機(jī)器視覺與視覺檢測知識點歸納上課講義

1、總介使用機(jī)器視覺系統(tǒng)五個主要原因：1. 精確性（無人眼限制）2. 重復(fù)性（相同方法檢測無疲憊）3. 速度（更快檢測）4. 客觀性（無情緒主觀性）5. 成本（一臺機(jī)器可承擔(dān)好幾人工作） 機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成：光學(xué)：1相機(jī)與鏡頭；2光源； 過渡：3傳感器（判斷被測對象位置及狀態(tài)）；4圖像采集卡（把相機(jī)圖像傳到電腦主機(jī)） 電學(xué)（計算機(jī)）：5.PC平臺；6視覺處理軟件；7控制單元。機(jī)器視覺系統(tǒng)一般工作過程：1圖像采集；2圖像處理；3特征提??；4判決和控制。機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點：1非接觸測量；2具有較寬的光譜響應(yīng)范圍；3連續(xù)性；4成本較低；5機(jī)器視覺易于實現(xiàn)信息集成；6精度高；7.靈活性。機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域兩大

2、類：科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用科學(xué)研究主要對運(yùn)動和變化的規(guī)律作分析；工業(yè)方面主要是在線檢測產(chǎn)品，機(jī)器視覺所能提供的標(biāo)準(zhǔn)檢測功能主要有：有/無判斷、面積檢測、方向檢測、角度測量、尺寸測量、位置檢測、數(shù)量檢測、圖形匹配、條形碼 識別、字符識別、顏色識別等。相機(jī)的主要特性參數(shù)：分辨率：衡量相機(jī)對物象中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。 最大幀率：相機(jī)采集傳輸圖像的速率。曝光方式和快門速度；0（*）*）0 ?像素深度：每一個像素數(shù)據(jù)的位數(shù)。固定圖像噪聲：不隨像素點的空間坐標(biāo)改變的噪聲。 動態(tài)范圍等CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)的區(qū)別：1. 設(shè)計：CCD是單一感光器，CMOS是感光器連接放大器。2. 靈敏度：同樣面積下， CCD靈

3、敏度高；CMOS由于感光開口小，靈敏度低。3. 成本：CCD線路品質(zhì)影響程度高，成本高；CMOS由整合集成，成本低。4. 解析度：CCD連接復(fù)雜度低，解析度高；CMOS新技術(shù)解析度高。5. 噪點比：CCD信號單一放大，噪點低；CMOS百萬放大（每個像素都有各自的放大器），噪點高。6. 功耗比： CCD 需外加電壓，功耗高； CMOS 直接放大，功耗低。鏡頭主要參數(shù)：焦距：從鏡頭中心點到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離， 其大小決定視角大 ?。ń咕嘈∫暯谴笥^察范圍大，焦距大視角小觀察范圍小） 。光圈/相對孔徑：光圈即通光量，大小為f/D,相對孔徑是光圈的值的倒數(shù)。視野范圍：衡量鏡頭成像范圍，是

4、相機(jī)實際拍到區(qū)域的尺寸。景深：在被攝物體聚焦清楚后，在物體前后一定距離內(nèi)，其影像仍然清晰的范圍， 其隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化 。接口、工作距離、像面尺寸、分辨率等鏡頭劃分：根據(jù)焦距是否能調(diào)節(jié)， 分為定焦與變焦兩種。 依據(jù)焦距長短 ，定焦分為魚眼、 短焦標(biāo)準(zhǔn)、長焦 。焦距的長短劃分以 像角的大小 為主要劃分依據(jù)。鏡頭的選擇：機(jī)器視覺應(yīng)該考慮的四個主要因素：1. 波長、變焦與否 確定鏡頭的工作波長及是否需要變焦。2. 特殊要求優(yōu)先考慮 是否有測量功能，是否需要使用遠(yuǎn)心鏡頭，成像的景深是否很大等。3. 工作距離、焦距0（*） *）0 ?4. 像面大小和像質(zhì)所選鏡頭 像面大小要與相機(jī)感光面

5、兼容，遵循“大的兼容小的”原則。5. 光圈和接口光圈影響像面亮度， 鏡頭接口需和像面接口匹配， 不能匹配就需考慮 轉(zhuǎn)接。6. 成本和技術(shù)成熟度 基本分析如下：案例：給硬幣檢測成像系統(tǒng)選配鏡頭。 （詳細(xì) P44 ）與白色 LED 光源配合使用，鏡頭應(yīng)是可見光波段，定焦鏡頭； 用于工業(yè)檢測，其中帶有測量功能，所以要求畸變較??； 工作距離和焦距要滿足一定關(guān)系； 選擇 鏡頭像面應(yīng)該不小于 CCD 尺寸，即至少 2/3in ； 鏡頭的接口要求是 C 口，能配合相機(jī)使用。圖像采集卡：概述：將攝像機(jī)的圖像視頻信號，以幀為單位，送到計算機(jī)的內(nèi)存和VGA幀存。一般連接在臺式機(jī)的 PCI 擴(kuò)展槽上?；驹砼c技術(shù)

6、參數(shù)： 圖像采集卡基本結(jié)構(gòu)大致相同， 其基本組成模塊各個部分主要構(gòu)成及 功能：視屏輸入模塊：是圖像采集卡的前端，直接與相機(jī)相連。A/D 轉(zhuǎn)換模塊： 圖像采集卡 核心部分 ，將輸入的模擬視屏信號轉(zhuǎn)換為 計算機(jī)可以識別的數(shù)字信號。時序及采集控制模塊： 包括圖像采集卡中整個時序、 同步、 采集控制 電路。圖像處理模塊：對 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行處理。 （實時轉(zhuǎn)換數(shù)字 信號為數(shù)據(jù)圖像等 ，盡管可由主機(jī)來完成， 但 用圖像采集卡硬件可獲得 更高的處理速度） 。PCI 總線接口及控制模塊：完成對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的傳輸。相機(jī)控制模塊：提供相機(jī)的設(shè)置及其控制信號0（*廠*）0 ?數(shù)字輸入、輸出模塊：用于控制

7、和響應(yīng)外部信號。分類：按圖像采集卡主要特性分： 可分為彩色圖像采集卡與黑白圖像采 集卡、模擬圖像采集卡與數(shù)字圖像采集卡、 面陣圖像采集卡和線陣圖像采集卡。按用途劃分： 可分為廣播級（分辨率高，支持高清和標(biāo)準(zhǔn)， 但所需硬盤空間大） ，專業(yè)級（性能比廣播級 稍低，分辨率相同，但壓縮比稍大一些） ，民 用級（動態(tài)分辨率一般較低） 。機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理，選擇機(jī)器視覺光源時應(yīng)該考慮的主要特性:1. 亮度：最佳選擇是最亮的那個。2. 光源均勻性：不均勻的光會造成不均勻的反射。3. 光譜特征：光源顏色及物體表面顏色決定反射到攝像頭的光能大小及 波長。4. 壽命特性：為使圖像處理保持一致的精確

8、，視覺系統(tǒng)必須保證長時間 獲得穩(wěn)定一致的圖像（光源一般需要持續(xù)使用） 。5. 對比度：對比度對機(jī)器視覺來說非常重要。 機(jī)器視覺應(yīng)用的照明的最 重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn) 生最大的對比度，從而易于特征的區(qū)分 。光源的選型：1.選擇光照角度：根據(jù)期望的圖像效果，選擇不同入射角度的光源。高角度照 射，圖像整體較亮， 適合 表面不反光 物體；低角度照射， 圖像 背景為黑，特征為白， 可以突出被測物輪廓及表面凹凸變化 ； 多角度照射，整體效果柔和， 適合曲面問題檢測 ；背光照射， 圖像效果為黑白分明的被測物輪廓， 常用于尺寸測量 ；同軸光 照射，圖像效果為明亮背景上的黑

9、色特征， 用于 反光強(qiáng)烈 的平 面物體檢測。2.選擇光源的顏色：使用與被測物同色系的光會使圖像變亮（如紅紅 ）；使用與被測物相反色系的光會使圖像變暗（如紅藍(lán)） ； 波長越長， 穿透能力越強(qiáng)； 波長越短， 擴(kuò)散能力越強(qiáng) 。紅外的穿透能力 強(qiáng)，可進(jìn)行棕色玻璃瓶雜質(zhì)檢測（透光性差） ；紫外擴(kuò)散能 力強(qiáng)， 對表面細(xì)微特征敏感， 可進(jìn)行食用油瓶上的文字檢測 （對比不明顯） 。3.選擇光源的形狀和尺寸：通常情況下選與被測物體形狀相同的光源。尺寸選 擇，要求保障整個視野內(nèi)光線均勻， 略大于視野為佳。4.選擇是否使用漫射光源：如被測物體 表面反光 ，最好用漫反射光源。三 機(jī)器視覺成像技術(shù)光源的作用，就是獲得對

10、比鮮明的圖像，具體有：1. 將感興趣部分和其他部分的灰度值差異加大。2. 盡量消隱不感興趣部分。3. 提高信噪比，利于圖像處理。4. 減少因材質(zhì)、照射角度對成像的影響。 適當(dāng)?shù)恼彰髟O(shè)計，有能使圖像中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離，以降低圖 像處理算法的難度等優(yōu)點。最佳照明方法和光源的選擇往往需要大量的試驗。光源的種類：1. 自然光源：即太陽光源。2. 人工光源：即燈光光源 ,大多在自然光照度很低和夜晚攝像使用。人工光源有：1. 熒光燈：主要優(yōu)點發(fā)光效能高，光線較分散，廣泛用于較柔和的 照明。2. 鹵素?zé)簦航饘冫u素?zé)糇畲髢?yōu)點是發(fā)光效能高，其不能立即點亮。 又名冷光源，適合對環(huán)境溫度比較敏感的場

11、合。0(* 廠*)o ?3氣體放電光源0(*)*)0?4發(fā)光二極管：簡稱 LED,與傳統(tǒng)光源相比優(yōu)點：壽命長、啟動時間 短、結(jié)構(gòu)牢固、發(fā)光效能高、能耗小、模型簡單、發(fā) 光的方向性很強(qiáng)。5激光光源0(*) *)0 ?選擇光源應(yīng)考慮的系統(tǒng)特性：1對比度(非常重要)；2亮度；3魯棒性；4光源可預(yù)測；5物體表面；6控制反射；7表面紋理；8表面形狀等。合適的光源應(yīng)該能夠產(chǎn)生最大的對比度、亮度足夠，且對部件的位置變化不敏感。機(jī)器視覺關(guān)心的是反射光 (使用背光除外)，光源控制的訣竅歸結(jié)到一點就 是如何控制光源反射。如果能控制好光源的反射，那么就可以獲得優(yōu)質(zhì)圖像。六種照明技術(shù)：1. 一般目的：通用一般采用環(huán)狀

12、或點狀照明。2. 背光照明：產(chǎn)生很強(qiáng)對比度，常用于檢測輪廓。3. 同軸照明：對于實現(xiàn)扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。4. 連續(xù)漫反射照明0(* ) *)0 ?5. 暗域照明：相對于物體表面提供低角度照明；6. 結(jié)構(gòu)光：可測量相機(jī)到光源的距離。彩色照明技術(shù):顏色三種基本屬性：亮度、色調(diào)、飽和度。真彩色R,G,B三波段的合成顯示圖，假彩色任意非R,G,B波段的合成圖，偽彩色只含有一個任意波段的圖像顯示四機(jī)器視覺核心算法圖像預(yù)處理：圖像預(yù)處理主要目的是 消除圖中無關(guān)的信息，恢復(fù)有用的真實信息，增強(qiáng)有關(guān)信息的可檢測性和最大限度地簡化數(shù)據(jù)。預(yù)處理過程一般有數(shù)字化、幾何變換、歸一化、平滑、復(fù)原

13、和增強(qiáng) 等步驟。由于外界環(huán)境或設(shè)備本身原因，通常所獲取的原始數(shù)字圖像質(zhì)量不 是非常高，因此在對圖像進(jìn)行邊緣檢測、圖像分割等操作前， 一般都需要對原始數(shù)字圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理（改善視覺效果和突出特征），圖像增強(qiáng)是數(shù)字圖像處理技術(shù)中最基本的內(nèi)容之一，也是圖像預(yù)處理的方法之一。圖像增強(qiáng)可分為：基于空間域的（直接處理圖像像素） 如均值濾波， 中值濾波；基于頻率域（修改圖像傅里葉變換為基礎(chǔ)） 的如低通濾波， 高頻濾波器。空間濾波的基本步驟：1建立一個掩模；2在待處理的圖像中逐點 移動掩模；3在每一點（x,y）處作相應(yīng)的運(yùn)算頻域濾波的基本步驟：1傅里葉變換；2頻率域濾波處理：3傅里 葉反變換（低頻的信號包含了圖像的粗糙背景信息，高頻的信號攜帶 了圖像的細(xì)節(jié)部分信息）數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)：即是用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對應(yīng)形狀以達(dá)到對圖像分析和識別的目的?；具\(yùn)算有：膨脹、腐蝕、開運(yùn)算和閉運(yùn)算（形態(tài)運(yùn)算實質(zhì)上是一種二維卷積運(yùn)算）。灰度均衡的目的是為了校正不均勻照射?；叶戎狈綀D反映一副圖像中各灰度級與各灰度級像素出現(xiàn)的頻率之間的關(guān)系。邊緣檢測：計算機(jī)視覺模仿人類視覺認(rèn)識目標(biāo)過程（先分離