工業(yè)視覺系統(tǒng)應用技術(shù)

第二章工業(yè)視覺系統(tǒng)

學習目標掌握工業(yè)視覺系統(tǒng)的基本組成及各部件的功能；理解工業(yè)視覺系統(tǒng)的工作原理，熟悉工業(yè)視覺技術(shù)應用的典型工作流程；認識圖像處理軟件與視覺硬件，了解光源、鏡頭、相機的技術(shù)原理。視覺硬件系統(tǒng)發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn)1工業(yè)視覺硬件行業(yè)是隨著計算機視覺技術(shù)的快速發(fā)展而興起的，涵蓋了相機、圖像傳感器、光學鏡頭、圖像處理器等一系列硬件設備。我國擁有完備的工業(yè)體系和龐大的制造業(yè)規(guī)模，形成了多個與工業(yè)視覺硬件相關(guān)的產(chǎn)業(yè)集群，但是在高性能圖像傳感器、高端光學鏡頭等關(guān)鍵零部件的制造技術(shù)上與國際先進水平仍有一定差距，給相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來了諸多嚴峻且復雜的問題，對產(chǎn)業(yè)的自主發(fā)展形成了嚴重制約。工業(yè)視覺技術(shù)以其卓越的性能和廣泛的應用場景，正引領(lǐng)著制造業(yè)邁向一個全新的智能化時代。它不僅使企業(yè)實現(xiàn)了生產(chǎn)效率提升、產(chǎn)品質(zhì)量保障和成本的降低，更在推動產(chǎn)業(yè)升級、促進就業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以及增強國家制造業(yè)競爭力等方面發(fā)揮著不可替代的重要作用。隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、量子光學等前沿技術(shù)的飛速發(fā)展，工業(yè)視覺硬件領(lǐng)域?qū)⒂瓉砬八从械淖兏锲鯔C。在這一科技浪潮的推動下，前沿技術(shù)與工業(yè)視覺硬件的深度交融，必將在半導體制造、高端裝備制造等領(lǐng)域掀起一場革新風暴，推動這些關(guān)鍵產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)從量變到質(zhì)變的飛躍。2視覺系統(tǒng)工作原理工業(yè)視覺系統(tǒng)原理主要包括圖像采集、圖像信息處理、特征提取、圖像識別分析、信息傳輸和反饋控制等，其核心在于將物理世界的視覺信息轉(zhuǎn)化為可操作的反饋。視覺系統(tǒng)需要根據(jù)具體的應用環(huán)境和任務要求來配置合適的圖像采集設備和技術(shù)，例如：適當?shù)姆直媛蚀_保捕捉到足夠的細節(jié)精度、合適的幀率保證實時檢測配置合適的光源環(huán)境，能獲取清晰、對比度良好的圖像；合理的鏡頭焦距和光圈，能適應不同的工業(yè)現(xiàn)場視野范圍和景深要求等。圖像信息處理是圖像分析和理解的基礎步驟，主要目的是改善圖像質(zhì)量，增強相關(guān)特征，使后續(xù)的特征提取和圖像分析更有效。常用的處理技術(shù)包括采用各種濾波技術(shù)來減少隨機噪聲，提高圖像的清晰度；利用直方圖均衡化或自適應對比度增強調(diào)整圖像的對比度，強化圖像細節(jié)；閾值分割和圖像幾何校正等方法。圖像特征提取是指從圖像中提取出能夠代表圖像信息的關(guān)鍵屬性或特征，常用的方法包括：使用Sobel、Canny等邊緣檢測算子來識別并提取圖像中的邊緣檢測圖像中顯著變化的焦點或特征點圖像紋理特征、顏色特征利用傅里葉變換或Hough變換分析圖像中對象的邊界特征，如直線、圓弧、曲線等圖像識別分析是計算機視覺的一個核心應用領(lǐng)域，主要涉及對圖像進行中獲取的特征進行識別、分類和評估。圖像識別分析可以為各類應用提供可靠的視覺數(shù)據(jù)解讀，例如完整性判斷、類別識別、位置定位、姿態(tài)分析、圖像理解等，以實現(xiàn)決策處理和自動化控制等。3工業(yè)視覺硬件系統(tǒng)視覺硬件系統(tǒng)由多個組件組成，包括光源、鏡頭、相機和視覺控制器等，它們協(xié)同工作以捕捉、傳輸、處理和顯示圖像或視頻數(shù)據(jù)。工業(yè)視覺系統(tǒng)光源工業(yè)中常用的光源類型有LED光源、熒光燈光源、鹵素燈光源、紅外光、紫外光、激光光源和同軸光等。工業(yè)視覺系統(tǒng)光源LED（發(fā)光二極管，LightEmittingDiode）是一種利用電致發(fā)光現(xiàn)象將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導體光源，因其高效節(jié)能、長壽命、響應快、低熱量和靈活調(diào)整等優(yōu)點，已成為工業(yè)視覺系統(tǒng)中最常用的光源之一。工業(yè)視覺系統(tǒng)光源在工業(yè)視覺系統(tǒng)之中，光源的作用可以概括為以下幾個方面：1）照亮目標物，提高圖像的對比度，凸顯待檢測物體與背景之間的差異；2）形成最有利與圖像處理的成像效果，突出物體的邊緣和輪廓，或是表面缺陷提高圖像處理算法的效率；3）克服干擾，減少反射和陰影，提高圖像的可用性，增強視覺系統(tǒng)精度和效率；4）提供穩(wěn)定和一致的照明條件，確保成像結(jié)果的一致性工業(yè)視覺系統(tǒng)光源熒光燈的工作原理基于氣體放電和熒光粉發(fā)光。當電流通過燈管內(nèi)的汞蒸氣時，汞原子被激發(fā)并釋放出紫外光，這些紫外光激發(fā)涂在燈管內(nèi)部的熒光粉層，熒光粉吸收紫外光后發(fā)出可見光。工業(yè)視覺系統(tǒng)光源鹵素燈的工作原理基于熱輻射，內(nèi)含有鎢絲，并充有微量的鹵素氣體（如碘或溴），通電后這些鹵素氣體在高溫下與鎢原子發(fā)生化學反應，形成可揮發(fā)的鎢鹵化物氣體，在接觸到高溫鎢絲時又分解為鎢和鹵素氣體。工業(yè)視覺系統(tǒng)光源紫外光是通過特定材料在電子激發(fā)狀態(tài)下發(fā)射出紫外線（UV），工業(yè)視覺紫外光源通常具有高光強和精確波長控制，能夠揭示在可見光下無法檢測到的微小的缺陷和特征。工業(yè)視覺系統(tǒng)光源紅外光源是工業(yè)視覺系統(tǒng)中一種較為獨特的光源，紅外光源具有獨特的穿透能力和對高反射背景的抑制能力，能夠穿透某些非透明材料，如塑料和薄膜，使其成為許多特殊檢測場合的理想光源。工業(yè)視覺系統(tǒng)光源同軸光使用反射鏡或棱鏡組成特殊裝置，使光沿著與相機鏡頭同軸的路徑照向待測物體，可以極大地減少陰影和反射干擾。在一些精密檢測應用中，能夠準確識別印刷圖案和文字的缺陷等特征。工業(yè)視覺系統(tǒng)光源確定光源類型要基于具體的檢測需求和工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，應根據(jù)具體的檢測需求、被檢測物體的特性以及工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境進行綜合考慮。例如：物體的表面紋理、反射光澤、特征形狀的復雜程度、色彩顏色和透明性、外部光源的干擾等因素。光學鏡頭鏡頭在成像系統(tǒng)中的主要功能包括光束調(diào)制以及光信號的傳遞。工業(yè)視覺鏡頭有多種類型，常用的鏡頭類型有定焦鏡頭、變焦鏡頭、微距鏡頭、廣角鏡頭、線掃描鏡頭和遠心鏡頭等。光學鏡頭光束調(diào)制是一種改變光束特性以實現(xiàn)特定功能的技術(shù)。在成像系統(tǒng)中，光束調(diào)制的主要目的是通過光學鏡頭和其他光學元件來調(diào)整光束的路徑、聚焦、散射和其他光學特性，從而形成所需的圖像。光學鏡頭不同材料制成的鏡頭由于其光學特性各異，對光的散射特性會存在顯著差異。這些光學特性主要包括材料的折射率、色散（色光不同波長的折射率差異）、吸收系數(shù)和表面粗糙度等。折射率決定了光在材料中的傳播速度，折射率越高的材料往往能更好地聚焦光線，可以制造出更薄的透鏡，但也容易導致更強的折射和散射。光學鏡頭色散指的是光線通過鏡頭材料時不同波長的光會出現(xiàn)不同程度地折射，導致產(chǎn)生色散效應。光學鏡頭鏡頭表面粗糙度是指鏡頭表面微觀峰谷不平度的程度，是衡量鏡頭表面微觀細節(jié)的一個重要參數(shù)，通常以納米或微米為單位進行度量。粗糙度較大的鏡頭表面會導致光線的散射，產(chǎn)生雜散光和眩光，增加圖像噪聲，減低圖像的信噪比，并使圖像亮度降低；表面粗糙度越低，鏡頭的表面越光滑，光散射現(xiàn)象越少，成像質(zhì)量越佳。工業(yè)相機相機是獲取圖像的前端采集設備，以CCD或CMOS圖像傳感器為核心部件，集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。工業(yè)相機根據(jù)傳感器類型、接口、成像模式、分辨率以及適用環(huán)境等方面的不同，工業(yè)相機有著多樣化的選擇，以便適應不同的工業(yè)應用場景。按照相機的圖像傳感器類型，工業(yè)相機可以分為CCD相機和CMOS相機兩大類，二者的區(qū)別主要在于電荷的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)換和信號傳遞方式的不同。工業(yè)相機按照成像模式工業(yè)相機可以分為線陣相機和面陣相機。線陣相機適合檢測連續(xù)運動的物體，常見于印刷品檢測、紡織品檢測等；而面陣相機是采用拍攝全幅圖面像素矩陣的方式取像，適合工業(yè)檢測和監(jiān)控領(lǐng)域?qū)ξ矬w表面進行全面檢測的場景。工業(yè)相機按照分辨率大小可以分為中低分辨率相機和高分辨率相機。低分辨率相機采集速度快、數(shù)據(jù)處理簡單且成本低，適用于要求不高的基礎監(jiān)控和簡單的工業(yè)檢測；4K（3840x2160像素）及更高的分辨率相機能提供非常細致的圖像，用于需要更多細節(jié)的工業(yè)檢測和顯微成像等應用。工業(yè)相機按照接口類型工業(yè)相機有USB、GigE、CameraLink和CoaXPress等幾種常用類型：USB接口是一種具有較強的兼容性的通用且標準化的接口GigE（GigabitEthernet）相機利用千兆以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸接口CameraLink由自動化成像協(xié)會（AIA,AutomatedImagingAssociation）推出的一種用于工業(yè)相機的高速傳輸接口標準CoaXPress是由日本JIIA（JapanIndustrialImagingAssociation）提出一種高性能的圖像數(shù)據(jù)傳輸接口標準工業(yè)相機在設計和選擇工業(yè)相機時，除了上述分類標準外，還必須充分考慮其耐用性、抗干擾能力和可靠性，以確保其在各種工業(yè)環(huán)境中能夠穩(wěn)定、長時間地工作。視覺控制器工業(yè)視覺控制器是用于管理和控制工業(yè)視覺系統(tǒng)中不同組件之間數(shù)據(jù)通信的設備，主要作用可以確保數(shù)據(jù)的高效和可靠傳輸，以支持實時圖像處理和控制任務。視覺控制器視覺光源控制器是機器視覺系統(tǒng)中一個重要的組件，主要用于控制光源設備、管理和優(yōu)化照明條件，以確保相機能夠捕捉到高質(zhì)量的圖像。4視覺圖像處理軟件工業(yè)視覺軟件是專門設計用于工業(yè)環(huán)境下能夠執(zhí)行圖像處理、分析應用的系統(tǒng)化軟件。軟件涵蓋全套的視覺分析工具和檢測方案，如邊緣檢測、模板匹配、缺陷檢測等工具模塊，支持多種圖像格式和相機設備，具備實時圖像處理能力，能夠在短時間內(nèi)完成圖像采集、處理和分析。目前，市場上有多種類型的視覺軟件，大多集成了強大的圖像處理和分析能力，能夠滿足各種工業(yè)需求。CognexVisionPro：VisionPro是Cognex公司開發(fā)的一款工業(yè)視覺軟件，廣泛應用于各種工業(yè)檢測、自動化、質(zhì)量控制和機器人引導等領(lǐng)域。NIVision：NIVision是由美國國家儀器（NationalInstruments，NI）開發(fā)用于LabVIEW，CVI和其他圖像處理及分析環(huán)境的工業(yè)視覺解決方案，與NI硬件及LabVIEW軟件生態(tài)系統(tǒng)高度兼容，提供了圖像采集硬件、圖像處理軟件和豐富的分析工具庫。HALCON：HALCON是德國MVTecSoftware公司開發(fā)的一款機器視覺軟件，支持2D和3D視覺處理應用，同時包括HDevelop集成開發(fā)環(huán)境（IDE），提供了強大的開發(fā)和調(diào)試工具。OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary）：是一個開源的計算機視覺和機器學習軟件庫，由英特爾公司于1999年發(fā)起。OpenCV具有

、Python、Java和MATLAB等編程語言接口，滿足不同開發(fā)者的需求；同時內(nèi)置多種經(jīng)典的機器學習算法，并支持深度學習模型的導入和推理。Visionmaster（VISIONMASTER）：VisionMaster是?？禉C器人自主開發(fā)的機器視覺軟件算法工具。算法開發(fā)平臺提供了千余個自