機(jī)器視覺創(chuàng)新綜合實驗一、介紹：機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點是提高生產(chǎn)的自動化程度。在一些不適合人工作的危險環(huán)境下或者人工視覺難以滿足要求的場合，常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時在大批量生產(chǎn)過程中，人工視覺檢測產(chǎn)品效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測方法可以大大提高生產(chǎn)效率和自動化程度。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，人們廣泛的將機(jī)器視覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)測、成品檢驗和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。本實驗?zāi)M機(jī)器視覺系統(tǒng)在生產(chǎn)實踐中的多種應(yīng)用，深化同學(xué)對機(jī)器視覺系統(tǒng)的認(rèn)識。二、涉及內(nèi)容：光電檢測、信息光學(xué)、數(shù)字圖像處理三、實驗原理（1）機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)成及工作原理：一個典型的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭、 相機(jī)（包括CCD 相機(jī)和COMS相機(jī)）、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊 / 輸入輸出單元等。1)照明系統(tǒng)照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素,它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng)用效果。由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備，所以針對每個特定的應(yīng)用實例，要選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。2）圖像傳感系統(tǒng)機(jī)器視覺的圖像傳感器一般包括三個部分：鏡頭，攝像機(jī)，圖形采集卡。一般來說，圖像傳感器實施對景物圖像的采集；圖形采集卡承擔(dān)著對攝像機(jī)所采集圖像的前置處理任務(wù)，是圖像傳感器與主處理器之間的鏈接“橋梁”。3）圖像處理系統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像處理系統(tǒng)軟件主要包括計算機(jī)操作系統(tǒng)及其應(yīng)用軟件、圖像處理算法軟件、控制軟件等。其中，圖像處理算法軟件是機(jī)器視覺系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的軟件，因為它反映出對不同被測對象圖像特征檢測的核心思想（數(shù)學(xué)模型）。實際上圖像處理算法的涉及范圍十分廣闊，根據(jù)應(yīng)用目的的不同，可包括攝像機(jī)標(biāo)定算法、圖像輸入處理、圖像濾波、邊緣檢測、特征提取、圖像匹配、深度識別。（2）圖像采集設(shè)備的研究1）、遠(yuǎn)心光路遠(yuǎn)心光路就是孔徑光闌位于光學(xué)系統(tǒng)焦點處的光路。ABB1A1A1B1ABMN圖7-1 非遠(yuǎn)心光路在測量儀器中，遠(yuǎn)心光路的作用是非常明顯的，因為它大大降低了因系統(tǒng)離焦而引起的測量誤差。遠(yuǎn)心光路中按照光闌位置的不同，又分為物方遠(yuǎn)心光路和像方遠(yuǎn)心光路，光闌在像方焦點處的為物方遠(yuǎn)心光路，光闌在物方焦點處的為像方遠(yuǎn)心光路。在圖7-1中，光闌在物鏡上，為非遠(yuǎn)心光路。按照測量要求，被測物AB的像AB應(yīng)與分劃板MN重合。但在實際測量中往往因調(diào)試誤差而產(chǎn)生離焦，物面位置實際位于A1B1處，它的像與MN不重合，在MN上的投影為CD，這樣就導(dǎo)致了測量誤差。在圖7-2中，在像方焦點上加上孔徑光闌，成為物方遠(yuǎn)心光路。由于調(diào)焦不準(zhǔn)，物面由AB移動至A1B1，同時像面也由AB移動至A1B1處，但由于是遠(yuǎn)心光路，主光線平行于光軸，出射主光線通過焦點，主光線方向沒有任何改變，A1B1的像A1B1在分劃板上的投影仍為AB，因此沒有引起測量誤差。當(dāng)然，由于離焦，像在分劃板上的投影有一些彌散，但投影中心沒有變化，雖然也會造成判讀誤差，但是相比投影誤差會小得多。ABA1B1ABA1B1MN圖7-2 物方遠(yuǎn)心光路ff在圖7-3中，把光闌放在物鏡的前焦面處。由于軸外主光線在像方是平行的，即使調(diào)焦有誤差，其主光線在分劃板上的位置也沒有變化，讀數(shù)還是相同的。綜上所述，因主光線平行于光軸，造成的結(jié)果是物體前后移動時，在像面上的像點只會模糊而位置中心不變。2）、景深在實際測量中，被測物都是有一定空間深度的，也就是說，需要將一定深度范圍的物空間成像在一個平面上。ABABffMN圖7-3 像方遠(yuǎn)心光路物空間所成的像，在像平面上除了與其共軛的物平面的像之外，同時還映出了位于共軛物平面前后的空間點的像，這些非共軛點在像平面上所成的像不再是點像，而是一些相應(yīng)光束的截面彌散斑。這些彌散斑尺寸足夠小時，可以將其等效地視為空間物點的共軛像，并認(rèn)為所成的由彌散斑組成的像是清晰的。能在像平面上獲得清晰像的空間深度稱為景深。DZ2Z1B1B2Z2Z1B1B2AB-l-l2-l-l1圖7-4如圖7-4所示，因為理想像面B上的彌散斑Z1和Z2分別與物空間對準(zhǔn)面A上的彌散斑Z1Z2相共軛，則有， （1）（1） 式中，是共軛面A和A的垂軸放大率。由圖中相似三角形得， （2）于是有， (3) ， （4）設(shè)，代入(3)、 (4)式，可得，景深。綜上所述，景深與光瞳（光圈）口徑，對準(zhǔn)距離，垂軸放大率，允許彌散斑直徑等諸多因素有關(guān)。當(dāng)、固定時，景深隨光瞳（孔徑光闌）口徑D的加大而減小。遠(yuǎn)心光路的孔徑光闌一般不大，且由于主光線的特性使得系統(tǒng)在一定離焦范圍內(nèi)成像倍率不變，所以其景深比非遠(yuǎn)心光路要大。3）、畸變在理想光學(xué)系統(tǒng)中，一對共軛的物像平面上，放大率是常數(shù)。但是對于實際光學(xué)系統(tǒng)只有視場較小時有這個性質(zhì)。當(dāng)視場較大或很大時，像的放大率隨視場而異，這就使像相對于物會失去相似性。這種使像變形的成像缺陷稱為畸變。設(shè)某一視場實際放大率為，它與理想放大率之差與之比的百分?jǐn)?shù)就作為該視場的畸變，以表示， 即，式中為像高與物高之比，設(shè)為實際像高，為理想像高。則，因此。四、實驗內(nèi)容及步驟 本實驗的內(nèi)容包括讓用戶通過實驗對遠(yuǎn)心鏡頭有個實踐上的認(rèn)識，并對遠(yuǎn)心鏡頭的重要參數(shù)景深和畸變進(jìn)行測量。實驗步驟如下：1)、遠(yuǎn)心鏡頭景深測量CMOS攝像機(jī)光源分辨率板物象雙遠(yuǎn)鏡頭圖7-5 景深測量光路圖（1）按照圖7-5建好實驗光路，并將各部件的光軸調(diào)至同軸等高。（2）將CMOS攝像機(jī)擰上鏡頭，USB插頭連接上計算機(jī)。在計算機(jī)上打開該攝像機(jī)（如果計算機(jī)事先沒有安裝驅(qū)動程序，需用光盤安裝相應(yīng)的CMOS攝像機(jī)的驅(qū)動程序）。（3）將分辨率板數(shù)字朝上，正面（刻字面）面對鏡頭，穩(wěn)定的置于干板架上，不得遮擋刻有條紋和數(shù)字的有效區(qū)域，調(diào)整干板架支桿的高度，使圖形區(qū)的中心與鏡頭中心等高。（4）在計算機(jī)上觀察分辨率板的成像是否正立，旋轉(zhuǎn)鏡頭使屏幕上成像正立，微調(diào)干板架支桿高度使分辨率板的像位于窗口正中央。（5）將分辨率板與鏡頭第一光學(xué)面的距離調(diào)整至GCO-2301鏡頭Re設(shè)計值，并微調(diào)一維平移臺使成像清晰。（6）使分辨率板滑塊遠(yuǎn)離鏡頭，觀察顯示屏上的圖像，直至圖像出現(xiàn)明顯模糊現(xiàn)象，記下此時分辨率板滑塊在光學(xué)導(dǎo)軌上的位置。再使分辨率板滑塊靠近鏡頭，直至圖像再次出現(xiàn)明顯模糊現(xiàn)象，記下此時分辨率板滑塊在光學(xué)導(dǎo)軌上的位置（本實驗所使用的鏡頭，這兩個位置的距離約為70mm）。（7）利用分辨率板滑塊在光學(xué)導(dǎo)軌上的讀數(shù)粗調(diào)分辨率板到鏡頭第一光學(xué)面的距離，利用一維平移臺微調(diào)這個距離。使分辨率板在步驟（3）所得出的成像區(qū)間中每2mm成像一次，點擊單幀采集并保存每次成像的圖像。由于一維平移臺的調(diào)整范圍有限，所以采用粗調(diào)微調(diào)結(jié)合的方式來使位移的變化能夠覆蓋0-70mm范圍。（8）讀取上一步中所得到的各組數(shù)據(jù)，作出分辨率-物距曲線。（9）本實驗以分辨率在12lp/mm及其以上，為可接受的分辨率，由此得到成像清晰的物距范圍，最大物距和最小物距的差值即為景深。（10）將遠(yuǎn)心鏡頭替換為非遠(yuǎn)心鏡頭，重復(fù)上述實驗步驟，測得非遠(yuǎn)心鏡頭的景深之后，與遠(yuǎn)心鏡頭的景深相比較。（得到遠(yuǎn)心鏡頭具有能夠三維大景深成像）。2）、遠(yuǎn)心鏡頭畸變的測量光源光源物象雙遠(yuǎn)鏡頭畸變測量光路圖俯視圖目標(biāo)靶板CMOS攝像機(jī)圖7-6利用已知的標(biāo)準(zhǔn)長度（例如：刻度白屏）對DHC圖像測量軟件進(jìn)行標(biāo)定（1）按照圖7-6建好實驗光路，將目標(biāo)物更換為刻度白屏。（2）打開DHC圖像測量軟件，點擊菜單欄“設(shè)備-大恒HV攝像機(jī)（若采集設(shè)備為CCD攝像機(jī)則選擇大恒SV攝像機(jī)）”。（3）點擊工具欄“開始采集圖像”，在軟件的成像窗口內(nèi)呈現(xiàn)白屏的圖像。適當(dāng)調(diào)整刻度尺的位置。使其成像的位置盡量靠近下面所用的滑動標(biāo)尺且與窗口的上邊緣平行。（加一張顯示屏的實景圖）（4）調(diào)整兩個滑塊的相對位置，使刻度尺在成像窗口中成像清晰。（5）點擊菜單欄“系統(tǒng)-標(biāo)定”或者直接點擊工具欄“校正工具圖表”，這時系統(tǒng)彈出紅色的滑動標(biāo)尺（有水平方向和豎直方向兩個）和校正窗口，反選校正窗口內(nèi)的“X=Y選項”。（6）鼠標(biāo)放在滑動標(biāo)尺水平方向和豎直方向的交點處，拖動滑動標(biāo)尺，使滑動標(biāo)尺左端與圖像中的刻度尺0刻度線重合，將鼠標(biāo)放到水平滑動標(biāo)尺的右端拖動調(diào)整滑動標(biāo)尺長度，使滑動標(biāo)尺右端與白屏的10mm位置重合。這時在校正窗口內(nèi)有X和Y方向上長度和像素之比的詳細(xì)信息。點擊確定，即完成了實驗所用圖像測量軟件的標(biāo)定。3）利用DHC圖像測量軟件測量遠(yuǎn)心鏡頭的畸變（1）將目標(biāo)物滑塊上的實驗儀器更換為剪式升降臺。（2）將待測目標(biāo)靶板正對鏡頭橫向豎直放置與剪式升降臺上（3）調(diào)整升降臺的高度，使目標(biāo)靶板的像占滿測量軟件的成像區(qū)域，并且測量軟件成像區(qū)域正中心有一條黑色粗刻線，調(diào)整物距使靶板在攝像機(jī)上成像清晰。（4）在成像窗口中鏡頭的中央位置選擇一條黑色粗刻線，測量其寬度，作為鏡頭成像的近軸理想像高。具體測量方法如下，點擊測量軟件界面菜單欄“測量-畫線”，鼠標(biāo)移至所選黑色粗刻線的上邊緣，單擊鼠標(biāo)選定直線第一點，向下拖動鼠標(biāo)，利用軟件自動產(chǎn)生的水平輔助線使所畫直線與黑色粗刻線的邊緣垂直，鼠標(biāo)移至黑色粗刻線的下邊緣，單擊鼠標(biāo)選定直線第二點，這時軟件會在所畫直線上直接給出直線的長度，測得黑色粗刻線的寬度，從而得到鏡頭成像的近軸理想像高。測量多組數(shù)據(jù)取平均值，以消除像差和人為因素所帶來的誤差。（5）在成像窗口中的待測點位置選擇一條黑色粗刻線，按照步驟（3）中的方法測量其寬度，作為該點處的鏡頭成像的偏軸實際像高。同樣測量多組數(shù)據(jù)取平均值。