機器視覺的基礎知識培訓課件

機器視覺的基礎知識培訓日期：2015-07-09部門：技術培訓科機器視覺的基礎知識培訓日期：2015-07-09目錄1機器視覺的相關概念2機器視覺系統(tǒng)相關學科3機器視覺系統(tǒng)基本構成4機器視覺系統(tǒng)應用分類5機器視覺系統(tǒng)軟、硬件6設計需要確認的事項7機器視覺對機械結構的要求目錄1機器視覺的相關概念2機器視覺系統(tǒng)相關學科3機器視覺系統(tǒng)1、機器視覺的相關概念1.1.機器視覺的定義：機器（Machine）運動機械控制視覺（Vision）視(硬件)覺(軟件)包括光源、相機、鏡頭、圖像采集卡等1.2.機器視覺的工作原理：相機將被檢測目標轉換成圖像信號，傳送給圖像處理系統(tǒng)，圖像處理系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，如面積、數量、位置、長度，再根據預設的允許度和其他條件輸出結果，實現自動識別功能。機器視覺是指利用相機、攝像機等傳感器，配合機器視覺算法賦予智能設備人眼的功能，從而進行物體的識別、檢測、測量等功能。機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷1、機器視覺的相關概念1.1.機器視覺的定義：機器（Mach1、機器視覺的相關概念1.3.機器視覺系統(tǒng)的定義：機器視覺系統(tǒng)是指通過圖像采集單元（相機），將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。1.5.主要適用環(huán)境：高速、高精；超視、微距；客觀、無疲勞；環(huán)境限制等。1.4.機器視覺的分類：可以分為工業(yè)視覺、計算機視覺兩大類機器視覺1.工業(yè)視覺2.計算機視覺應用領域智能制造未來消費、服務等智能生活領域功能目標主要解決需要人眼進行工件的定位、測量、檢測等重復性勞動賦予智能機器人視覺、實現對于外界位置信息、圖像信息的識別與判斷硬件需求要求較高、需要對工業(yè)相機的幀頻、分辨率等指標依據需求篩選除特殊情況，大部分對于相機或攝像頭的要求并不高算法需求往往側重于精確度的提高更加復雜，側重于采用數學邏輯或深度學習進行物體的標定與識別產業(yè)成熟度較高，在半導體、包裝等行業(yè)的測量、檢測已有較為廣泛的應用總體上還處于初步探索階段，初創(chuàng)企業(yè)層出不窮1、機器視覺的相關概念1.3.機器視覺系統(tǒng)的定義：1.5.主涉及相關學科有：計算機視覺機械設計照明工程光學設計自動控制圖像處理嵌入式電子圖像處理自動控制嵌入式系統(tǒng)照明工程機械設計計算機視覺光學設計機器視覺系統(tǒng)2、機器視覺系統(tǒng)相關學科涉及相關學科有：圖像處理自動控制嵌入式系統(tǒng)照明工程機械設計計典型系統(tǒng)由以下組成：待測目標光源鏡頭相機圖像采集卡圖像處理軟件輸入輸出板卡工業(yè)電腦3、機器視覺系統(tǒng)基本構成工業(yè)相機是機器視覺系統(tǒng)的硬件構成中的重要環(huán)節(jié)之一，其成本約占硬件系統(tǒng)的50%左右。典型系統(tǒng)由以下組成：3、機器視覺系統(tǒng)基本構成工業(yè)相機是機器視“嵌入”典型系統(tǒng)由以下組成：待測目標光源鏡頭相機圖像采集卡圖像處理軟件輸入輸出板卡工業(yè)電腦3、機器視覺系統(tǒng)基本構成“嵌入”典型系統(tǒng)由以下組成：3、機器視覺系統(tǒng)基本構成4、機器視覺系統(tǒng)應用分類作為一種給機器人帶來視覺功能的關鍵技術，機器視覺應用廣泛。從工業(yè)視覺到計算機視覺，從人機交互到自動駕駛，從虛擬現實到物體自動識別，機器視覺都能擔當著重要角色。4、機器視覺系統(tǒng)應用分類作為一種給機器人帶來視覺功能的關鍵技1、測量（Measure）2、檢測（Inspect）3、定位（Locate）4、識別（Identify）目前與我們3C自動化行業(yè)有關的主要應用：能夠自動測量產品的外觀尺寸，比如外形輪廓、孔徑、高度、面積等可以檢測產品表面的一些信息：產品有無、瑕疵、數字統(tǒng)計等能夠自動判斷物體的位置，并將位置信息通過一定的通訊協(xié)議輸出，多用于全自動組裝能夠自動識別并讀取二維碼、條形碼、色彩等4、機器視覺系統(tǒng)應用分類1、測量2、檢測3、定位4、識別目前與我們3C自動化行業(yè)有關4.1.測量：測量：長度測量測量：角度測量4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.1.測量：測量：長度測量測量：角度測量4、機器視覺系統(tǒng)應4.1.測量：測量：圓弧及半徑測量4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.1.測量：測量：圓弧及半徑測量4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.2.檢測：檢測：有無檢測(郵包)測量：殘次品檢測4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.2.檢測：檢測：有無檢測(郵包)測量：殘次品檢測4、機器4.2.檢測：檢測：數字統(tǒng)計4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.2.檢測：檢測：數字統(tǒng)計4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.2.檢測：檢測：瑕疵檢測劃痕、臟污、亮斑、缺角、凸起等4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.2.檢測：檢測：瑕疵檢測劃痕、臟污、亮斑、缺角、凸起等44.3.定位：定位：內部定位4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.3.定位：定位：內部定位4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.3.定位：定位：坐標輸出定位4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.3.定位：定位：坐標輸出定位4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.4.識別：識別：讀碼4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.4.識別：識別：讀碼4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.4.識別：識別：讀碼4、機器視覺系統(tǒng)應用分類4.4.識別：識別：讀碼4、機器視覺系統(tǒng)應用分類識別：顏色4.4.識別：4、機器視覺系統(tǒng)應用分類識別：顏色4.4.識別：4、機器視覺系統(tǒng)應用分類5.1.相機：相機分類按芯片技術：CCD相機和CMOS相機按靶面類型：面陣相機和線陣相機按輸出模式：模擬相機和數字相機按顏色：彩色相機和黑白相機按是否帶處理器：智能相機和非智能相機主要特性參數芯片類型分辨率：位于CCD&CMOS芯片上的像素數速度：line/s，fps光學接口：C,CS,F等5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.1.相機：相機分類5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件

相機的選擇相機分辨率：相機分辨率（X方向）＝最佳視野范圍（X方向）÷理論象素值（X方向）相機分辨率（Y方向）＝最佳視野范圍（Y方向）÷理論象素值（Y方向）系統(tǒng)速度要求與相機成象速度系統(tǒng)單次運行速度=系統(tǒng)成象速度+系統(tǒng)檢測速度幀速或線數快門速度5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件相機的選擇相機分辨率：5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件CCD的概念CCDChargedCoupledDevice：電荷耦合器大量的獨立的光敏元件排列在一起每個光敏元件稱為像素像素圖像的基本單位：最小的視覺顯示單位工作原理實物光子電荷模擬量（電壓）數字量圖像5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件CCD的概念CCD實物光子電荷模擬量（電壓）數字量圖像5、機5.2.鏡頭：為什么需要鏡頭鏡頭等同于針孔成像中針孔的作用，所不同的是，一方面鏡頭的透光孔徑比針孔大很多倍，能在同等時間內接納更多的光線，使相機能在很短時間內（毫秒到秒級）獲得適當的曝光；另一方面，鏡頭能夠聚集光束，可以在相機膠片上產生比針孔成像效果更為清晰的影像；鏡頭類型：標準、遠心、廣角、近攝、遠攝等。5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.2.鏡頭：為什么需要鏡頭鏡頭等同于針孔成像中針孔的作用，5.2.鏡頭：鏡頭的接口物鏡的接口有三種國際標準：F接口、C接口和CS接口。F接口是通用型接口，一般適用于焦距大于25mm的鏡頭，當物鏡的焦距小于25mm時，物鏡的尺寸不大，一般采用C型或CS型接口。C和CS型接口的區(qū)別：

C與CS型接口的區(qū)別在于鏡頭與相機接觸面（基準面）至相機焦平面（攝像機CCD光電感應器所處位置）的距離，即法蘭距不同，C型接口法蘭距為17,562mm，CS型接口法蘭距為12.5mm。

C型接口鏡頭與CS型相機之間增加一個5mm的C/CS轉接環(huán)可以配合使用，CS型接口與C型接口相機無法配合使用。5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.2.鏡頭：鏡頭的接口物鏡的接口有三種國際標準：F接口、C視場(Fieldofview,即FOV，也叫視野范圍)：指觀測物體的可視范圍，也就是充滿相機采集芯片的物體部分。工作距離(WorkingDistance,即WD):指從鏡頭前部到受檢驗物體的距離。即清晰成像的表面距離。分辨率：圖像系統(tǒng)可以測到的受檢驗物體上的最小可分辨特征尺寸。在多數情況下，視野越小，分辨率越好。景深(Depthofview，即DOF)：物體離最佳焦點較近或較遠時，鏡頭保持所需分辨率的能力。5.2.鏡頭：工業(yè)鏡頭的基本參數5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件視場(Fieldofview,即FOV，也叫視野范圍)工業(yè)鏡頭的其他參數5.2.鏡頭：

感光芯片尺寸：相機感光芯片的有效區(qū)域尺寸，一般指水平尺寸。這個參數對于決定合適的鏡頭縮放比例以獲取想要的視場非常重要。鏡頭主要縮放比例(PMAG)由感光芯片的尺寸和視場的比率來定義。雖然基本參數包括感光芯片的尺寸和視場，但PMAG卻不屬于基本參數。

焦距（f）焦距，是光學系統(tǒng)中衡量光的聚集或發(fā)散的度量方式，指從透鏡的光心到光聚集之焦點的距離。亦是照相機中，從鏡片中心到底片或CCD等成像平面的距離。（需要記住的公式）

f={工作距離/視野范圍長邊（或短邊）}XCCD長邊（或短）焦距大小的影響情況：焦距越小，景深越大；焦距越小，畸變越大；焦距越小，漸暈現象越嚴重，使像差邊緣的照度降低；解析度

表示一組物鏡所能見到了2點的最小間隔0.61x使用波長(λ)/NA=解析度(μ)

以上的計算方法理論上可以計算出解析度，但不包括失真。

※使用波長為550nm解像力１mm中間可以看到黑白線的條數。單位（lp）/mm.MTF（ModulationTransferFunction）成像時再現物體表面的濃淡變化而使用的空間周波數和對比度。

5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件工業(yè)鏡頭的其他參數5.2.鏡頭：5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件失真（distortion）：（衡量鏡頭性能的指標之一）又稱畸變，指被攝物平面內的主軸外直線，經光學系統(tǒng)成像后變?yōu)榍€，則此光學系統(tǒng)的成像誤差稱為畸變?；兿癫钪挥绊懹跋竦膸缀涡螤睿挥绊懹跋竦那逦?。光圈與F值光圈是一個用來控制鏡頭通光量裝置（即鏡頭通光孔徑），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。8etc光通量F=鏡頭的焦距（f）/鏡頭通光孔徑。（F值越小、光圈越大）工業(yè)鏡頭的其他參數5.2.鏡頭：大光圈的作用進入更多光線更快的快門速度更淺的景深（背景虛化效果）例：APPLE4S（800w+f/2.4）；APPLE5S（800w+f/2.2）；APPLE6S（1200w+f/2.2）；

APPLE7/8（1200w+f/1.8）；APPLE8Plus（雙1200w+長焦f1.8/廣角f2.8）；

APPLEXS（雙1200w+長焦f1.8/廣角f2.4）；三星S9+（雙1200w+f1.5/f2.4智能可變光圈）；5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件失真（distortion）：（衡量鏡頭性能的指標之一）光工業(yè)鏡頭的其他參數5.2.鏡頭：大光圈適合拍攝人像或者靜物花卉，因為光圈越大景深越淺，更能夠凸出拍攝主題小光圈更適合拍攝風景，光圈越小景深越深。小光圈拍攝的照片每一處細節(jié)都很清晰，配合廣角鏡頭最適合拍攝風光大片。5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件工業(yè)鏡頭的其他參數5.2.鏡頭：大光圈適合拍攝人像或者靜物花景深

景深是一個描述在空間中，可以清楚成像的距離范圍。景深通常由物距、鏡頭焦距，以及鏡頭的光圈值所決定，（相對于焦距的光圈大?。?。除了在近距離時，一般來說景深是由物體的放大率以及透鏡的光圈值決定。固定光圈值時，增加放大率，不論是更靠近拍攝物或是使用長焦距的鏡頭，都會減少景深的距離；減少放大率時，則會增加景深。如果固定放大率時，增加光圈值（縮小光圈）則會增加景深；減小光圈值（增大光圈）則會減少景深。

表示聚焦清楚的范圍，長景深表示聚焦清楚的范圍大，短景深表示聚焦清楚的范圍小。工業(yè)鏡頭的其他參數5.2.鏡頭：5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件景深工業(yè)鏡頭的其他參數5.2.鏡頭：5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬5.3.光源：

機器視覺系統(tǒng)工作的基本程序：取像=》分析=》結果輸出光源為確保視覺系統(tǒng)正常取像獲得足夠光信息和穩(wěn)定圖像而提供的照明裝置光源是一個視覺應用開始工作的第一步。光源的目的

-照亮目標，提高目標亮度-形成最有利于圖像處理的成像效果-克服環(huán)境光干擾，保證圖像的穩(wěn)定性光源的重要性合適的光源可以大大降低圖像處理難度，提高系統(tǒng)檢測精度、運行速度及工作效率。5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.3.光源：機器視覺系統(tǒng)工作的基本程序：光源的目的5、機按照射方式可分為四大類:5.3.光源：背向照明前向照明結構光頻閃照明。各種照明方式：平面照明、環(huán)形光源、同軸光源、平行光源、點光源、低角度光源、線光源、光柵；5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件按照射方式可分為四大類:5.3.光源：背向照明5、機器視覺系5.3.光源：#1:背光——測量系統(tǒng)的最佳選擇案例：治具相機鏡頭被測工件背光5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.3.光源：#1:背光——測量系統(tǒng)的最佳選擇案例：治具相機5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.3.光源：#1:背光——測量系統(tǒng)的最佳選擇案例：治具5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.3.光源：#1:背光——測量系統(tǒng)5.3.光源：#2:正光——最直接的照明相機鏡頭正光被測工件拱形光源（碗光）環(huán)形光源（環(huán)光）環(huán)形光源（環(huán)光）5.3.光源：#2:正光——最直接的照明相機鏡頭正光被測工件5.3.光源：#3:同軸光——均勻性好5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.3.光源：#3:同軸光——均勻性好5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬5.3.光源：#4:點光源遠心鏡頭5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.3.光源：#4:點光源遠心鏡頭5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.3.光源：#5:線光源5、機器視覺系統(tǒng)軟、硬件5.3.光源：#5:線光源5、