工業(yè)視覺系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

第一章工業(yè)視覺技術(shù)

學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握工業(yè)視覺技術(shù)定義、視覺系統(tǒng)的架構(gòu)和核心組成了解工業(yè)視覺技術(shù)的發(fā)展趨勢及其工業(yè)應(yīng)用工業(yè)視覺驅(qū)動智能制造1在當(dāng)今洶涌澎湃的科技浪潮中，工業(yè)視覺技術(shù)以前所未有的態(tài)勢推動著智能制造蓬勃發(fā)展，成為驅(qū)動制造業(yè)革新升級、邁向高質(zhì)量發(fā)展的核心引擎。工業(yè)視覺技術(shù)是多種先進技術(shù)的集成，涉及了光學(xué)工程、電子技術(shù)、計算機科學(xué)等多個領(lǐng)域，融合了圖像采集技術(shù)、圖像處理算法、模式識別技術(shù)、深度學(xué)習(xí)算法、自動化控制技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)。工業(yè)視覺技術(shù)以其卓越的性能和廣泛的應(yīng)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。2工業(yè)視覺技術(shù)概念工業(yè)視覺技術(shù)（IndustrialVisionTechnology），又稱為機器視覺（MachineVision），是一種利用鏡頭、相機等硬件和計算機視覺處理軟件等技術(shù)實現(xiàn)人的視覺功能，對各類工業(yè)生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品進行圖像采集、處理和分析，從而實現(xiàn)檢測、識別、測量和控制的技術(shù)。工業(yè)視覺技術(shù)的核心部分主要包括圖像采集和圖像的分析處理。其中，圖像采集是指通過鏡頭、相機和傳感器等設(shè)備捕捉并記錄圖像信息的過程。圖像采集需要根據(jù)實際應(yīng)用場景，合理選擇布局相機鏡頭和光源，確保采集設(shè)備能夠覆蓋目標(biāo)區(qū)域，光線均勻照射確保能夠清晰獲取目標(biāo)的關(guān)鍵特征。圖像處理通常是指對數(shù)字圖像進行各種操作和轉(zhuǎn)換，從圖像數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，支持各種決策和應(yīng)用。圖像處理操作一般利用專業(yè)的圖像處理軟件實現(xiàn)，也可以在硬件設(shè)備上完成，如圖像處理器和智能讀碼器等。近年來興起的深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，大大拓展和增強了圖像處理的能力，使得過去許多復(fù)雜的圖像處理任務(wù)變得可能和高效。工業(yè)視覺融入深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，實現(xiàn)基于規(guī)則的機器視覺和基于深度學(xué)習(xí)的圖像分析之間的互補，可以更加智能化的識別和分類對象特征，真正實現(xiàn)制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的智慧制造。3工業(yè)視覺技術(shù)發(fā)展歷程工業(yè)視覺技術(shù)的產(chǎn)生及發(fā)展是一個涵蓋了多個學(xué)科、多種技術(shù)不斷進步和融合的過程。工業(yè)視覺技術(shù)起源于計算機視覺，隨著工業(yè)應(yīng)用需求的增加，逐漸發(fā)展為一個相對獨立的應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀(jì)60年代，麻省理工學(xué)院（MIT）的DavidMarr提出了系統(tǒng)化的機器視覺理論，研究主要集中在基礎(chǔ)算法的開發(fā)，如邊緣檢測、特征提取和模式識別等，利用計算機從數(shù)字圖像或視頻中獲取信息。此后，計算機技術(shù)和圖像處理算法飛速進步，視覺技術(shù)方法和理論概念開始不斷的完善和發(fā)展。在工業(yè)視覺技術(shù)的發(fā)展歷程中，有兩次顯著的技術(shù)飛躍，從視覺硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)組件的更新和計算能力的提升、以及圖形圖像算法突破和智能技術(shù)的引入，驅(qū)動工業(yè)視覺技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H的工業(yè)應(yīng)用，并使其成為智能制造和工業(yè)4.0的核心技術(shù)之一。國內(nèi)工業(yè)視覺研究及應(yīng)用起步于80年代，進入20世紀(jì)90年代后期，隨著中國制造業(yè)的快速發(fā)展，對質(zhì)量控制和自動化生產(chǎn)的需求增加，工業(yè)視覺技術(shù)一直處于高速發(fā)展階段，并在汽車制造和電子制造等更多行業(yè)和領(lǐng)域得到應(yīng)用。涌現(xiàn)出一批專注于工業(yè)視覺的初創(chuàng)公司和高科技企業(yè)，出現(xiàn)了多家在該領(lǐng)域具備國際競爭力的公司，國產(chǎn)設(shè)備和解決方案開始在市場上占據(jù)一席之地。中國已成為世界工業(yè)視覺發(fā)展最有潛力和最為活躍的地區(qū)之一，同時，借助深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，并與其他智能系統(tǒng)集成，可以實現(xiàn)全面的智能化生產(chǎn)管理，視覺技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域也將不斷擴展和深化。4工業(yè)視覺系統(tǒng)應(yīng)用工業(yè)視覺技術(shù)經(jīng)歷了從簡單的定位測量如今高速智能化的發(fā)展演進，從模板匹配到機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變。隨著數(shù)字圖像傳感器、高性能計算機和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，以及視覺應(yīng)用場景的復(fù)雜多樣化，工業(yè)視覺技術(shù)開始與深度學(xué)習(xí)算法、3D傳感技術(shù)、互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)進行深度融合，工業(yè)視覺系統(tǒng)進入了數(shù)字化和智能化的時代。工業(yè)視覺典型應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域典型應(yīng)用汽車制造業(yè)氣缸蓋監(jiān)測，汽車車身檢測，金屬鑄件檢測，裝配線上檢測，尺寸測量。電子、半導(dǎo)體行業(yè)PCB板鉆孔定位及測量，BGA錫珠檢測，手機平板裝配，零部件外觀檢測，航天電池片檢測。煙草行業(yè)油封質(zhì)量檢測，在線包裝質(zhì)量檢測，煙支外觀檢測，鋁箔紙檢測，雜物剔除。金屬加工行業(yè)表面質(zhì)量在線檢測，工件識別測量定位，圓孔直徑測量，齒輪缺陷檢測，鋼材尺寸檢測，螺絲流水線檢測，缺陷檢測，金屬球表面二維碼在線識別系統(tǒng)。包裝行業(yè)證件配頁裝訂在線檢測，票據(jù)號碼印刷質(zhì)量在線檢測，啤酒瓶蓋高速檢測，卷煙盒包裝質(zhì)量檢測，硬幣邊緣字符在線，包裝帶缺陷高速自動檢測。（1）定位和測量通過邊緣檢測和識別等基礎(chǔ)算法，對獲取的圖像進行分析，實現(xiàn)對對象的位置和形狀的基本判斷，或是利用圖像中的像素數(shù)和已知的比例關(guān)系，對工件進行尺寸測量和分析等。（2）模板匹配建立一組標(biāo)準(zhǔn)模板，使用不同的相似度度量標(biāo)準(zhǔn)，如相關(guān)系數(shù)、平方差和互相關(guān)等計算模板和圖像各區(qū)域的“相似度”，來尋找與預(yù)定義模板相似的區(qū)域，來識別圖像中的特定模式或?qū)ο?。?）字符識別和讀碼字符識別是一種利用視覺系統(tǒng)識別圖像中的文字和字符的技術(shù)，通過圖像處理和模式識別算法，識別印刷或刻蝕在產(chǎn)品上的信息，如零部件上的序列號、批次號、生產(chǎn)日期等。（4）缺陷檢測工業(yè)視覺缺陷檢測是指利用視覺技術(shù)來自動識別和分析產(chǎn)品或材料表面的各類加工制造缺陷。如劃痕、孔洞、腐蝕，焊點、走線和電容等元件安裝的完整性及準(zhǔn)確性等。（5）3D視覺檢測3D視覺檢測技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)視覺的重要分支，是利用三維數(shù)據(jù)來進行對象檢測、識別和分析，在處理復(fù)雜幾何形狀、檢測產(chǎn)品缺陷以及精確測量等任務(wù)中，3D視覺系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)勢。（6）深度學(xué)習(xí)工業(yè)視覺融合深度學(xué)習(xí)是當(dāng)前智能制造和工業(yè)自動化領(lǐng)域中的一個熱門話題，深度學(xué)習(xí)技術(shù)可以自動提取特征，高效地處理圖像數(shù)據(jù)，通過對大規(guī)模數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，深度學(xué)習(xí)可以提供更加全面的環(huán)境理解和復(fù)雜場景分析，幫助優(yōu)化控制決策，深度學(xué)習(xí)技術(shù)與工業(yè)視覺的融合正在推動工業(yè)自動化和智能制造的前沿發(fā)展。中國作為全球最大的制造業(yè)大國之一，擁有龐大的制造業(yè)規(guī)模和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，這為工業(yè)視覺技術(shù)的應(yīng)用提供了廣闊的市場和需求基礎(chǔ)。AI、深度學(xué)習(xí)和5G通訊的發(fā)展，工業(yè)視覺系統(tǒng)將更為智能和高效。中國的工業(yè)基礎(chǔ)、市場需求以及政策支持共同促進了這一領(lǐng)域的快速擴張，有望在全球工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型浪潮中繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。習(xí)題1.怎么理解工業(yè)視覺技術(shù)？請列舉幾個工業(yè)視覺系統(tǒng)的典型應(yīng)用加以說明。2.工業(yè)視覺系統(tǒng)的主要組成是什么，有哪些關(guān)鍵技術(shù)？3.請簡單分析總結(jié)工業(yè)視覺技術(shù)未來的發(fā)展趨勢和方向。Thankyou

工業(yè)視覺系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

第二章工業(yè)視覺系統(tǒng)

學(xué)習(xí)目標(biāo)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(yīng)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(xué)鏡頭、圖像處理器等一系列硬件設(shè)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(xué)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(fù)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(yīng)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(xué)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(dǎo)體制造、高端裝備制造等領(lǐng)域掀起一場革新風(fēng)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(yīng)用環(huán)境和任務(wù)要求來配置合適的圖像采集設(shè)備和技術(shù)，例如：適當(dāng)?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(yīng)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(chǔ)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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?zé)艄庠?、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(dǎo)體光源，因其高效節(jié)能、長壽命、響應(yīng)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(biāo)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(dāng)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?zé)舻墓ぷ髟砘跓彷椛?，?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(xué)反應(yīng)，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(yīng)用中，能夠準(zhǔn)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(yīng)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(fù)雜程度、色彩顏色和透明性、外部光源的干擾等因素。光學(xué)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(xué)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(xué)鏡頭和其他光學(xué)元件來調(diào)整光束的路徑、聚焦、散射和其他光學(xué)特性，從而形成所需的圖像。光學(xué)鏡頭不同材料制成的鏡頭由于其光學(xué)特性各異，對光的散射特性會存在顯著差異。這些光學(xué)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(dǎo)致更強的折射和散射。光學(xué)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(dǎo)致產(chǎn)生色散效應(yīng)。光學(xué)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(dǎo)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(shè)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(yīng)不同的工業(yè)應(yīng)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(chǔ)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)工業(yè)相機在設(shè)計和選擇工業(yè)相機時，除了上述分類標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(wù)。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(shè)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(shè)計用于工業(yè)環(huán)境下能夠執(zhí)行圖像處理、分析應(yīng)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(shè)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(yīng)用于各種工業(yè)檢測、自動化、質(zhì)量控制和機器人引導(dǎo)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(yīng)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(xué)習(xí)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(xué)習(xí)算法，并支持深度學(xué)習(xí)模型的導(dǎo)入和推理。Visionmaster（VISIONMASTER）：VisionMaster是海康機器人自主開發(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主研發(fā)的圖像處理算子與多種交互式開發(fā)工具，內(nèi)部集成了機器人工業(yè)相機、智能相機、視覺控制器等設(shè)備各個接口的SDK，提供了易于使用的界面和強大的圖像分析工具，能滿足視覺定位、尺寸測量、缺陷檢測以及信息識別等各種工業(yè)視覺應(yīng)用。隨著工業(yè)4.0和智能制造的推進，全球工業(yè)視覺軟件市場呈現(xiàn)高速增長的態(tài)勢，工業(yè)視覺技術(shù)正引領(lǐng)著工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。未來，隨著全球市場需求的不斷增長和技術(shù)的進一步突破，工業(yè)視覺軟件將會在更多領(lǐng)域中發(fā)揮其潛力，推動工業(yè)智能化進程。Thankyou

工業(yè)視覺系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

第三章視覺光源方案設(shè)計

學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握光的本質(zhì)特性，理解不同材質(zhì)的光學(xué)反射特性及其對成像的影響；了解光源控制技術(shù)，掌握觸發(fā)、調(diào)光和頻閃等關(guān)鍵控制參數(shù)及其工程意義；理解不同照明方式的工作原理、效果特性及適用場景；掌握光源方案設(shè)計方法，具備根據(jù)檢測需求設(shè)計針對性照明方案的能力。國內(nèi)工業(yè)視覺光源行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r1國內(nèi)企業(yè)進軍視覺光源領(lǐng)域時間較早，國產(chǎn)化產(chǎn)品占據(jù)市場主導(dǎo)地位，以奧普特為代表的一批具有一定規(guī)模和技術(shù)實力的企業(yè)，通過技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品差異化和市場拓展等手段，不斷提升自身的市場份額和品牌影響力。結(jié)合人工智能技術(shù)，視覺光源將具備更多的智能化功能，以適應(yīng)不同的檢測需求和環(huán)境變化，并與其他工業(yè)設(shè)備和自動化生產(chǎn)線實現(xiàn)更好的集成。2光的反射特性及參數(shù)光的反射特性光的反射是一個基本的光學(xué)現(xiàn)象，指的是光線碰到一個界面時返回到原介質(zhì)的過程。反射光會表現(xiàn)出正反射、擴散反射和混合反射等不同類型的反射特性，并遵循特定的物理定律。光的反射特性正反射（也稱為鏡面反射），是指光線碰到光滑、均勻的表面（如鏡面、高精度加工或拋光的金屬表面）時，以等角度反射的現(xiàn)象。光的擴散反射又稱漫射或漫反射，是指當(dāng)光線照射到粗糙或不均勻的表面時，反射光線會向各個方向散射。擴散反射會使得照射到物體表面的光線更加均勻，觀察到的表面通常沒有亮斑或高光，會呈現(xiàn)出一種啞光或無光澤的感覺。光的折射光在不同介質(zhì)中的速度是不同的，這主要受到介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)、即介質(zhì)的折射率影響。折射率是介質(zhì)中光速相對于真空中光速的比值，當(dāng)光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，由于折射率不同，光速發(fā)生變化，導(dǎo)致光線方向發(fā)生改變，這種現(xiàn)象就稱為折射現(xiàn)象。光的反射和折射在科學(xué)和技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，這些現(xiàn)象被利用在各種設(shè)備和系統(tǒng)中，從基本的視覺效應(yīng)到復(fù)雜的光學(xué)器件和通信系統(tǒng)，都是基于對反射和折射現(xiàn)象的理解和利用。在自動化和檢測系統(tǒng)中，各類視覺檢測系統(tǒng)通過反射和折射光線，能準(zhǔn)確分析物體表面的缺陷和特征，廣泛用于質(zhì)量控制。光的偏振一般情況下，光波的振動方向是隨機分布的。但通過特定的手段，可以使光波的振動方向變得有規(guī)律，這種光就是偏振光。光的偏振偏振片是一種可以過濾光的特定振動方向的材料，通過偏振片的光只有一個特定方向的電場振動成分，這樣就得到了偏振光。偏振光的這種獨特的特性使其在許多領(lǐng)域中具有重要應(yīng)用，例如利用光的偏振特性來觀察礦物晶體結(jié)構(gòu)和生物樣品中的微細結(jié)構(gòu)、表面的粗糙度和微觀結(jié)構(gòu)、判斷材質(zhì)類型和成分等。光的顏色光是電磁波的一種，它的顏色主要由波長決定，可見光的波長范圍大致在400到700納米(nm)之間，不同波長的光給人類視覺帶來不同的顏色感知。光的顏色在計算機科學(xué)和數(shù)字圖像處理中，通常使用三基色顏色模型來對顏色進行編碼和處理。RGB模型，即紅、綠、藍三色模型。RGB是目前顯示技術(shù)（如電視屏幕、計算機顯示器和手機屏幕）以及數(shù)字圖像處理中應(yīng)用最為廣泛的三基色模型。光的顏色CMY模型（青、品紅、黃）,CMY是基于三種基色墨（水）的減色混合，通過吸收某些波長的光來反射出其他顏色。HSI模型（色調(diào)、飽和度、亮度），HIS是將顏色分解為色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）和亮度（Intensity）。HSV模型（色調(diào)、飽和度、明度），HSV模型與HSI模型類似，同樣是將顏色分為色調(diào)（Hue）、飽和度（Saturation）和明度（Value）。YUV模型（亮度、藍色差、紅色差），YUV是將圖像信息分為亮度（Luminance，Y）和色度（Chrominance，U和V）。光強光強，也稱為光輻射強度，是指單位立體角內(nèi)單位時間從點光源輻射出的光通量。光強可以理解為采集設(shè)備接收到的光源在空間發(fā)射的輻射功率，光強直接影響到成像質(zhì)量、精度和一致性。光強高光強的光源能在低光情況下提高圖像對比度，有助于檢測細微的缺陷或特征。但是，光強過大也會對工業(yè)視覺系統(tǒng)的成像質(zhì)量和檢測精度帶來負面影響。在過曝的圖像中，亮區(qū)和暗區(qū)之間的對比度會降低，難以區(qū)分微小的特征和缺陷。與此同時，過曝區(qū)域的細節(jié)會丟失，圖像中的亮區(qū)變成純白色，無法進行有效的圖像處理和分析。3光源照射角度和布置光源的照射角度和布置在視覺或影像檢測系統(tǒng)中是確保準(zhǔn)確度和清晰度的關(guān)鍵因素。正確的光源布置可以減少反射、陰影和過曝等問題，從而提高圖像的清晰度和細節(jié)表現(xiàn)。正面照射是指光源直接從相機方向照射到被檢測物體，這種方式可以減少圖像中的陰影，適用于表面平整、反射率低的物體表面打光。側(cè)面照射，顧名思義就是將光源和相機放置在被測物的同一側(cè)，并將光源設(shè)置在鏡頭軸線的側(cè)面，得到投射在物體表面后的正面反射光。根據(jù)不同被測表面反光特性和光源的角度位置，側(cè)面照射可以分為低角度照射和高角度照射，分別對應(yīng)圖像明視場和暗視場兩種模式。在一些復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用中，可以結(jié)合使用明視場和暗視場成像，以獲得更全面的檢測結(jié)果，覆蓋更廣泛的缺陷類型和產(chǎn)品特征。背光照射是光源從物體的背面照射，光線通過物體或在物體邊緣形成輪廓。背光照射能夠清晰地捕捉到物體的邊界，特別適用于測量和檢測透明或半透明物體的輪廓、形狀、尺寸，以及不透明物體的輪廓和邊緣。背光照射常用于識別和分析物體的邊緣特征，如裂縫、缺口和毛刺等，還常用于透明或半透明物體的輪廓和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如用于檢測玻璃、塑料等透明或半透明材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測。視覺光源設(shè)計視覺光源設(shè)計是一個綜合考慮多方面因素的過程，需要從光源類型、顏色和波長、照明角度和布置、光強和均勻度、環(huán)境適應(yīng)性、成本效益等多方面進行細致考慮和權(quán)衡。視覺光源設(shè)計確定光源類型適配需要以應(yīng)用需求和材料特性為指南，根據(jù)檢測對象的表面特性和檢測任務(wù)類型來選擇合適的光源類型，如環(huán)形光源、條形光源、穹頂光源、背光源等。不同材質(zhì)有不同的反射特性和檢測需求，在項目評估階段可以靈活選擇不同顏色和波長的光源。視覺光源設(shè)計紅光的波長較長，在很多材質(zhì)表面上有更好的穿透性和反射特性，常用于金屬和非金屬表面檢測光源；藍光波長較短，相對于紅光和綠光有更好的衍射效應(yīng)和更高的分辨率，特別適合用于高反光、細節(jié)豐富的表面；紅外光和紫外光因其獨特的波長特性，各自在材料內(nèi)部檢測和特殊標(biāo)記檢測領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用；白光優(yōu)勢在于光譜范圍寬，可以在多種應(yīng)用場景下提供足夠的照明和對比度，白光的豐富頻譜能提供充分的細節(jié)呈現(xiàn)；此外，白光的均勻照明和完整光譜能夠為圖像處理算法提供良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在圖像分析和后期處理上更有利于后續(xù)圖像處理和分析。4光源控制器光源控制器可以精確控制光源的亮度、頻閃頻率、同步等參數(shù)，從而優(yōu)化照明效果，提高系統(tǒng)檢測性能。光源控制器的主要功能包括亮度調(diào)節(jié)、頻閃控制、同步控制和光通道控制等。（1）調(diào)節(jié)亮度利用光源控制器動態(tài)調(diào)整光源的亮度，可以靈活地控制被拍攝物體的光照強度，適應(yīng)不同照明條件、場景要求或被測對象的特性，從而獲得合適的圖像對比度和清晰度。（2）頻閃控制頻閃控制是指使用電子控制技術(shù)來快速切換光源的開關(guān)狀態(tài)，目的是通過控制光源的開啟和關(guān)閉時間，實現(xiàn)對光照強度和持續(xù)時間的精確控制。（3）控制觸發(fā)和同步同步控制的目的是將光源的頻閃或亮暗變化與相機快門等設(shè)備的工作過程精確匹配，確保光源在特定時刻能夠進行觸發(fā)，或者與工業(yè)相機以及其他傳感或伺服設(shè)備進行同步操作。（4）通信功能工業(yè)視覺光源控制器通常提供了多種通信接口，如以太網(wǎng)、USB、RS232串口通信、WIFI或藍牙無線通信等，以便與其他設(shè)備進行連接和通信。除此以外，工業(yè)視覺光源控制器還要具備一定的電氣安全和防護設(shè)計，配備過載保護、熱管理、電源穩(wěn)定等功能，以確保光源的正常運行和長時間穩(wěn)定的照明性能。光源控制器通常集成多個功能模塊，以實現(xiàn)其復(fù)雜而全面的控制功能。微控制器—微控制器是光源控制器的大腦，負責(zé)執(zhí)行所有控制邏輯和運算任務(wù)；通信模塊—包括RS232、以太網(wǎng)、Wi-Fi、藍牙等，用于與其他設(shè)備或中央控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)連接控制；傳感器接口—用于連接各種類型的傳感器，監(jiān)控工業(yè)環(huán)境和設(shè)備情況，實現(xiàn)自動控制；電源管理模塊—轉(zhuǎn)換控制器和傳感器所需的電壓，通常兼具電源保護功能；驅(qū)動模塊—包括LED驅(qū)動器、調(diào)光電路和功率驅(qū)動等，可實現(xiàn)穩(wěn)定的光輸出和PWM調(diào)光和DC調(diào)光等功能，確保光源在不同亮度和色溫下的穩(wěn)定運行；散熱模組—控制器和光源在高負載下的溫度控制，防止過熱損壞。光源控制器可以通過多種方式對光源進行控制，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。這些控制方式涉及調(diào)節(jié)亮度、顏色、頻閃模式等多個方面。包括：脈寬調(diào)制、電壓/電流調(diào)節(jié)、恒流控制、傳感器反饋控制和無線控制等。Thankyou

工業(yè)視覺系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

第四章視覺成像

學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握鏡頭成像原理，理解焦距、光圈、景深、視場角等工業(yè)鏡頭的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)；掌握工業(yè)相機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，理解CCD和CMOS傳感器的成像機制；能夠根據(jù)應(yīng)用需求，進行核心成像參數(shù)的計算與選型。自主創(chuàng)新是民族企業(yè)發(fā)展的必由之路1建設(shè)制造強國，必須牢牢把握戰(zhàn)略機遇，堅持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，勇立時代潮頭。大疆創(chuàng)新以自主創(chuàng)新為引領(lǐng)，主導(dǎo)制定消費級無人機國際標(biāo)準(zhǔn)，首創(chuàng)飛行視覺系統(tǒng)安全規(guī)范，用顛覆性視覺技術(shù)重塑行業(yè)格局。實踐深刻證明，唯有將自主創(chuàng)新融入發(fā)展基因，將產(chǎn)業(yè)報國鑄就精神內(nèi)核，民族企業(yè)才能實現(xiàn)從“追趕者”到“領(lǐng)跑者”的歷史性跨越。我們要匯聚全社會創(chuàng)新合力，加快推動中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)型、中國速度向中國質(zhì)量升級、中國產(chǎn)品向中國品牌躍遷，奮力譜寫制造強國建設(shè)的嶄新篇章。2光學(xué)鏡頭及其參數(shù)工業(yè)鏡頭一般是由多個不同的光學(xué)元件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，包括透鏡組、光圈與焦距調(diào)節(jié)機構(gòu)、固定部件和連接機構(gòu)等，通過特定的排列和光路設(shè)計完成對光線的處理，聚焦光線并形成圖像。對焦裝置用于調(diào)整透鏡組中的光學(xué)元件的位置，從而改變焦點的位置，以便在不同距離上實現(xiàn)清晰聚焦，確保物體在圖像傳感器上形成清晰的成像。光圈環(huán)是用于控制鏡頭光圈開口大小的一個可旋轉(zhuǎn)環(huán)，光圈的大小直接影響鏡頭的曝光量和成像景深。鏡頭接環(huán)是鏡頭連接到相機機身的連接件，鏡頭接環(huán)的主要作用是機械連接、光學(xué)對準(zhǔn)和兼容擴展。鏡頭濾光片是安裝在鏡頭前端或內(nèi)部，可以精確控制進入相機的光線波長，旨在控制和優(yōu)化通過鏡頭到達圖像傳感器的光線的光學(xué)元件。常見的濾光片類型有：UV濾光片（紫外線濾光片），能夠阻擋紫外線光，減少紫外線造成的圖像質(zhì)量下降；IR濾光片（紅外線濾光片），能阻擋紅外線光，防止紅外線干擾圖像傳感器，導(dǎo)致成像失真；偏振光濾光片，僅允許特定方向的偏振光通過，減少反光面（如金屬、玻璃、水面等）的散射光和反射光，提高圖像對比度和清晰度。鏡頭外殼和框架等支撐部件在鏡頭的整體結(jié)構(gòu)中也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們不僅提供機械穩(wěn)定性和耐久性，還能起到保護內(nèi)部的光學(xué)元件和電子組件的作用。鏡頭類型鏡頭通常是使用折射率不同的各種硝材經(jīng)研磨、拋光和鍍膜等工藝，加工成高精度的曲面鏡片，并把這些鏡片進行組合。（1）標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)鏡頭工業(yè)鏡頭是專門設(shè)計用于工業(yè)應(yīng)用中的光學(xué)成像和檢測任務(wù)的鏡頭，通常具有較高的光學(xué)精度和分辨率，旨在確保在復(fù)雜、多變和高要求的工業(yè)環(huán)境中提供高精度、高可靠性和高質(zhì)量的成像和檢測服務(wù)。（2）長焦鏡頭工業(yè)長焦鏡頭是專門為滿足工業(yè)領(lǐng)域中遠距離、高精度成像需求而設(shè)計的。長焦鏡頭具有高放大倍率，支持較長的工作距離（WD），能在不干擾目標(biāo)物體的前提下進行遠距離成像。（3）廣角鏡頭廣角鏡頭是指具有較大的視角（視場角），通常具有90度以上的視角，一些甚至能達到180度，可以覆蓋更大的工作區(qū)域，減少盲點，特別適用于需要大范圍監(jiān)控和檢測的場景。（4）微距鏡頭微距鏡頭專為近距離拍攝設(shè)計，能夠在非常近的距離拍攝對象，捕捉微小細節(jié)，適合于微小物體的高精度成像。（5）魚眼鏡頭工業(yè)魚眼鏡頭是一種特殊用途的廣角鏡頭，能夠提供極寬廣的視角，在需要廣域監(jiān)控和全景成像的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。鏡頭參數(shù)（1）工業(yè)鏡頭接口類型鏡頭的接口也稱鏡頭安裝規(guī)格，是指鏡頭與攝像設(shè)備（如相機、攝像機等）之間的連接方式和物理接口標(biāo)準(zhǔn)。常見的工業(yè)視覺標(biāo)準(zhǔn)接口包括C接口（C-Mount）、CS接口（CS-Mount）、F接口（F-Mount）、M42/12接口（M42/12-Mount）等多種安裝類型等。鏡頭接口不僅是機械連接，現(xiàn)代鏡頭接口有些還提供電子接點，可用于實現(xiàn)電子光圈控制、自動對焦和鏡頭數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。?）焦距工業(yè)鏡頭的焦距是指從鏡頭主光學(xué)中心到成像平面的距離，是衡量光學(xué)系統(tǒng)匯聚或發(fā)散光線能力強弱程度的度量方式。短焦鏡頭視場角大，適合大范圍的監(jiān)控、需要涵蓋大面積或多個目標(biāo)的檢測任務(wù)；長焦鏡頭適合于拍攝遠距離場景或特定細節(jié)，可以對遠距離的物體進行細致、高分辨率的觀察和分析。（3）工作距離工業(yè)視覺領(lǐng)域一般將鏡頭組中心到被測對象的距離稱為工作距離（WD）。不同的鏡頭在不同工作距離上的成像效果不同，正確的工作距離能夠確保光線通過鏡頭后正確會聚在成像傳感器上，從而形成清晰的圖像。鏡頭的工作距離、視野、焦距和適配的相機CCD尺寸是成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)，它們之間彼此關(guān)聯(lián)，共同影響成像質(zhì)量和系統(tǒng)性能。工作距離、視野、焦距和適配的相機CCD尺寸符合以下比例公式：（4）視野視野是鏡頭可以捕捉到的實際空間范圍，工業(yè)視覺應(yīng)用中常用視場角或視角來描述視野范圍。（5）鏡頭倍率鏡頭倍率也稱為鏡頭光學(xué)倍率，是指被測對象的實際大小（通常也指拍攝的視野范圍）與光學(xué)系統(tǒng)的成像大?。ㄋ褂孟鄼C的傳感器尺寸）的比值。（6）光圈光圈用于控制照射光線透過鏡頭進入相機感光面的總體光通量，調(diào)節(jié)光圈可以控制光路系統(tǒng)能夠接收的光線能量，影響成像的明暗效果；同時，光圈也是決定鏡頭景深的關(guān)鍵參數(shù)。3工業(yè)相機成像工業(yè)相機是一種專門為工業(yè)檢測和監(jiān)控應(yīng)用而設(shè)計及的高性能相機，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。相機成像原理相機是獲取圖像的前端采集設(shè)備，主要依賴于CCD（電荷耦合器件）或CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器。（1）像元像元，或稱為像素（Pixel），有時也稱為光敏元，是組成圖像傳感器的最小感光圖像單元。（2）CCD與COMSCCD（ChargeCoupledDevice，電荷耦合器件）和CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互補金屬氧化物半導(dǎo)體）是兩種主要的圖像傳感器技術(shù)，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。CCD通過光電二極管將光轉(zhuǎn)換為電荷，通過電荷耦合方式將這些電荷逐行傳輸?shù)揭粋€讀出放大器進行信號處理。CMOS傳感器同樣通過光電二極管將光轉(zhuǎn)換為電荷，但每個像素內(nèi)包含一個單獨的放大器，允許直接訪問和讀取每個像素的電壓信號。CCD傳感器由于采用的是電荷逐行傳輸?shù)姆绞剑室恢滦暂^好，噪聲水平較低；CMOS傳感器能夠支持高幀率拍攝，而且CMOS傳感器可以集成更多的功能，如圖像處理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），這也減少了外部組件的需求，簡化了設(shè)計并降低了成本。相機參數(shù)（1）分辨率分辨率又稱為解析度或解像度，主要用于描述相機對被攝物的分辨能力，通常以