*,&
QA3l:D}u
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 <H p"ZCN
*"5a5.`%,
[attachment=72073] WY,t> 1c
分辨率：对色彩和纹理的分辨能力。 R',w~1RV'
I%&9`ceWY
畸变：镜头中心区域和四周区域的放大倍数不相同。 <\ 8
W> ~ %6K>p
[attachment=72074] v Y\O=TZT
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。 WU4i-@Bm8
!$?@ ;}=
[attachment=72075] <7 rK
•镜头---分类 JA} 'd7yEa
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CCTV镜头 + E:(-$"R
专业摄影镜头 oL@ ou{iQ
远心镜头 10rGA=x'(
8. ^U6xA
[attachment=72076] )eEvyU
[attachment=72077] L,Nr,QC-
•镜头---远心镜头 . g#=~{A
iK]g3ew|
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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