1、 機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成1目錄成像系統(tǒng)核心器件選型方法2應(yīng)用案例4機器視覺系統(tǒng)設(shè)計步驟3飛行捕捉和相機丟幀解決辦法5 機 器（Machine) 視 覺 （Vision)+機械運動控制覺(軟件)視(硬件)包括光源、鏡頭、相機、圖像采集卡等。機器視覺是一個系統(tǒng)的概念，運用現(xiàn)代先進的控制技術(shù)、計算機技術(shù)及傳感技術(shù)，表現(xiàn)為光機電的結(jié)合。機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成1、機器視覺系統(tǒng)介紹 典型的機器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭、相機、圖像采集卡、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通訊/輸入輸出單元等。照明光源檢測目標光路鏡頭相機圖像采集圖像處理運動機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)監(jiān)視機構(gòu)2、機器視覺系統(tǒng)的組成機器視覺應(yīng)用GIGI(Gauge、Inspecti

2、on、Guide、Identification)lGauge(測量)3、機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用機器視覺應(yīng)用GIGI(Gauge、Inspection、Guide、Identification)lInspection（檢測）3、機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用機器視覺應(yīng)用GIGI(Gauge、Inspection、Guide、Identification)lGuide（引導(dǎo)）3、機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用機器視覺應(yīng)用GIGI(Gauge、Inspection、Guide、Identification)lIdentification（識別）3、機器視覺系統(tǒng)的應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成1目錄成像系統(tǒng)核心器件選型方法2應(yīng)用案例4機器

3、視覺系統(tǒng)設(shè)計步驟3飛行捕捉和相機丟幀解決辦法51、成像系統(tǒng)的意義 所需要的信息包含在圖像中，圖像本身的質(zhì)量對整個視覺系統(tǒng)非常關(guān)鍵！采用特殊的照明方式，得到的圖像更容易提取邊緣。Garbage In，Garbage Out.成像系統(tǒng)設(shè)計的成敗是決定系統(tǒng)成敗的首要因素！ 2、成像系統(tǒng)解析光源鏡頭相機采集卡u 機器視覺中光源的作用： 照亮目標，提高亮度形成有利于圖像處理的效果克服環(huán)境光干擾，保證圖像穩(wěn)定性由上圖可見不同的光源可以產(chǎn)生完全不同的成像效果，從而也導(dǎo)致不同的檢測算法（優(yōu)選及簡化） 。u 一幅好的圖像應(yīng)該具備的條件：對比度明顯，目標與背景的邊界清晰背景盡量淡化而且均勻，不干擾圖像處理與顏色有

4、關(guān)的顏色信息要真實，亮度適中，不過度曝光 光源作用光源u LED：照射形狀、大小、顏色種類豐富，壽命長，轉(zhuǎn)換特性良好,u 熒光燈：可實現(xiàn)大型化，便宜，使用10kHZ以上的高頻形式u 鹵素燈：高亮度、光纖傳導(dǎo)、冷光照明u 金屬鹵化物燈：與鹵素燈相比更接近太陽光，耗電量低，價格高LED型熒光燈型鹵素燈型光源種類光源1.可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度；2.可根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時調(diào)節(jié)亮度；3.加散熱裝置散熱效果好，光亮度更穩(wěn)定；4.使用壽命長，反應(yīng)快捷。條形光環(huán)形光背光源同軸光特點：照度高，光源指向性強；應(yīng)用：LCD面板檢測，文字識別等。特點：照射角度低，利于突出邊緣輪廓；應(yīng)用：晶片或

5、玻璃基底傷痕檢測。特點：發(fā)光部分為漫射面，均勻性好；應(yīng)用：靶標測試，LCD檢測等。特點：光線方向趨于平行；應(yīng)用：半導(dǎo)體、PCB板表面檢測。LED光源優(yōu)勢光源打光方式 單一角度、復(fù)合角度、平行光光源形狀 同軸光、條形光、背光源、環(huán)形光、穹頂光、點光源光源形狀 白色、單色、紅外、紫外、組合顏色選擇光源的三個步驟：光源打光方式特殊照明平行同軸光平行背光復(fù)合角度無影燈單一角度明視場暗視場背光照明光源明視場與暗視場 明視場：用直射光來觀察對象 暗視場：用雜散光來觀察對象明視場暗視場明視場暗視場光源背光照明主要用于邊緣提取，透明體內(nèi)部不透明體檢測，狹縫和通孔內(nèi)雜質(zhì)檢測。打光原理鋸齒缺陷檢測馬達轉(zhuǎn)子檢測光源

6、無影燈運用特殊的光學(xué)構(gòu)造，使對象物多角度受光，從而達到“無陰影”的效果。打光原理穹頂光成像效果可以避免彎曲表面導(dǎo)致的不均勻受光光源平行背光通過精確的光路設(shè)計及特殊的光學(xué)構(gòu)造，使原本發(fā)散的光線達到“平行”的效果。平行背光普通背光常用于有圓弧、倒角等樣品的尺寸測量項目普通背光平行背光光源單色光應(yīng)用常用LED光源根據(jù)顏色分為白光、藍光、綠光、紅光、紅外及紫外等。光源通過互補色增加對比度互補色：也稱對比色，互補色在色環(huán)上相互對應(yīng)。兩種互補色等強度混合可以得到白色。如果希望更加鮮明地突出某些顏色，則 可以選擇右側(cè)色環(huán)上相對應(yīng)的互補顏色， 這樣可以明顯地提高圖像的對比度。右圖中，綠色背景采用紅色光源提高對

7、比度 （灰階圖像） 光源代碼代碼顏色顏色波長（波長（nm）應(yīng)用應(yīng)用R紅625(600720)背景為黑色的透明軟板孔位定位、綠色線路板檢測、透光膜厚度測量等。G綠517(510530)紅色背景產(chǎn)品檢測、銀色背景產(chǎn)品檢測等。B藍465(430480)銀色背景（鈑金、車加工件等）、薄膜上金屬印刷品等。V紫400W白色溫：5500k白色光源在拍彩色圖像時使用更多。IR紅外850(7801400) 穿透塑料薄膜觀察缺陷特征等。UV紫外385(190400)證件檢測、觸摸屏ITO檢測、熒光檢測、金屬表面劃痕檢測、點膠溢膠檢測等。光源鏡頭主要參數(shù)放大倍率 視場FOV 光學(xué)放大倍率距離 工作距離WD 焦距f

8、景深DOF性能 分辨率 光學(xué)畸變 MTF亮度 光圈數(shù) 最大兼容CCD鏡頭光學(xué)放大倍率光學(xué)放大倍率=y/y=相機靶面大小/視場大小視場FOV鏡頭工作距離WD鏡頭前透鏡表面到檢測物體表面的距離。鏡頭焦距 f光學(xué)系統(tǒng)主點到焦點的距離，焦距越小，視場越大。鏡頭鏡頭接口接口類型接口類型后截距后截距接口接口C Mount17.526mm螺口螺口CS Mount12.5mm螺口螺口 F Mount46.5mm卡口卡口相機接口C MountCS MountF Mount可配鏡頭接口C/F+轉(zhuǎn)接器CS/C+節(jié)圈F接口配套原則鏡頭F=f/D鏡頭F數(shù)越小，通光孔徑越大，景深越小F數(shù)鏡頭最大兼容CCD芯片大小鏡頭成像

9、尺寸相機靶面大小鏡頭鏡頭畸變畸變是鏡頭放大倍率隨著視場變化而變化的現(xiàn)象。 測量應(yīng)用，畸變越小越好 畸變可以通過軟件進行校正鏡頭鏡頭景深對于理想的光學(xué)系統(tǒng)，像平面對應(yīng)一個理想物平面。實際光學(xué)系統(tǒng)，能清晰成像的最遠物面到理想物平面的距離稱為遠景深度，能清晰成像的最近物面到對準平面的距離稱為近景深度，遠景深度和近景深度的和就是光學(xué)系統(tǒng)的景深。鏡頭鏡頭景深 F數(shù)越小，通光口徑越大，景深越小 F數(shù)越大，通光口徑越小，景深越大鏡頭鏡頭分辨率l 物方分辨率：鏡頭能夠分辨開的兩個物體之間的最小工作 距離，單位m。Resolution(像)=Resolution(物)鏡頭放大倍率l 解像力：1mm內(nèi)的黑白線對數(shù)

10、，單位lp/mm。Resolving=1/Resolution(像)鏡頭鏡頭分辨率 當像方分辨率=2像元尺寸時，說明鏡頭分辨率與相機完全匹配。 如相機像元尺寸為5m，鏡頭放大倍率為0.5倍，則物方分辨率為20m，此時鏡頭與相機匹配。若R物20m，則說明此時鏡頭過好，相機分辨率成為系統(tǒng)的限制。鏡頭調(diào)制傳遞函數(shù)MTF 空間頻率：1mm內(nèi)的黑白線對數(shù)，lp/mm。 對比度：歸一化的值。理想黑白線對的對比度為1，對比度下降，觀察到的圖像會模糊。 MTF是空間頻率和對比度定義的，它表征了光學(xué)系統(tǒng)傳遞對比度的能力，空間頻率變高時，對比度會下降。鏡頭工作波長可見光波段（380nm780nm） 機器視覺系統(tǒng)通

11、常使用環(huán)境為可見光范圍紅外與紫外波段（780nm10mm） 特殊要求，需要用到紅外或紫外相機情況鏡頭-如何選擇鏡頭定焦與變焦變焦鏡頭工作距離不變的情況下獲得不同的放大倍率鏡頭-如何選擇鏡頭遠心鏡頭與標準工業(yè)鏡頭遠心鏡頭 精密測量系統(tǒng)CCTV鏡頭 一般工業(yè)測量、缺陷檢測，對物體成像的放大倍率沒有嚴格要求遠心鏡頭CCTV鏡頭鏡頭-如何選擇鏡頭根本區(qū)別觀察三維物體時，能否消除透視誤差遠心鏡頭相機上顯示的圖像，無論距離鏡頭近或遠，所有物體都表現(xiàn)出相同的大小CCTV鏡頭相機上顯示的圖像，距離鏡頭遠的物體比距離鏡頭近的物體小FOV總是小于遠心鏡頭鏡頭-如何選擇鏡頭p 原理：在像方焦平面處設(shè)置孔徑光闌，使得

12、物方主光線平行于光軸；p 特點：在景深范圍內(nèi)移動檢測物體，鏡頭放大倍率保持不變；p 作用：可以消除物方由于調(diào)焦不準確帶來的讀數(shù)誤差。機器視覺領(lǐng)域里常用的遠心鏡頭為：物方遠心鏡頭和雙側(cè)遠心鏡頭。物方遠心鏡頭鏡頭-如何選擇鏡頭 雙側(cè)遠心鏡頭p 原理：在物方焦點及像方焦點均設(shè)置孔徑光闌，p 作用：當由于安裝或相機芯片精度等因素導(dǎo)致的芯片到鏡頭接口處的法蘭 距離可變時，需要用雙側(cè)遠心鏡頭來消除物方和像方產(chǎn)生的透視誤差。鏡頭-如何選擇鏡頭 n 優(yōu)點：消除透視誤差畸變較小n 缺點：由于遠心光路限制，要求鏡頭直徑FOV，因此當被測物較大時，遠心鏡頭體積會很龐大，成本也會很高。遠心鏡頭特點鏡頭-如何選擇鏡頭p

13、鏡頭接口n 鏡頭接口與相機接口相匹配n 可以通過接圈轉(zhuǎn)接實現(xiàn)匹配鏡頭-如何選擇鏡頭鏡頭像面尺寸與分辨率鏡頭像面尺寸 鏡頭像面尺寸應(yīng)大于相機靶面鏡頭分辨率 鏡頭分辨率與相機的像元大小相匹配，以充分利用相機的分辨精度。鏡頭像面尺寸CCD尺寸鏡頭像面尺寸CCD尺寸YESNO鏡頭-如何選擇鏡頭p選擇焦距鏡頭-如何選擇鏡頭 鏡頭支持的最大放大倍率或最小工作距離 畸變率 MTF 景深 機械尺寸 抗震性鏡頭-如何選擇鏡頭AMPA/DA/DA/DA/DA/DA/DCCDCMOS- Rolling shutter -相機 相機實際上是一個光電轉(zhuǎn)換裝置，即將圖像傳感器所接收到的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)化為計算機所能處理的電信號

14、。目前典型的光電轉(zhuǎn)換器件為CCD、CMOS圖像傳感器。電荷積累電荷轉(zhuǎn)移AD轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)傳輸n 成像芯片類型： CCD或CMOSn 芯片尺寸：1/2英寸或其他n 像素數(shù)：1024X1024n 像素尺寸：6.5X6.5umn 幀/行頻: 30fpsn 信噪比（SNR）：60dBn 接口：FireWire、Camlink、USB、GIGE等n 鏡頭接口：C-Mount、CS-Mountn 電源：12Vn EMVA1288性能其他還包括：像素時鐘、光譜響應(yīng)度、是否制冷、工作環(huán)境、GPIO等相機相關(guān)參數(shù)：EMVA報告樣例1：光譜響應(yīng) 可見光、紅外、紫外、X-ray相機-如何選擇相機2：彩色/黑白 ， 線陣

15、/面陣 如果需要獲取顏色信息的應(yīng)用（印刷檢測），需要選用彩色相機，多數(shù)定位、測量、識別及缺陷檢測應(yīng)用建議使用黑白相機。黑白相機圖像信噪比高、靈敏度高、對比度大、數(shù)據(jù)量小，更利于處理！ 多數(shù)應(yīng)用可以選擇面陣相機，對于高速高分辨率檢測應(yīng)用選用線陣相機（PCB AOI、印刷缺陷檢測、色選等）。3：分辨率/幀率n 分辨率= 視野 / 精度n幀率應(yīng)高于檢測效率n行頻 = 運動速度/精度相機-如何選擇相機4：其他考慮因素n 量子效率；n 信噪比；n 動態(tài)范圍；n 數(shù)據(jù)接口；n 體積；n 工作環(huán)境； 機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成1目錄成像系統(tǒng)核心器件選型方法2應(yīng)用案例4機器視覺系統(tǒng)設(shè)計步驟3飛行捕捉和相機丟幀解決辦法5

16、問題說明備注被測物被測物是什么？樣品？材質(zhì)？顏色？ 檢測指標有無？好壞？尺寸？位置？瑕疵？字符？條碼？ 檢測視野 精度要求測量尺寸精度要求多少？ 工作距離安裝攝像機到被測物體的距離最大允許多遠？能是否自由調(diào)節(jié)？生產(chǎn)節(jié)拍或產(chǎn)線運行速度每分鐘測量多少個？生產(chǎn)線運行速度？ 安裝空間被測零件周圍是否有安裝光源的位置？是否有合適安裝攝像頭的位置？怎樣固定比較合適？ 需求調(diào)研表合格判據(jù)什么定義為合格不合格？ 工位信號有工位觸發(fā)信號還是需要自動連續(xù)拍攝圖像？ 剔除方式是否需要自動剔除次品？怎樣對不合格品進行剔除？使用什么信號格式？在什么位置進行剔除？ 工作環(huán)境工作環(huán)境的溫度、濕度、粉塵、防水、雜散光線情況

17、交貨日期、成本預(yù)期 需求調(diào)研表檢測目標、內(nèi)容分辨率、檢測范圍、顏色相機放大率、像面尺寸鏡頭工作距離、景深、光圈光源機械結(jié)構(gòu)電氣控制 反饋驗證2、一般設(shè)計過程機器視覺光學(xué)評估流程樣品收集分析項目檢測需求光學(xué)器件選型光學(xué)實驗評估圖像處理機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成1目錄成像系統(tǒng)核心器件選型方法2應(yīng)用案例4機器視覺系統(tǒng)設(shè)計步驟3飛行捕捉和相機丟幀解決辦法5檢測類應(yīng)用鋰電池極片漏涂檢測 被測物：鋰電池極片正反面 極片寬度：200-800mm 缺陷：是否漏出金屬 精度：0.5mm 運行速度：100 m/min檢測類應(yīng)用 相機選擇 高速連續(xù)運動，適合用線掃描，可見光，無彩色信息，選用黑白相機 相機分辨率 = 視場(1

18、000mm)/精度(0.5mm)=2000缺陷檢測類應(yīng)用實際分辨率=計算分辨率*經(jīng)驗系數(shù)（1.62.5）經(jīng)驗系數(shù)大小取決于圖像對比度和軟件處理能力?？梢赃x用4k線掃描相機。實際拍攝精度1000/4096=0.24。 行頻 = 運動速度(1.3m/s)/精度(0.24mm)=5.4k 選用行頻大于5.4k的4K分辨率線陣相機 選擇：Dalsa Sword Fish3 4K線掃描相機檢測類應(yīng)用鏡頭選型相機為F口，需選擇F口定焦鏡頭，放大倍率是0.041選擇35mm焦距鏡頭，工作距離為889mm。光源選型由于金屬的高反光性和極片的吸光性，可以采用明場照明方式，可選用白色條形光。高精度測量類應(yīng)用測量應(yīng)

19、用要求得到輪廓銳利的圖像，首先需要相機能夠有較好的成像質(zhì)量，需要有足夠的像素數(shù)保證拍攝精度，此外還需要圖像的噪聲水平低，保證輪廓邊沿的灰度值穩(wěn)定可靠。鏡頭通常選用遠心鏡頭，遠心鏡頭是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭視差而設(shè)計，在一定的物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不會變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。遠心鏡頭依據(jù)其獨特的光學(xué)特性：高分辨率、超寬景深、超低畸變以及獨有的平行光設(shè)計等，給機器視覺精密測量帶來質(zhì)的飛躍。光源選擇主要是以突出被測物的輪廓為依據(jù)，尺寸測量最長用到的光源是背光源、同軸光源和低角度光源，在精度要求特別高的應(yīng)用場合需要用到平行光源。被測物：手機零部件的長寬測量零件尺寸：

20、5mm5mm2mm工作距離65mm景深范圍：大于1.5mm精度：5um手機零部件測量u 相機選型 p 相機類型 選用黑白面陣相機；p 相機分辨率： 7mm/5um = 1400 量測類應(yīng)用不需要乘以經(jīng)驗系數(shù)； 相機短邊1400像素； 選擇500萬（2448*2048）相機。手機零部件測量u 鏡頭選型 p 放大倍率 根據(jù)已知條件：5.0MP面陣相機的像元尺寸為3.45m，以及光學(xué)分辨率 要求3.4m左右，由公式： 可得鏡頭放大倍率大約為1。p 工作距離 根據(jù)檢測要求，鏡頭工作距離應(yīng)65mm放大倍率=像元尺寸/光學(xué)分辨率手機零部件測量u 鏡頭選型 鏡頭像面尺寸 由于所選相機靶面為2/3英寸，因此所選鏡頭像面尺寸應(yīng)2/3英寸。 根據(jù)以上3步可選出合適的鏡頭型號。 最終選擇放大倍率為1x，工作距離大于65mm，兼容靶面2/3英寸的遠心鏡頭。手機零部件測量u 光源選型 為了突出零件的邊緣信息，選用白色平行背光源。機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成1目錄成像系統(tǒng)核心器件選型方法2應(yīng)用案例4機器視覺系統(tǒng)設(shè)計步驟3飛行捕捉和相機丟幀解決辦法5飛行捕捉 相對于靜態(tài)拍攝的難題是容易產(chǎn)生圖像