機器視覺系統(tǒng)原理及基礎(chǔ)知識

機器視覺系統(tǒng)原理及基礎(chǔ)知識主講人：王亞鵬2005.10中國大恒（集團）有限公司北京圖像視覺技術(shù)分公司機器視覺系統(tǒng)基本原理照明光源鏡頭工業(yè)攝像機圖像采集/處理卡圖像處理系統(tǒng)

第1章機器視覺系統(tǒng)基本原理1.1機器視覺系統(tǒng)的原理

1.2機器視覺系統(tǒng)與人的視覺的對比1.3機器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成1.1機器視覺系統(tǒng)的原理

機器視覺系統(tǒng)的目的就是給機器或自動生產(chǎn)線添加一套視覺系統(tǒng)，其原理是由計算機或圖像處理器以及相關(guān)設(shè)備來模擬人的視覺行為，完成得到人的視覺系統(tǒng)所得到的信息。人的視覺系統(tǒng)是由眼球、神經(jīng)系統(tǒng)及大腦的視覺中樞構(gòu)成，計算機視覺系統(tǒng)則是由圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及信息綜合分析處理系統(tǒng)構(gòu)成。1.1機器視覺系統(tǒng)的原理圖像處理技術(shù)彩色圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)圖像分割技術(shù)模式識別技術(shù)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法專家系統(tǒng)及人工智能技術(shù)視覺神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)小波分析技術(shù)分形學(xué)方法1.2機器視覺系統(tǒng)與人的視覺的對比人類視覺機器視覺適應(yīng)性適應(yīng)性強，可在復(fù)雜及變化的環(huán)境中識別目標(biāo)適應(yīng)性差，容易受復(fù)雜背景及環(huán)境變化的影響智能具有高級智能，可運用邏輯分析及推理能力識別變化的目標(biāo)，并能總結(jié)規(guī)律雖然可利用人工智能及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但智能很差，不能很好地識別變化的目標(biāo)彩色識別能力對色彩的分辨能力強，但容易受人的心理影響，不能量化受硬件條件的制約，目前一般的圖像采集系統(tǒng)對色彩的分辨能力較差，但具有可量化的優(yōu)點灰度分辨力差，一般只能分辨64個灰度級強，目前一般使用256灰度級，采集系統(tǒng)可具有10bit、12bit、16bit等灰度級空間分辨力分辨率較差，不能觀看微小的目標(biāo)目前有4K×4K的面陣攝像機和8K的線陣攝像機，通過備置各種光學(xué)鏡頭，可以觀測小到微米大到天體的目標(biāo)速度0.1秒的視覺暫留使人眼無法看清較快速運動的目標(biāo)快門時間可達到10微妙左右，高速像機幀率可達到1000以上，處理器的速度越來越快感光范圍400nm-750nm范圍的可見光從紫外到紅外的較寬光譜范圍，另外有X光等特殊攝像機環(huán)境要求對環(huán)境溫度、濕度的適應(yīng)性差，另外有許多場合對人有損害對環(huán)境適應(yīng)性強，另外可加防護裝置觀測精度精度低，無法量化精度高，可到微米級，易量化其它主觀性，受心理影響，易疲勞客觀性，可連續(xù)工作1.3機器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成照明光源鏡頭工業(yè)攝像機圖像采集/處理卡圖像處理系統(tǒng)其它外部設(shè)備第2章瘦照停明光并源2.照明滾光源在我礦國國導(dǎo)家標(biāo)睛準(zhǔn)GB她5剝69派8－85中，倆顏色獎定義搏為：削“色煮是光優(yōu)作用撲于人前眼引腰起除岸形象馳以外妹的視華覺特遠性”愚。既痕：顏首色是步一種墾光學(xué)尚現(xiàn)象脾，是悶光刺恭激人屯眼的扔結(jié)果盡，有奪光才個有色匯。彩宣色也搖是一井種心皆理感撐覺，匙它與傳照明理光源讀的輻斷射能靈力分科布及蹲觀看遭者的肆視覺訓(xùn)生理輔結(jié)構(gòu)跡有關(guān)訓(xùn)。人榆眼可硬以感同知的余光譜座范圍銳為38氣0n溜m-瓣78摧0n出m，但鏡人感刷知一傭個物最體的往顏色工一般躬是指版在日陜光照魔明的荷環(huán)境奶下所番顯示嚷的色躍彩，惰對于資同一川物體瞎在不把同光你線的冷照射美下人要會感租覺到珍不同鞏的色趙彩，本可見翅光源瓶對于濟正確掉認知奏物體沸的色總彩是蛾至關(guān)斗重要焰的。2.照明芳光源簡單污視功撈能原礦理：繁人眼沉視網(wǎng)督膜里宗存在慮著大給量光林敏細胳胞，傾按其媽形狀慘可分圾為桿歷狀和愚錐狀眉兩種錯。桿符狀光沙敏細升胞的挽靈敏很度極融高，風(fēng)主要挑靠它賢在低畜照度頭時辨毒別明否暗，終但它滑對彩議色是族不敏鄉(xiāng)豐感的鴿；而雨錐狀遠細胞枯既可證辨別柿明暗漠，也慮可辨絲式別彩岸色。麻白天啟的視陷覺過賣程主蓄要靠嬌錐狀節(jié)細胞瓦來完因成，覆夜晚溉視覺已則由連桿狀姓細胞末起作醋用。柳所以煎在較飼暗處湯無法購辨別閱彩色貧。2.照明猶光源三原攤色學(xué)冊說：擺該學(xué)球說認機為在放視網(wǎng)疊膜上鄰分布遇有三究種不遠同的換視錐躲細胞嬌，分普別含響有對診紅(7閑00校nm惰)、綠(5晃46嗓.1邀nm攻)、藍(4崖35躬.8凝nm倡)三種畢光敏士感的滿視色甩素；失當(dāng)某怒一定厘波長賴的光皂線作怎用于宅視網(wǎng)抓膜時蒼，以閱一定唯的比憂例使協(xié)三種良視錐膽細胞眨分別借產(chǎn)生熄不同盲程度型的興糕奮，欺這樣自的信已息傳忠至中脆樞，持就產(chǎn)拜生某成一種陣顏色辛的感險覺。2.照明聰光源所以謙，當(dāng)鑄我們苗用某丹光源數(shù)照明緞時，穿若光促源只著發(fā)出崇三條述人眼傲最敏洋感的沸譜線放，即釀：藍稅、綠希、紅凝。這賴樣似謎乎是縫達到汽了人扶眼對炊照明崖的需月求和民防止罷了人寬眼無通法察江覺和嬌有害我射線計對人宅眼視陽力的羞影響是。但聲我們窮由前魯面提駝到的牧，物秤體只府能反幼射和引透射唉與該雄物體撇顏色誦相同立的光花線，撈因此端上面姿我們執(zhí)假設(shè)益的光池源的喂顯色駝性一觸定是車很差午的。2.照明菊光源缺－主裹要參攝數(shù)光源腫的光尸譜分肥布：對于務(wù)色彩稅檢測傅的應(yīng)彩用，棋應(yīng)選同擇與蔬日光后接近渠的光弱源，疤光譜臘要寬但，而若且連終續(xù)。而光源貓照射粗在物沸體上飯，物火體所自產(chǎn)生破的顏藍色效失果要母客觀音、真疏實，微既光撲源的撒顯色菌性好鼠。其爬它場拐合可嬸使用陜各種判單色喬光和秋特殊幫光源嫂。2.照明蹦光源旬－主菌要參帆數(shù)色溫啟，單迎位是虎開爾蠟文（K）：曾當(dāng)光景源所頂發(fā)出逃的光柜的顏執(zhí)色與族“黑糊體”筒在某訂一溫京度下采輻射績的顏李色相雁同時密，“滅黑體找的溫潑度就寄稱為制該光長源的草色溫態(tài)?！巴隗w雜”的影溫度配越高藍，光烈譜中賢藍色徒的成卻分則真越多谷，而霞紅色傻的成逼分則漫越少蘇。例池如：悅白熾坦燈的忙光色波是暖笨白色懷，其飲色溫愉為27午00端K左右僅，而耕日光冶色熒哪光燈閘的色鳳溫則教是64艙00董K左右管。白側(cè)熾燈洽的色潮溫一鄭般在27倆00賢K左右譯、日甚光燈努的色慚溫在27廈00瓜-6秤40央0K左右錄、鈉柔燈的窩色溫劃在20霞00盼K左右2.照明澆光源木－主糾要參此數(shù)照度桐：單來位被纖照面援上接帥收到垂的光比通量做稱為春照度貧。如套果每滿平方酷米被訓(xùn)照面葡上接混收到顧的光婚通量翠為1（lm），圈則照緒度為1(觀lx屬)。單艘位：咐勒克朋斯（lx或Lu普x）。1勒克破斯（lx）相個當(dāng)于租每平遺方米宿被照騾面上夸光通豈量為1流明受（lm）時雙的照良度。吐在高栗速運紫動條綱件下飯拍攝制圖像拾，曝丑光時慎間很厭短，蠟只有齊高亮布度的國光源承才能袖得到營足夠富亮度獄的圖芝像。夏日丘陽光派下10叔00裂00覆Lu竭x陰天新室外10碗00促0L答ux電視飽臺演向播室10升00盟Lu嚷x距60昏W臺燈60咐cm桌面30競0L研ux室內(nèi)踩日光昂燈10職0L輛ux黃昏鍬室內(nèi)10兵Lu浴x20允cm處燭夢光10終-1軋5L尚ux晴朗叨的月王夜地窯面照疼度約0.桶2愁lx2.照明惜光源降－主倆要參積數(shù)壽命座。光戶源的襲半衰填期要肌長，隨且在魚半衰袍期內(nèi)罷，光怪譜穩(wěn)襯定，助亮度觀衰減小小。發(fā)熱俯特性蓮。光被源的禮工作撕溫度借要低賴，避拘免高研溫損摧壞被舊檢測嫁物。信噪簽比高恩，抗怠干擾襯能力段強。閃爍普頻率咽，交鼓流、識直流蟲。外形即尺寸漲，便惕于安阿裝。2.照明滑光源世－分丹類按照答射方病式可漸分為拔四大晴類:背向濱照明前向癢照明結(jié)構(gòu)目光頻閃呈照明憐。各種耗照明切方式初：平返面照鋪明、疊環(huán)形否光源墓、同西軸光泉源、乏平行革光源包、點纖光源互、低欺角度蠅光源流、線躲光源酷、光森柵；2.照明耕光源戰(zhàn)－分茶類熱輻射光源白熾燈、鹵鎢燈氣體放電光源熒光燈、鈉燈、氫燈、氙燈、金屬鹵化物燈、空心陰極燈、汞燈、高壓汞燈、超高壓汞燈固體放電光源發(fā)光二極管、空心陰極燈激光器氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器、染料激光器2.照明苗光源鐵－光唐纖照桿明光纖猜照明傭系統(tǒng)級：可彎父曲的膚光纖塌束＋妖專用倘鏡頭點照蕩明線照筑明環(huán)形睬照明第3章鏡頭3.鏡頭獸－影響俯圖像搞質(zhì)量暢的因度素圖像質(zhì)量的參數(shù)影響圖像質(zhì)量的因素分辨力（Resolution），指能分清楚物體的能力，單位LP/mm（Linepairs/Milimeter）鏡頭攝像機圖像采集卡顯示器對比度（Contrast）鏡頭照明光源攝像機景深（DepthofField），指鏡頭當(dāng)物體在對焦清晰范圍內(nèi)，維持一定品質(zhì)的能力鏡頭失真（Distortion），也叫畸變鏡頭投影誤差鏡頭3.鏡頭機器兩視覺伶系統(tǒng)陽的基朵本光乏學(xué)參瀉數(shù)：視場棟角工作賤距離分辨牲率景深3.鏡頭鋒－鏡頭遷的理菠想模街型薄透境鏡模寧型，羞薄透鑰鏡是鉗指透蜜鏡沒酸有厚堅度，怠當(dāng)然步這種旦透鏡革是不椅存在貸的，痰而且抓我們叨一般權(quán)用的嘩鏡頭誘都是造多組按鏡片陜組合濫在一英起的估。我?guī)X們通站常使帳用中連會忽穩(wěn)略厚儲度對識透鏡怨的影佳響，渡在去勉除透麥鏡參走數(shù)中臨的厚棚度后開，可吳簡化急許多名光學(xué)段計算遍公式斥。3.鏡頭伴－鏡頭熊的理班想?；煨?.鏡頭晉－鏡頭能的理獸想模晶型兩個跨重要宅公式去：1/殺f統(tǒng)=狗1/避S1供+夠1救/S掀2S1＝f嗽*(名H燒/h婦+1完)3.鏡頭址－有關(guān)苗鏡頭宰的基命本概勵念3.鏡頭錫－有關(guān)矩鏡頭根的基納本概劉念焦距閃（F）：視場霧角：物距牲：像距獨：光圈轉(zhuǎn)：一材般用誰口徑埋系數(shù)f表示騰，指擴鏡頭毅口徑峽與焦倦距之運比，f/復(fù)2.業(yè)8即指1:畏2.傘8景深祖（DO卷F）：摔在焦敘點前符后各倍有一繼個容賽許彌親散圓門，這稍兩個寧彌散揭圓之蠻間的弟距離槳就叫辭景深債，即猜：在早被攝箱主體(對焦亮點)前后世，其暈影像莖仍然賢有一你段清臘晰范調(diào)圍的盒，就培是景深。分辨鐮力：渾指能亂分清木楚物索體的辣能力竟，單附位LP睡/m絨m（Li罪ne紛p懂a(chǎn)i楊rs擔(dān)/Mi員li乏me浙te均r）快門段，決侮定曝洽光時狼間數(shù)值瞎孔徑濱，Nu出me宋ri王ca伴l悔Ap撞er墨tu床re眉(丟NA堆)基本控放大思倍數(shù)(光學(xué)驗放大因倍數(shù)吸），Pr蒜im污ar錯y耗Ma言gn幣if麥ic族at鹿io坊n話(P伸MA縫G)調(diào)制溜傳遞亡函數(shù)籌（MT來F），MT得F好的姑鏡頭凳有利啊于低查對比刊度景跳物的旗再現(xiàn)懼，拍棵出的戀圖像裹層次徒豐富蹤蝶、細柳節(jié)明醋顯、秒質(zhì)感友細膩單?；冏悖阂残浇惺б罢?.鏡頭繞－有關(guān)命鏡頭自的基有本概形念3.鏡頭逝－有關(guān)冷鏡頭只的基隱本概陽念3.鏡頭滅－常見很光學(xué)鉤鏡頭記的種態(tài)類按光捐學(xué)放截大倍炊率及尺焦距肚劃分顯微猾鏡：淘體幣視顯命微鏡穩(wěn)、生善物顯筋微鏡四、金猜相顯謀微鏡娃、測攻量顯賄微鏡常規(guī)產(chǎn)鏡頭澆：魚眼挎鏡頭古：6-兆16哄mm超廣閘角：17演-2址1m庸m廣角以：24毒-3嘗5m謀m標(biāo)頭扛：45抗-7掛5m撞m長焦攀：15駛0-四30揮0m瀉m超長矛焦：30次0m眨m以上特殊洞鏡頭氣：微距弱鏡頭遠距辜鏡頭遠心和鏡頭紅外參鏡頭紫外椅鏡頭3.鏡頭奔－常見踏光學(xué)膨鏡頭兇的種孔類按其金它性歲能劃匠分固定練焦距賴鏡頭變焦委鏡頭自動斥變焦手動爆變焦不同均接口糧方式計的鏡擺頭C接口嘆（后圍截距17嚇.5剩26盒mm）CS接口鵝（后鵝截距12核.5至mm）F接口左（尼丘康口另）M4綢2其它問：哈浩蘇、惠徠卡愿、AK3.鏡頭碗－各種米鏡頭削常用現(xiàn)配件近拍確接圈偏振邪鏡濾色碎片UV鏡雷登煙鏡增溫虹鏡各色情濾鏡帶通講濾鏡增倍伯鏡分光慕鏡棱鏡第4章工業(yè)廣攝像陣機4.工業(yè)勾攝像違機按不對同芯糾片類抱型劃吸分：CC冬D攝像鍵機，CC蹄D稱為毫電荷灶耦合療器件產(chǎn)，CC阻D實際近上只淡是一診個把滾從圖懼像半很導(dǎo)體么中出值來的候電子蠅有組號織地愈儲存連起來屆的方圖法。CM撒OS攝像研機，CM仗OS稱為倍“互哪補金壩屬氧新化物慚半導(dǎo)賽體”恐，CM滲OS實際紫上只芽是將睛晶體排管放捉在硅鐘塊上怎的技侵術(shù)，招沒有零更多吼的含策義。CM炮OS可以脊將光斬敏元鏈件、軟放大垃器、A/車D轉(zhuǎn)換傅器、許存儲充器、果數(shù)字端信號噴處理鏡器和勒計算所機接肢口控狠制電刺路集責(zé)成在學(xué)一塊窯硅片頑上，樸具有獄結(jié)構(gòu)困簡單露、處澇理功溫能多溪、速擱度快甲、耗傳電低奸、成榆本低艇等特陜點。4.工業(yè)感攝像販機但是寺不論CC覆D或者CM對OS對于摧圖像售感應(yīng)抹都沒閥有用均，真怖正感狗應(yīng)的拴傳感霜器稱扣做“槍圖像剩半導(dǎo)癥體”厚，CC訓(xùn)D和CM坡OS傳感紙器實希際使炊用的偽都是灣同一正種傳可感器雨“圖較像半夜導(dǎo)體倡”，母圖像說半導(dǎo)樣體是德一個P獲N結(jié)合著半導(dǎo)銷體，封能夠獅轉(zhuǎn)換勝光線司的光巖子爆峰炸結(jié)桐合處靈成為恩成比勸例數(shù)穿量的議電子財。電遠子的仁數(shù)量口被計獨算信翠號的晃電壓化，光魄線進肥入圖浩像半伯導(dǎo)體因得越膚多，然電子以產(chǎn)生笛的也欣越多蔽，從罩傳感蝕器輸進出的敢電壓秩也越勢高。4.工業(yè)敢攝像北機CM傳OS攝像良機存錢在成癢像質(zhì)因量差磁、像某敏單兇元尺貨寸小鞋、填笨充率仇低等豬問題笛，19腔89年后碰出現(xiàn)靜了“單有源拒像敏胡單元憲”結(jié)反構(gòu)，乞不僅頑有光張敏元鐘件和墳像敏枯單元慕的尋掘址開瞎關(guān)，賽而且熔還有稱信號妖放大本和處因理等伙電路假，提爆高了唱光電逐靈敏折度、墊減小律了噪蘋聲，疫擴大谷了動呀態(tài)范閣圍，陰使得殼一些躺參數(shù)滔與CC對D攝像帶機相突近，婆而在優(yōu)功能追、功綁耗、膽尺寸曲和價義格方零面要違優(yōu)于CC革D，逐幣步得訪到廣杠泛的蛾應(yīng)用宴。4.工業(yè)臥攝像熔機按輸繪出圖嶄像信屠號格散式劃蹈分模擬墊攝像禁機PA絲式L（黑貴白為CC陜IR），蹤蝶中國媽，62租5行，50場NT預(yù)SC（黑抵白為EI叔A），橫日本果，52腸5行，60場SE罵CA雪MS-杰VI哄DE度O分量懸傳輸數(shù)字正攝像墓機IE孝EE壟13無94US耍B2黑.0DC吳OM櫻3RS難-6耳44義L瓶VD畝SCh簽an深ne無l繁Li獅nkCa略me始ra若L幼in邪k千兆律網(wǎng)4.工業(yè)橫攝像怠機按像纖素排道列方埋式劃焰分面陣湊攝像事機黑白徒攝像何機采用BA關(guān)YE汽R轉(zhuǎn)化辯的單示片相振機3C色CD彩色最攝像奮機（觀分光破棱鏡止）線陣駝攝像落機黑白慢攝像牽機3L撕in休e彩色廊攝像聾機3C合CD彩色晚攝像聯(lián)機（冶分光煉棱鏡高）4.工業(yè)硬攝像棄機－3C工CD4.工業(yè)匆攝像樸機－3L率in國e泄CC虎D4.工業(yè)描攝像搭機－BA貧YE辯R轉(zhuǎn)換4.工業(yè)磨攝像掃機－陪主要疾參數(shù)分辨惹率幀率/行頻成像捷靈敏訴度靶面湊尺寸快門龍速度光譜挪響應(yīng)賺特性白平旱衡外同評步與耗外觸脹發(fā)第5章無圖像逼采集/處理房誠卡5.圖像偽采集/處理輔卡5.賤1圖像盒采集歸卡的竭主要石功能過：A/酬D轉(zhuǎn)換圖像天傳輸圖像疑采集柱控制圖像比處理趁（FP踩GA、DS舟P）5.圖像題采集/處理吉卡模擬耽量圖感像采五集卡:標(biāo)準(zhǔn)鋒視頻蓬信號跟采集:慨P擴AL、NT流SC非標(biāo)繁準(zhǔn)視倍頻信架號采錫集數(shù)字軟量圖涌像采痰集卡IE沾EE墨13剃94卡RS止-6滲44瞎L霞VD延SCh冊an筋ne踢l姻Li配nk吼L藍VD矛SCa雙me亦ra跳L截in虎k租LV搏DS千兆顫網(wǎng)圖利像傳蹦輸卡/傳輸喉器第6章蘇圖像附處理參系統(tǒng)6.圖像炮處理液系