工業(yè)機器人視覺技術(shù)及行業(yè)應(yīng)用 課件 蔣正炎 第2章 機器視覺的系統(tǒng)構(gòu)成

機器視覺的系統(tǒng)構(gòu)成機器視覺的系統(tǒng)構(gòu)成機器視覺系統(tǒng)的主要工作由三部分組成：圖像的獲取、圖像的處理和分析、輸出或顯示。因此機器視覺系統(tǒng)的主要組件包括光源、相機、鏡頭、圖像處理軟件和輸入輸出單元。光源用于對待檢測的元件進行照明，讓元件的關(guān)鍵特征能夠突顯出來，確保相機能夠清楚地看到這些特征。鏡頭用于采集圖像，并將圖像以光線的形式呈現(xiàn)給傳感器。然后，機器視覺相機中的傳感器將該光線轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像，然后將該數(shù)字圖像發(fā)送至處理器進行分析。圖像采集卡是重要的輸入輸出單元，用于圖像的高速傳輸及數(shù)字化處理。1/3機器視覺的系統(tǒng)構(gòu)成下圖中列出了機器視覺系統(tǒng)的各個關(guān)鍵組件，包括：光源、鏡頭、相機、視覺系統(tǒng)控制器和輸入輸出單元等。本章將重點介紹系統(tǒng)中的重要組成部分：光源、相機和圖像采集卡。2/3THANKS!華航科技致真唯實3/3不同的照明方式一、LED光源二、不同的光源形式2.1

背光照明2.2環(huán)形光源

2.3同軸光源

2.4條形光源

2.5圓頂光源5/13一LED光源

正在發(fā)光的物體叫做光源，而“正在”這個條件必須具備。光源可以是天然的或人造的，如今采用在機器視覺系統(tǒng)中的光源通常是LED光源。LED光源由多顆LED排列而成，可以設(shè)計成復雜的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)不同的光源照射角度。LED光源使用壽命長且反應(yīng)快捷，能在10ms或更短時間內(nèi)達到最大亮度。6/13背光照明環(huán)形光源同軸光源條形光源圓頂光源二不同的光源形式

本節(jié)中將介紹以下幾種機器視覺系統(tǒng)中常用的照明形式：7/132.1背光照明

背光照明的說法是相對于入射光照明而言的。入射光照明是光源在相機和被檢測物之間，而背光照明使用從工件背面照射的照明方式，被檢測物在相機與光源之間，如下圖所示。本節(jié)中除背光照明外介紹的均為入射光照明。背光照明入射光照明8/132.1背光照明

背光照明與別的照明方式有很大不同，因為圖像分析的不是反射光而是入射光，使用這種方式可以獲得穩(wěn)定的高對比度圖像。環(huán)形光照明下的燈絲背光照明下的燈絲9/132.1背光照明

背光源照明可強烈凸顯物體的輪廓特征，卻無法辨別物體的表面特征，十分適合物體的形狀檢測和半透明物體的檢測，通常可以用于以下情況的視覺檢測：機械零件的外形尺寸測量，電子零件、IC芯片形狀檢測，膠片的污跡檢測，透明物體的劃痕檢測等。缺金屬針的塑料連接頭背光照明下的圖像10/132.2環(huán)形光源

環(huán)形光源是指LED陣列成圓錐狀以斜角照射在被測物體表面，通過漫反射方式照亮一小片區(qū)域。與檢測目標的距離恰當時，環(huán)形光源可以突出顯示被測物體的邊緣和高度變化，突出原本難以看清的部分，適合用于邊緣檢測、金屬表面的刻字和損傷檢測，也可用于電子零件、塑膠成型零件上的文字檢查，可有效去除因小型工件表面的局部反射造成的影響。11/132.3同軸光源

同軸光源（也叫漫射同軸燈、金屬平面漫反射照明光源）從側(cè)面將光線發(fā)射到半反射鏡上，反射鏡再將光線反射到工件上，提供了幾近垂直角度的光線，從而獲得比傳統(tǒng)光源更均勻、更明亮的照明，提高了機器視覺的準確性。同軸光源同軸光源工作原理12/132.3同軸光源

使用同軸光源照明時，光線照射到工件后進入相機，在工件表面凹凸不平的部分產(chǎn)生漫反射，可以從被測物的不光滑表面上獲得帶有少量陰影的穩(wěn)定圖像。同軸光源能夠凸顯物體表面不平整，克服表面反光造成的干擾，主要用于檢測物體平整光滑表面的碰傷、劃傷、裂紋和異物。同軸光源最適宜用于反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、鏡片等表面的劃痕檢測，芯片和硅晶片的破損檢測，條碼包裝識別等。沖壓部件的檢測螺絲頭的檢測13/132.4條形光源

使用條形光源可以均勻照射寬廣區(qū)域，其方向性好，尺寸靈活多變，結(jié)構(gòu)可自由組合，角度也可自由調(diào)整?？蓱?yīng)用于金屬表面的檢測、表面裂紋的檢測以及LCD面板檢測等。條形光源條形光源的自由組合14/132.5圓頂光源

圓頂光源（又叫穹頂光源、DOME光源、連續(xù)漫反射光源）是指LED環(huán)形光源安裝在碗狀表面內(nèi)且向圓頂內(nèi)照射，來自環(huán)形光源的光通過高反射率的擴散圓頂進行漫反射，實現(xiàn)均勻照明的照明方式，如圖2-11。對于形狀復雜的工件，圓頂光源可以將工件各個角度照亮，從而消除了反光不均勻的地方，可獲得工件整體的無影圖像。15/132.5圓頂光源

圓頂光源適用于各種形狀復雜的工件，通常可用于以下情況：飲料罐上的日期文字檢查；手機按鍵上的文字檢查；金屬、玻璃等反射較強的物體表面的檢測；彈簧表面的裂縫檢測等。罐頭底部文字的檢測鋁箔包裝上的文字檢測16/13THANKS!華航科技致真唯實17/13常見的光源顏色一、不同光源顏色的成像特征1.1白色光成像1.2紅色光成像1.3綠色光成像1.4藍色光成像二、不同顏色光源的適用范圍19/8一不同光源顏色的成像特征

光源的顏色也對圖像的成像有影響。LED光源有多種顏色可以選擇，包括紅、綠、籃、白，還有紅外、紫外。針對不同的檢測物體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色，也就是不同波長的光源，能夠達到更加理想的拍攝效果。每一種光源都有自己的光譜，而相機的圖像都會受到光譜的影響。不同的波長，對物質(zhì)的穿透力（穿透率）不同，波長越長，光對物體的穿透力愈強；波長越短，光在物質(zhì)表面的擴散率愈大。下面以白色光、紅色光、綠色光和藍色光舉例說明在單色相機成像時，光源顏色對成像結(jié)果的影響。20/81.1白色光成像21/81.1紅色光成像22/81.1綠色光成像23/81.2藍色光成像24/8二不同顏色光源的適用范圍

從上面不同顏色光源的特征我們可以發(fā)現(xiàn)，某種顏色的光源照射在同種顏色的物體是，視野中的物體就是發(fā)亮的。應(yīng)用此點特征可以過濾掉檢測中的無用信息，比如使用紅色的光源可以過濾掉紅色的文字。同時可以應(yīng)用互補色增加圖像的對比度，例如紅色背景使用綠色光源等等。光源顏色適用范圍白色適用性廣，亮度高，拍攝彩色圖像時使用較多。紅色可以透過一些比較暗的物體，如：底材黑色的透明軟板孔、綠色電路板線路檢測、透光膜厚度監(jiān)測。綠色紅色背景產(chǎn)品，銀色背景產(chǎn)品。藍色銀色背景產(chǎn)品（鈑金，車加工件等）、薄膜上金屬印制品。表1.1不同顏色光源的適用范圍25/8THANKS!華航科技致真唯實26/8CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器CCD（charge-coupleddevice）電荷耦合元件，也稱為CCD圖像傳感器、CCD感光芯片，是一種半導體器件?？梢詫⑺醋饕环N集成電路，感光元件整齊地排列在半導體材料上面，能感應(yīng)光線。CCD的作用就像傳統(tǒng)的膠片一樣，用來承載圖像，但它能夠把光學影像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。28/3CCD圖像傳感器CCD的成像點為XY縱橫矩陣排列，每個成像點由一個光電二極管和其控制的一個鄰近電荷存儲區(qū)組成。光電二極管將光線轉(zhuǎn)換為電荷，聚集的電荷數(shù)量與光線的強度成正比。在讀取這些電荷時，各行數(shù)據(jù)被移動到緩存器中。每行的電荷信息被連續(xù)讀出，再通過電荷/電壓轉(zhuǎn)換器和放大器傳至圖像采集卡。29/3THANKS!華航科技致真唯實30/3光圈和景深一、光圈1.1光圈值1.2不同的光圈大小二、景深

2.1

景深的定義

2.2決定景深的因素

2.3調(diào)節(jié)光圈和景深32/8一光圈值對于已經(jīng)制造好的鏡頭，不能隨意改變鏡頭的直徑，但是可以通過在鏡頭內(nèi)部加入多邊形或者圓形，并且面積可變的孔狀光柵來達到控制鏡頭進光量的目的，這個裝置就是光圈。光圈是照相機上用來控制鏡頭孔徑大小的部件，用以控制景深、鏡頭成像質(zhì)量，同時可以和快門速度協(xié)同控制進光量，光圈的大?。ɑ蚍Q光圈系數(shù)、光圈值）用f值表示。

從上面的公式能夠看出，在焦距不變的情況下，f值越小，光圈孔徑越大，進光量越多，畫面比較亮，主體背景虛化越大；f值越大，光圈孔徑越小，進光量越少，畫面比較暗，主體前后越清晰。33/8一不同的光圈大小用于調(diào)節(jié)光圈大小的光圈環(huán)位于鏡頭上：事實上，我們在圖中看到的光圈值是通過一定規(guī)律排列的，光圈系數(shù)序列中相鄰兩個光圈系數(shù)的平方比約為1：2。例如，2×2^2≈（2.8）^2，2×（2.8）^2≈4^2……光圈孔徑和f值成反比，進光量和光圈孔徑的平方成正比，也就是和f值的平方成反比。34/8一不同的光圈大小因此，光圈環(huán)轉(zhuǎn)動一格，進光量相差一倍。35/8二景深的定義前面介紹光圈時提到的“主體背景虛化”“主體前后清晰”，其實還有一個更加專業(yè)的名詞來形容這種圖像效果——景深。在光學中，尤其是錄影或是攝影，景深是一個描述在空間中可以清楚成像的距離范圍的術(shù)語。雖然鏡頭只能夠?qū)⒐饩奂侥骋还潭ǖ木嚯x（即焦距），遠離此點則會逐漸模糊，但是在某一段特定的距離內(nèi)，影像模糊的程度是肉眼無法察覺的，這段距離就是景深。在景深之內(nèi)的影像比較清楚，在這個范圍之前或是之后的影像則比較模糊。36/8二決定景深的因素景深通常由物距、鏡頭焦距，以及鏡頭的光圈值所決定。固定光圈值時，增加放大率，不論是更靠近拍攝物或是使用更長焦距的鏡頭，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，增加光圈值則會增加景深；減小光圈值則會減少景深。f/32，小光圈，景深深f/8，大光圈，景深淺37/8二調(diào)節(jié)光圈和景深在此圖中，調(diào)節(jié)光圈的光圈環(huán)下面有光圈值，對焦環(huán)上有對應(yīng)的景深刻度，光圈值的顏色對應(yīng)對焦環(huán)上的景深刻度顏色。例如把光圈調(diào)為黃色的11，對應(yīng)的景深就是上方黃色刻線指示的數(shù)值位置，用米和英尺兩種單位表示。在工業(yè)生產(chǎn)中，需要根據(jù)檢測需求設(shè)定不同的光圈和景深。38/8THANKS!華航科技致真唯實39/8圖像采集卡圖像采集卡早期的工業(yè)攝像機多數(shù)使用CCD的線陣TTL工藝傳感器，這種傳感器成像后輸出的是模擬信號，想要傳輸?shù)接嬎銠C進行處理和存儲，就需要通過圖像采集卡進行A/D轉(zhuǎn)換，再通過計算機總線實時傳送到內(nèi)存和顯存。現(xiàn)今使用的CCD相機能夠直接采集到數(shù)字圖像，這時圖像采集卡的作用就僅是將數(shù)字信號通過計算機總線傳輸?shù)接嬎銠C內(nèi)存或顯存，方便計算機對現(xiàn)場采集的圖像進行實時處理和存儲。圖像采集卡實際上是一塊板卡，可以鏈接在PC的PCI擴展槽上（就是顯卡旁邊的插槽），其主要功能就是圖像數(shù)字化處理與傳輸。41/3圖像采集卡不同型號圖像卡的區(qū)別主要表現(xiàn)在輸入信號、圖像質(zhì)量、總線形式、處理功能等方面。在選擇圖像采集卡時，首先需要考慮的就是上文中提到的相機的輸出信號（模擬信號還是數(shù)字信號），據(jù)此來選擇不同的圖像采集卡。圖像質(zhì)量由于不同板卡使用的芯片及設(shè)計的不同有較大差異。同時，不同用途的圖像卡圖像質(zhì)量及價格也有很大的差別。目前使用較多的總線有PCI、PC/104-Plus、PCI-E、MiniPCI及筆記本所用的PCMCIA總線。