機器視覺測量系統(tǒng)

機器視覺測量系統(tǒng)第一頁，共61頁。圖像傳感器圖像測量系統(tǒng)視覺檢測的主要應(yīng)用CCD照明、鏡頭、圖像傳感器、圖像采集、圖像處理尺寸測量、模式識別、目標(biāo)檢測、三維重構(gòu)…第二頁，共61頁。靈敏度分辨率信噪比光電轉(zhuǎn)換特性光譜響應(yīng)暗電流7-1圖像傳感器第三頁，共61頁。7-1圖像傳感器第四頁，共61頁。7-1圖像傳感器第五頁，共61頁。7-1圖像傳感器第六頁，共61頁?？刂浦袠小D像處理照明鏡頭、圖像傳感器圖像采集視頻信號第七頁，共61頁。

光源照明技術(shù)不同光源與照明技術(shù)效果舉例第八頁，共61頁。

方向

直射光：入射光基本上來自一個方向，入射角小，被照射物體有陰影；散射光：入射光來自多個方向，不會投射出明顯陰影。7-2-1照明第九頁，共61頁。

光譜光的組成成份，如日光由從紫外到紅外的所有光譜組成。取決于光源的類型和光學(xué)濾色鏡。可見光光譜如圖所示：7-2-1照明

第十頁，共61頁。

強度光照強度會影響攝像頭的曝光，光線不足會造成對比度降低，噪聲過大；光線過強會造成圖像飽和，能量浪費以及散熱等問題。

均勻性在所有機器視覺應(yīng)用中，都要求均勻的光照。照射強度會隨距離和角度偏離而減小，需要特別考慮。7-2-1照明第十一頁，共61頁。

光源的種類按發(fā)光器件：鹵素等、熒光等、LED燈、氙（xian）燈等；按幾何形狀：環(huán)形、方形、長條型燈；按發(fā)光特性：點光源、線光源、面光源等；按照射角度：直射、間接、同軸、平行等。LED燈：顏色豐富、發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、體積小、發(fā)熱小、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定、壽命長、易于組成不同形狀的光源，是重要的光源發(fā)展趨勢。7-2-1照明

第十二頁，共61頁。7-2-1照明

第十三頁，共61頁。LED光源（CCS公司）7-2-1照明

第十四頁，共61頁。7-2-1照明第十五頁，共61頁。

正向照明鏡面：光線直接反射進(jìn)入鏡頭；離軸照明：光源在鏡頭軸線側(cè)面、避開了鏡面反射；半漫射照明：光照較均勻，如環(huán)形光；漫射照明：光線來自所有方向，鏡面反射最少；黑場：光線與鏡頭視線方向垂直。

背光照明漫射式：光源+平板，背面照射；凝聚式：使用鏡頭將光線集中于一個方向；黑場：適用于檢測透明物體中的裂痕、氣泡等。7-2-1照明第十六頁，共61頁。

高角度亮場與低角度暗場光照強、較均勻光滑表面的文字、傷痕等紋理檢測7-2-1照明

第十七頁，共61頁。

從邊上的黑場照明最適合凹凸不平表面及表面缺陷，缺點是陰影太大。7-2-1照明

第十八頁，共61頁。

用明視野和暗視野照明對比7-2-1照明

第十九頁，共61頁。

用碗狀照明消除暈眩光7-2-1照明

第二十頁，共61頁。

用透射光檢查物體的有無7-2-1照明

第二十一頁，共61頁。

光源的顏色差異中心部有銀色涂層的銅框架7-2-1照明第二十二頁，共61頁。

紅外線照明7-2-1照明

第二十三頁，共61頁。

紅外線照明7-2-1照明

第二十四頁，共61頁。

紫外線照明7-2-1照明

第二十五頁，共61頁。

偏振光照明7-2-1照明

第二十六頁，共61頁。

偏振光照明圖②鏡子上灰塵指??；圖③鏡子上油脂指??；圖④光盤上油脂指印7-2-1照明

第二十七頁，共61頁。

偏振光照明8-2-27-2-1照明

第二十八頁，共61頁。1一個典型的機器視覺圖像測量系統(tǒng)包括哪些環(huán)節(jié)？2光源的種類有哪些？為了得到更適合于測量目的的圖像，光源的投射方式分別有哪些？第二十九頁，共61頁。

鏡頭的視野、景深和焦距示意圖第三十頁，共61頁。

基本概念成像面：被測物及其背景通過鏡頭投影到二維圖像傳感器平面，一般是長寬比為4:3的矩形；視野（FieldofView，F(xiàn)OV）：與成像面對應(yīng)的景物平面范圍；工作距離（WorkDistance，WD）：被測物到物鏡的距離；景深：以鏡頭最佳聚焦WD為中心，前后存在一個范圍，在此范圍內(nèi)的物體能夠清晰成像，這個范圍被稱為景深（DepthofView，DOV）焦距第三十一頁，共61頁。

物鏡的焦距ff可以短到幾毫米，長達(dá)數(shù)十米；變焦距鏡頭可以通過調(diào)節(jié)焦距獲得不同的放大倍數(shù)。

相對孔徑F=D/f（光圈）D是鏡頭中光線能通過的有效圓孔直徑,即入瞳，D越大，收集的光線越多；如f=50mm，D=8.9mm，則相對孔徑F=8.9/50=1/5.6；鏡頭上以1/F表示光圈值，光圈每增加一檔，光照度增加一倍；光圈越小，景深越長。為了獲得較大景深的清晰圖像，可以采取加大光強，減小光圈的方法。8-2-27-2-2鏡頭

第三十二頁，共61頁。

PMAG：鏡頭的放大倍數(shù)7-2-2鏡頭第三十三頁，共61頁。

如何選擇焦距WD：工作距離Ho：視野的高度Hi：相機有效成像面高度PMAG：鏡頭的放大倍數(shù)7-2-2鏡頭第三十四頁，共61頁。

物距WD、放大倍數(shù)PMAG和焦距f的關(guān)系

利用上式可通過被測物尺寸（Ho）、物距（WD）和像平面高度（Hi）計算出所需鏡頭的焦距f。7-2-2鏡頭第三十五頁，共61頁。

普通鏡頭選擇步驟：獲得物體至鏡頭的距離WD，如果是一個范圍，取中間值；計算圖像放大倍數(shù)PMAG；利用公式計算所需的焦距；選取與計算值最接近的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭產(chǎn)品，并取其焦距值；根據(jù)所選鏡頭焦距重新核算鏡頭到物體的距離WD。舉例：物體至鏡頭的距離在10cm~30cm范圍內(nèi)，取WD=20cm。設(shè)視場高度為6cm，傳感器成像面高度為6.6mm，則鏡頭放大倍數(shù)為：7-2-2鏡頭

第三十六頁，共61頁。計算所需鏡頭焦距：標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距：8mm、12.5mm、16mm、25mm和50mm16mm鏡頭的焦距最接近計算值，使用該值重新計算WD：7-2-2鏡頭

第三十七頁，共61頁。按等效焦距廣角鏡頭：景深大，WD短，視角大，易出現(xiàn)桶形失真；長焦距鏡頭：WD大，放大倍數(shù)大，易出現(xiàn)枕形失真；中焦距鏡頭：f約在50mm和200mm之間，最常用鏡頭；按鏡頭所具有的功能變焦距鏡頭（自動調(diào)焦）變光圈鏡頭（自動光圈）遠(yuǎn)心鏡頭：可以產(chǎn)生正交投影拍攝效果；微距鏡頭：拍攝微小物體，放大倍數(shù)在0.25~2之間。顯微鏡頭：成像比例大于10倍。紫外鏡頭、紅外鏡頭：專門針對紫外光或紅外光折射特性設(shè)計的鏡頭。7-2-2鏡頭第三十八頁，共61頁。視頻信號是機器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵，關(guān)系到攝像機和采集卡的配合、視頻系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試等。分為黑/白和彩色兩大類，又分為模擬和數(shù)字視頻。模擬視頻分為標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)視頻，數(shù)字視頻包含多種數(shù)字格式。標(biāo)準(zhǔn)視頻信號的周期、時間間隔、幅度等有明確規(guī)定，又稱為閉路電視CCTV（ClosedCircuitTelevision）。非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號多用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、儀器等領(lǐng)域的視覺系統(tǒng)。黑/白彩色使用地區(qū)RS-170NTSC北美、日本、臺灣等CCIRPAL歐洲、中國等7-2-3視頻

第三十九頁，共61頁。

信號掃描方式：逐行掃描和隔行掃描

隔行掃描隔行的幀圖像和奇偶場圖像之間的關(guān)系7-2-3視頻第四十頁，共61頁。

圖像采集卡（ImageGrabber）又稱為圖像卡，將傳感器輸出的圖像視頻信號以幀為單位傳送到計算機進(jìn)行處理、存儲或顯示。7-2-3視頻

第四十一頁，共61頁。濾波技術(shù)圖像增強邊緣檢測特征提取圖像壓縮圖像編碼……第四十二頁，共61頁。二、模式識別技術(shù)五、缺陷檢測技術(shù)一、尺寸測量技術(shù)六、圖像融合技術(shù)四、三維重構(gòu)技術(shù)三、目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)第四十三頁，共61頁。長度面積圓線弧角度…測量對象最小二乘Hough變換區(qū)域標(biāo)記輪廓矢量曲率識別Harris角點…測量方法第四十四頁，共61頁。

長度測量——齒長測量1,在工件圖中設(shè)置待測齒長區(qū)域；2,對區(qū)域內(nèi)的圖像進(jìn)行邊緣提取；3,對提取到的邊緣進(jìn)行逐行掃描，分別獲得其上、下兩條邊的邊緣點；4,根據(jù)得到的邊緣點分別擬合出上、下兩條邊的直線；5,計算兩條直線間的距離作為齒長結(jié)果。第四十五頁，共61頁。

長度測量——線段測量

通過Harris角點法確定角點；通過輪廓提取法得到邊緣；結(jié)合輪廓信息對角點精確定位；計算線段長度。

第四十六頁，共61頁。

圓測量單圓測量：最小二乘法、Hough變換法和加速算法（首先通過圓面積測量求出圓半徑）。方法半徑像素值誤差測量時間最小二乘法68.50.48%30msHough變換法68.90.18%18328ms改進(jìn)Hough變換法68.90.18%531ms圓的擬合第四十七頁，共61頁。角度測量——根據(jù)前述方法得到每段直線段方程，根據(jù)斜率即可得到夾角。

第四十八頁，共61頁。指對圖像中各種物理對象的分類與描述技術(shù)，包括字符識別、條碼識別、車牌識別、工件識別和醫(yī)學(xué)圖像識別等。字符識別：印刷體① 掃描輸入文本圖像；② 圖像的預(yù)處理，包括傾斜校正和濾除干擾噪聲等；③ 圖像版面的分析和理解；④ 圖像的行切分和字切分；⑤ 基于單字圖像的特征選擇和提?。虎?基于單字圖像特征的模式分類；⑦ 將被分類的模式賦予識別結(jié)果。第四十九頁，共61頁。第五十頁，共61頁。目標(biāo)跟蹤技術(shù)——指對圖像序列中的運動目標(biāo)進(jìn)行檢測、提取、識別和跟蹤，獲得運動目標(biāo)的運動參數(shù)，如位置、速度、加速度以及運動軌跡等，從而進(jìn)行下一步的處理與分析，實現(xiàn)對運動目標(biāo)的行為理解。主要應(yīng)用：行人跟蹤、車輛跟蹤、智能交通和安全監(jiān)控等；分類：靜態(tài)背景下運動目標(biāo)檢測、動態(tài)背景下運動目標(biāo)檢測；第五十一頁，共61頁。靜態(tài)背景下運動目標(biāo)檢測：相鄰幀間差分法：取相鄰兩幀圖像間灰度差異較大的區(qū)域背景差分法：預(yù)先建立背景模型，需要經(jīng)常更新背景。常用的非回歸型背景建模法包括中值濾波和基于統(tǒng)計理論背景恢復(fù)，常用的回歸型背景建模法包括近似中值濾波、卡爾曼濾波和混合高斯濾波。第五十二頁，共61頁。檢測實例

（a）圖像序列第187幀（b）187幀時的背景圖（c）差分圖像二值化

（d）腐蝕運算結(jié)果（e）膨脹運算結(jié)果（f）目標(biāo)標(biāo)定結(jié)果第五十三頁，共61頁。接觸式與非接觸式三維測量（a）三坐標(biāo)測量機 （b）機械測量臂第五十四頁，共6