(完整word版)機(jī)器視覺創(chuàng)新綜合試驗(yàn)

1、機(jī)器視覺創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)一、 介紹：機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的自動化程度。在一些不適合人工作的危險(xiǎn) 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(shí) 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(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M機(jī)器視覺 系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)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(shí)驗(yàn)原理（1 1）機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)成及工作原理：一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭、

2、相機(jī)（包括 CCDCCD 相機(jī)和 COMSCOMS 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 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(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要 選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。2 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(gè)部分：鏡頭，攝像機(jī)，圖形采集卡。一般來說，圖像傳感器實(shí)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 3）圖像處理系統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像處理系

3、統(tǒng)軟件主要包括計(jì)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?yàn)樗从吵鰧Σ煌粶y對象圖像特征檢測的核心思想 （數(shù)學(xué)模 型）。實(shí)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 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(diǎn)處的光路。在測量儀器中，遠(yuǎn)心光路的作用是非常明顯的，因?yàn)樗蟠蠼档土艘蛳到y(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

4、點(diǎn)處的為物方遠(yuǎn)心光路， 光闌在物方焦點(diǎn)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 ABAB 的 像 ABAB應(yīng)與分劃板 MNMN 重合。但在實(shí)際測量中往往因調(diào)試誤差而產(chǎn)生離焦，物MAAiBBiB1 rAAAiN圖 7-1非遠(yuǎn)心光路面位置實(shí)際位于 A AiB Bi處，它的像與 MNMN 不重合，在 MNMN 上的投影為 CDCD，這樣 就導(dǎo)致了測量誤差。在圖 7-27-2 中，在像方焦點(diǎn)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 ABAB 移動至 A AiB Bi,同時(shí)像面也由 ABAB移動至 AAiBBi處，但由于是遠(yuǎn) 心光路，主光線平行

5、于光軸，出射主光線通過焦點(diǎn)，主光線方向沒有任何改變， A AiB Bi的像 AAiB Bi在分劃板上的投影仍為 ABAB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。MAAi- 1AJ - AiBBi丿廠1Bi f .Bi圖 7-2物方遠(yuǎn)心光N在圖 7-37-3 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(shí)，在像面上 的像點(diǎn)只會模糊而位置中心不變。2 2）、景深

6、在實(shí)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(gè)平面上。M11DID -Z112DID Z2(4(4)設(shè)Z Z2 =Z1=Z=Z，Z2 =Z1=Z=Z ，可得1 11D D|D D|-Z Z，I ID D|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(shí)還映出了位于共軛物平面前后的空間點(diǎn)的像，這些非共軛點(diǎn)在像平面上所成的像不再是 點(diǎn)像，而是一些相應(yīng)光束的截面一彌散斑。這些彌散斑尺寸足夠小時(shí)，可以將其 等效地視為空間物點(diǎn)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。如圖 7-4

7、7-4 所示，因?yàn)槔硐胂衩?B B 上的彌散斑 Z Z和 Z Z分別與物空間對準(zhǔn)面 A A 上的彌散斑 Z Z1Z Z2相共軛，則有，乙丄1乙，Z Z2丄Z Z2，（ 1 1）（1 1）式中，：是共軛面 AA和 A A 的垂軸放大率。由圖中相似三角形得Z1ll Z2l -l2D l1，D l2于是有(2)圖 7-4綜上所述，景深與光瞳（光圈）口徑 D D，對準(zhǔn)距離 I I，垂軸放大率1,允許 彌散斑直徑 z z 等諸多因素有關(guān)。當(dāng) I I、1、Z Z 固定時(shí)，景深厶隨光瞳（孔徑光闌） 口徑 D 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

8、，所以其景深比非遠(yuǎn)心光路要大。3 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(shí)際 光學(xué)系統(tǒng)只有視場較小時(shí)有這個(gè)性質(zhì)。當(dāng)視場較大或很大時(shí)，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(shí)際放大率為P， 它與理想放大率P之差P-P與P之比的百分 數(shù)就作為該視場的畸變，以 q q 表示，即q =100%，式中為像高與物高之比，設(shè) y yp為實(shí)際像高，y yo為理想像高。，* * / * / * *則-互、匕二況，因此q =齊 1 1yyioo%ioo% = =人一100%100%。y yy y7 7y yy四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及

9、步驟本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括讓用戶通過實(shí)驗(yàn)對遠(yuǎn)心鏡頭有個(gè)實(shí)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(shí)驗(yàn)步驟如下：1 1）、遠(yuǎn)心鏡頭景深測量景襪厶=2 - ll口2DI |ZD2I2_z2M圖 7-57-5景深測量光路圖（1 1） 按照圖 7-57-5 建好實(shí)驗(yàn)光路，并將各部件的光軸調(diào)至同軸等高。（2 2） 將 CMOCMO 攝像機(jī)擰上鏡頭，USBUSB 插頭連接上計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)上打開該攝像機(jī)（如果計(jì)算機(jī)事先沒有安裝驅(qū)動程序，需用光盤安裝相應(yīng)的CMOCMO 攝像機(jī)的驅(qū)動程序）。（3 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)

10、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 4） 在計(jì)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 5） 將分辨率板與鏡頭第一光學(xué)面的距離調(diào)整至 GCO-2301GCO-2301 鏡頭 ReRe 設(shè)計(jì)值,并微調(diào)一維平移臺使成像清晰。（6 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(shí)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(shí)分辨率板滑塊在光學(xué)導(dǎo)軌上的 位置（本實(shí)驗(yàn)所使用的鏡頭，這兩個(gè)位置的距離約為70mm70mm

11、。（7 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(gè)距離。使分辨率板在步驟（3 3）所得出的成像區(qū)間中每 2mm2mm 成像一次，點(diǎn)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 0-70m0-70mm m范 圍。（8 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 9） 本實(shí)驗(yàn)以分辨率在 12lp/mm12lp/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。（1010）將遠(yuǎn)心鏡頭替換為非遠(yuǎn)心鏡頭，重復(fù)

12、上述實(shí)驗(yàn)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 2）、遠(yuǎn)心鏡頭畸變的測量利用已知的標(biāo)準(zhǔn)長度（例如：刻度白屏）對 DHCDHCS像測量軟件進(jìn)行標(biāo)定（1 1） 按照圖 7-67-6 建好實(shí)驗(yàn)光路，將目標(biāo)物更換為刻度白屏。（2 2） 打開 DHCDHC 圖像測量軟件，點(diǎn)擊菜單欄“設(shè)備- -大恒 HVHV 攝像機(jī)（若采集 設(shè)備為 CCDCCD 攝像機(jī)則選擇大恒 SVSV 攝像機(jī)）”。（3 3） 點(diǎn)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

13、。（加一張顯示屏的實(shí)景圖）（4 4） 調(diào)整兩個(gè)滑塊的相對位置，使刻度尺在成像窗口中成像清晰。（5 5） 點(diǎn)擊菜單欄“系統(tǒng)- -標(biāo)定”或者直接點(diǎn)擊工具欄“校正工具圖表 丄”，這時(shí)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(gè)）和校正窗口，反選 校正窗口內(nèi)的“ X=X=丫選項(xiàng)”。（6 6） 鼠標(biāo)放在滑動標(biāo)尺水平方向和豎直方向的交點(diǎn)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 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 10mm10mm 位置重合。這時(shí)在校正 窗口內(nèi)有 X X和丫方向上長度和像素之比的詳細(xì)信息。點(diǎn)擊確定，即完成了實(shí)驗(yàn)所 用圖

14、像測量軟件的標(biāo)定。3 3） 利用 DHCDHC 圖像測量軟件測量遠(yuǎn)心鏡頭的畸變（1 1） 將目標(biāo)物滑塊上的實(shí)驗(yàn)儀器更換為剪式升降臺。（2 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 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 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 y yo。具體測量方法如下，點(diǎn)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(diǎn)， 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(diǎn)，這時(shí)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 y y。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 5） 在成像窗口中的待測點(diǎn)位置選擇一條黑色粗刻線，按照步驟（3 3）中的 方法測量其寬度，作為該點(diǎn)處的鏡頭成像的偏軸實(shí)際像高 y yp。同樣測量多組數(shù) 據(jù)取平均值。FF（6 6） 該被測點(diǎn)處的相對畸變即為 q qy。100%100%。y