機器視覺系統(tǒng)詳解課件

機器視覺系統(tǒng)詳解深圳市圓融精密電子有限公司機器視覺系統(tǒng)詳解深圳市圓融精密電子有限公司機器視覺系統(tǒng)的構成電腦系統(tǒng)圖像采集卡相機鏡頭光源被測物I/O控制其他機械部分供電及傳輸模擬圖片信號光源觸發(fā)信號其他動作信號數(shù)字圖片信號與軟件通訊相機觸發(fā)信號機器視覺系統(tǒng)的構成電圖像采集卡相機鏡頭光源被測物I/O控制其第一章、光源第一節(jié)：光源簡介光源：為確保視覺系統(tǒng)正常取像獲得足夠光信息而提供照明的裝置。光源是一個視覺應用開始工作的第一步，好的光源與照明方案往往是整個系統(tǒng)成敗的關鍵，起著非常重要的作用。使用光源的目的：光源并不是簡單的照亮物體而已。

1.光源與照明方案的配合應盡可能地突出物體特征量；

2.將待測區(qū)域與背景明顯區(qū)分開，增加對比度，消隱不感興趣的部分；

3.增強待測目標邊緣清晰度；

4.保持足夠的整體亮度；

5.物體位置的變化不應該影響成像的質量。適合的燈源可以提高系統(tǒng)檢測精度、運行速度及工作效率。第一章、光源第一節(jié)：光源簡介第二節(jié)：照明方式的分類

在機器視覺系統(tǒng)中一般使用透射光和反射光。

光源產品相機光源產品相機光源反射光透射光第二節(jié)：照明方式的分類光源產品相機光源產品相機光源反射光透射第三節(jié)：光源的分類及比較螢光燈

鹵素燈+光纖導管LED光源其他（激光、紫外光等）其中LED光源憑借其諸多的優(yōu)點在現(xiàn)代機器視覺系統(tǒng)中得到越來越多的應用。

第三節(jié)：光源的分類及比較螢光燈

其中LED光源憑借其諸多的第四節(jié)：光源選擇的注意事項影響因素：

1.相機光譜響應特性；

2.LED的顏色、反光角度、亮度、壽命等；

3.物品形狀與LED形狀；

4.打光方式；

5.輔助手段（偏光鏡、濾光鏡、漫反射板等）選擇原則：滿足應用，綜合考慮理論分析，實驗驗證第四節(jié)：光源選擇的注意事項第五節(jié)：LED光源的應用實例前面講到，LED的特性使得其廣泛的應用于機器視覺系統(tǒng)中。目前常用的LED光源有：環(huán)形光、條形光、面板光、同軸光、點光源、線光源等等。根據(jù)不同的產品選擇合適的光源，有時候會需要幾種光源進行組合照明。第五節(jié)：LED光源的應用實例機器視覺系統(tǒng)詳解課件機器視覺系統(tǒng)詳解課件機器視覺系統(tǒng)詳解課件機器視覺系統(tǒng)詳解課件第二章、鏡頭第一節(jié)：鏡頭簡介

光學鏡頭相當于人眼的晶狀體，在機器視覺系統(tǒng)中非常重要。

第二章、鏡頭第一節(jié)：鏡頭簡介第二節(jié)：鏡頭的基本概念視野(FOV)

圖像采集設備所能夠覆蓋的范圍，它可以是在監(jiān)視器上可以見到的范圍，也可以使設備所輸出的數(shù)字圖像所能覆蓋的最大范圍。最大/最小工作距離（WorkDistance）

從物鏡到被檢測物體的距離的范圍，小于最小工作距離大于最大工作距離系統(tǒng)均不能正確成像。景深（DepthOfField）

在某個調焦位置上，景深內的物體都可以清晰成像。成象面工作距離（WD）景深（DOV）視野（FOV）后焦面距離第二節(jié)：鏡頭的基本概念視野(FOV)成象面工作距離（WD）畸變幾何畸變指的是由于鏡頭方面的原因導致的圖像范圍內不同位置上的放大率存在的差異。幾何畸變主要包括徑向畸變和切向畸變。如枕形或桶形失真。畸變小于2%人眼是看不出來的。如果畸變小于CCD的一個像素，那么相機也看不出來了。光圈與F值 光圈是一個用來控制鏡頭通光量裝置，它通常是在鏡頭內。表達光圈大小我們是用F值，如f1.4，f2，f2.8等等?；兎直媛?測量系統(tǒng)能夠重現(xiàn)的最小的細節(jié)的尺寸常常用每毫米線對來表示，也就是根據(jù)這個鏡頭能夠分辨一毫米內多少對直線。選擇鏡頭的時候必須注意廠商給出的分辨率的定義方式。焦距 焦距是像方主面到像方焦點的距離。如16mm，25mm，35mm等。成像面

可以在鏡頭的像面上清晰成像的物方平面。分辨率鏡頭接口C-MOUNT

鏡頭的標準接口之一，鏡頭的接口螺紋參數(shù)：公稱直徑：1“

螺距：32牙CS－Mount是C－Mount的一個變種，區(qū)別僅僅在于鏡頭定位面到圖像傳感器光敏面的距離的不同，C－Mount是17。5mm，CS－Mount是12。5mm。C/CS能夠匹配的最大的圖像傳感器的尺寸不超過1“。F-Mount，卡口，沒有螺紋。其他類型鏡頭接口第三節(jié)：鏡頭各個參數(shù)間的關系光圈大通光能力大，光圈小通光能力小；光圈小則景深大，光圈大則景深小；第三節(jié)：鏡頭各個參數(shù)間的關系第四節(jié)：鏡頭的分類按照等效焦距分為廣角鏡頭等效焦距小于標準鏡頭（等效焦距為50mm）的鏡頭。特點是最小工作距離短，景深大，視角大。常常表現(xiàn)為桶形畸變。中焦距鏡頭焦距介于廣角鏡頭和長焦鏡頭之間的鏡頭。通常情況下畸變校正較好。長焦距鏡頭等效焦距超過200mm的鏡頭。工作距離長，放大比大，畸變常常表現(xiàn)為枕形狀畸變。等效焦距計算方法：

實際焦距×43mm

鏡頭成像圓的直徑第四節(jié)：鏡頭的分類按照功能分變焦距鏡頭鏡頭的焦距可以調節(jié)，鏡頭的視角、視野可變。定焦距鏡頭鏡頭的焦距不能調節(jié)，鏡頭視角固定。聚焦位置和光圈可以調節(jié)。定光圈鏡頭光圈不能調節(jié)，通常情況下聚焦也不能調節(jié)。按照功能分按照用途分微距鏡頭（或者成為顯微鏡頭）用于拍攝較小的目標具有很大的放大比遠心鏡頭包括物方遠心鏡頭和像方遠心鏡頭以及雙邊遠心鏡頭。按照用途分第五節(jié)：遠心鏡頭在測量系統(tǒng)中，有一些因素影響測量的精度與重復性。物體位置變化引起的比例尺變化畸變投影誤差物體邊緣測量誤差大采用遠心鏡頭可以很大程度的降低以上誤差，甚至消除這些誤差。遠心鏡頭的口徑至少要與需要觀察的物體尺寸相等或更大。第五節(jié)：遠心鏡頭第六節(jié)：選擇鏡頭的原則機器視覺鏡頭可支持的最大的CCD尺寸不能小于所搭配的相機中CCD傳感器芯片的尺寸。.如果鏡頭尺寸比CCD靶面尺寸小,圖片邊緣會出現(xiàn)黑場,即只有中間一個圓圈的視場是有效的.第六節(jié)：選擇鏡頭的原則THANKYOUSUCCESS2023/8/323可編輯THANKYOUSUCCESS2023/7/3022.鏡頭接口要跟相機接口匹配安裝，也可通過轉換匹配安裝。2.鏡頭接口要跟相機接口匹配安裝，也可通過轉換匹配安裝。3.鏡頭的工作距離要適當。

所謂工作距離，是指當圖像在焦距范圍內的時候，物體和鏡頭前端的距離。通過焦距、工作距離、CCD尺寸這些我們還可以得知鏡頭的視場范圍，選擇鏡頭的原則也同時包括了鏡頭視場覆蓋的原則。3.鏡頭的工作距離要適當。4.機器視覺鏡頭的光譜特性要符合光源的要求。在機器視覺系統(tǒng)中，鏡頭不只是與相機相互作用的，鏡頭還需滿足光源要求，才能獲取全部的圖像信息。在這里需要考慮光源的波長、光譜范圍、以及光源的種類是紅外還是紫外等等。5.機器視覺鏡頭的畸變率要符合測量標準。直線在經(jīng)過透鏡成像后會變成彎曲的現(xiàn)象，這就是畸變，畸變主要有兩種，分別為桶形畸變和枕形畸變?；兊拇嬖谑蔷哂衅毡樾缘?，目前也沒有能完全消除的手段，所以能將畸變率控制在一個水平上就算是合格了。4.機器視覺鏡頭的光譜特性要符合光源的要求。在機器視覺系統(tǒng)中第三章、相機第一節(jié)：相機原理簡介相機將通過鏡頭的光信號轉換為電信號——電子圖像，這是模擬信號；再通過A/D轉換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號。第三章、相機第一節(jié)：相機原理簡介第二節(jié)：相機的分類按不同芯片類型劃分：CCD攝像機，CCD稱為電荷耦合器件，CCD實際上只是一個把從圖像半導體中出來的電子有組織地儲存起來的方法。CMOS攝像機，CMOS稱為“互補金屬氧化物半導體”，CMOS實際上只是將晶體管放在硅塊上的技術，沒有更多的含義。CMOS可以將光敏元件、放大器、A/D轉換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計算機接口控制電路集成在一塊硅片上，具有結構簡單、處理功能多、速度快、耗電低、成本低等特點。早期CMOS攝像機存在成像質量差、像敏單元尺寸小、填充率低等問題，1989年后出現(xiàn)了“有源像敏單元”結構，不僅有光敏元件和像敏單元的尋址開關，而且還有信號放大和處理等電路，提高了光電靈敏度、減小了噪聲，擴大了動態(tài)范圍，使得一些參數(shù)與CCD攝像機相近，而在功能、功耗、尺寸和價格方面要優(yōu)于CCD，逐步得到廣泛的應用。CCD芯片采集速度快，CMOS較慢。即CCD芯片的相機更加適合拍攝運動的物體，處理實時運動對象。實際上很多情況下兩者都可以選擇。第二節(jié)：相機的分類按輸出圖像信號格式劃分模擬攝像機PAL（黑白為CCIR），中國，625行，50場NTSC（黑白為EIA），日本，525行，60場SECAMS-VIDEO分量傳輸數(shù)字攝像機IEEE1394USB2.0DCOM3RS-644LVDSChannelLinkCameraLink千兆網(wǎng)按輸出圖像信號格式劃分按像素排列方式劃分面陣攝像機黑白攝像機采用BAYER轉化的單片相機3CCD彩色攝像機（分光棱鏡）線陣攝像機黑白攝像機3Line彩色攝像機3CCD彩色攝像機（分光棱鏡）按像素排列方式劃分3CCD彩色相機3CCD彩色相機3Line彩色相機3Line彩色相機BAYER轉換彩色相機BAYER轉換彩色相機第三節(jié)：相機的主要參數(shù)像素：用來計算影像的一種單位，一個像素通常被視為圖像的最小的完整采樣。每一張圖片都是由很多個像素組成的。像素深度：：即每像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對于數(shù)字相機機一般還會有10Bit、12Bit等。分辨率：表示每一個方向上的像素數(shù)量，我們通常所看到的分辨率都以乘法形式表現(xiàn)的，比如1024*768，其中“1024”表示屏幕上水平方向顯示的點數(shù)，“768”表示垂直方向的點數(shù)。幀率/行頻：相機采集傳輸圖像的速率，對面陣相機一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec.），對線陣相機為每秒采集的行數(shù)（Hz)第三節(jié)：相機的主要參數(shù)曝光方式與快門速度:線陣相機都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以設定一個固定的時間。面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數(shù)字相機一般都提供外觸發(fā)采圖的功能?？扉T速度一般可以到10微秒，高速相機還可以更快。光譜響應特性:是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應范圍是350nm－1000nm。有一些相機在靶面前加了一個濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。曝光方式與快門速度:線陣相機都是逐行曝光的方式，可以選擇固定芯片尺寸:在CCD出現(xiàn)之前，攝像機是利用一種叫作“光導攝像管（VidiconTube）”的成像器件感光成像的，這是一種特殊設計的電子管，其直徑的大小，決定了其成像面積的大小。因此，人們就用光導攝像管的直徑尺寸來表示不同感光面積的產品型號。CCD出現(xiàn)之后，最早被大量應用在攝像機上，也就自然而然沿用了光導攝像管的尺寸表示方法，進而擴展到所有類型的圖像傳感器的尺寸表示方法上。例如，型號為“1/1.8”的CCD或CMOS，就表示其成像面積與一根直徑為1/1.8英寸的光導攝像管的成像靶面面積近似。光導攝像管的直徑與CCD/CMOS成像靶面面積之間沒有固定的換算公式，從實際情況來說，CCD/CMOS成像靶面的對角線長度大約相當于光導攝像管直徑長度的2/3.芯片尺寸:在CCD出現(xiàn)之前，攝像機是利用一種叫作“光導攝像管白平衡：簡單地說白平衡就是無論環(huán)境光線如何，仍然把“白”定義為“白”的一種功能。由于CCD傳感器本身沒有這種功能，因此就有必要對它輸出的信號進行一定的修正，這種修正就叫做工業(yè)相機的白平衡。顏色實質上就是對光線的解釋，在正常光線下看起來是白顏色的東西在較暗的光線下看起來可能就不是白色，還有熒光燈下的“白”也是“非白”。對于這一切如果能調整白平衡，則在所得到的照片中就能正確地以“白”為基色來還原其他顏色。所以白平衡控制就是通過圖像調整，使在各種光線條件下拍攝出的照片色彩和人眼所看到的景物色彩完全相同。

工業(yè)相機白平衡這一參數(shù)可用來調節(jié)圖像中紅色和藍色的色度，以得到逼真的色彩?？赏ㄟ^手動或自動方式控制這些值。自動白平衡功能提供兩種操作模式：

自動：對視頻數(shù)據(jù)流持續(xù)實施白平衡操作。

單觸：只觸發(fā)一次調節(jié)過程。

普通的多媒體相機只提供一個白平衡參數(shù)，所以增加紅色色值會減少藍色色值，反之亦然。高質量的相機提供兩個參數(shù)，因此可以分別調節(jié)紅和藍的色值：源圖像藍色值過低紅色值過低白平衡：源圖像藍色值過低紅色值過低產品型號TRI500MTRI500C傳感器逐行掃描CMOS彩色/黑白MonoRGB分辨率2592×1944幀頻6fps像素深度8Bit像素大小2.2um光學尺寸1/2.5曝光時間80us—160us同步模式連續(xù)模式/外觸發(fā)可調節(jié)參數(shù)曝光時間、亮度、增益、白平衡輸入輸出輸入2路，帶光耦隔離；輸出4路，帶光耦隔離鏡頭接口C口或CS口傳輸接口IEEE1394A傳輸距離3m，最大可10m供電要求1394總線供電支持協(xié)議1394DCAM1.31機械尺寸52mm×52mm×48.8mm產品型號TRI500MTRI500C傳感器逐行掃描CMOS彩四、圖像采集卡第一節(jié)：圖像采集卡簡介圖像采集卡：又稱為圖像卡，它是圖像采集部分和處理部分的接口。它將攝像機的圖像視頻信號，送到計算機的內存，供計算機處理、存儲、顯示和傳輸?shù)仁褂谩D像的數(shù)字化：圖像經(jīng)過采樣、量化以后轉換為數(shù)字圖像并輸入、存儲到幀存儲器的過程。四、圖像采集卡第一節(jié)：圖像采集卡簡介第二節(jié)：圖像采集卡的各部參數(shù)定義1、A/D轉換即視頻量化處理。是指將相機所輸出的模擬視頻信號轉換為PC所能識別的數(shù)字信號的過程。視頻信號的量化處理是圖像采集處理的重要組成部分。2、傳輸通道數(shù)（Channel）采集卡同時對多個相機進行A/D轉換的能力。如：2通道、4通道。3、分辨率（可以理解為1mm內分辨開的線條數(shù)）采集卡能支持的最大點陣反映了其分辨率的性能--即其所能支持的相機最大分辨率。第二節(jié)：圖像采集卡的各部參數(shù)定義4、采樣頻率

采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進行高速圖像采集時，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。5、傳輸速率指圖像由采集卡到達內存的速度。普通PCI接口理論傳輸速度為132MB/S，PCI-E，PCI-X是更高速的總線接口。6、圖像格式（像素格式)

(1)黑白圖像：通常情況下，圖像灰度等級可分為256級，即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時，可用10位，12位等來表示。

(2)彩色圖像：彩色圖像可由RGB（YUV）