智能制造裝備設計與故障診斷課件第5章-機器視覺與傳感器技術

智能制造裝備設計與故障診斷第五章

機器視覺與傳感器技術CONTENTS章節(jié)目錄5.2傳感器的分類5.3機器視覺智能傳感器技術5.1傳感器是設備感受外界環(huán)境的重要硬件，決定了裝備與外界環(huán)境感知交互的能力，是設備智能化的硬件基礎，尤其在很多智能設備中，傳感器決定著設備的核心能力。一個典型的傳感器由敏感元件、轉換元件和調理電路組成。5.1One智能傳感技術傳感器是一種常見的卻又很重要的器件，它是感受規(guī)定的被測量的各種量并按一定規(guī)律將其轉換為有用信號的器件或裝置，是實現智能制造的關鍵基礎。傳感器的發(fā)展方向是多功能、可視圖像的、智能的。傳感器測量作為數據獲得的重要手段，是工業(yè)生產乃至家庭生活所必不可少的器件。常見的傳感器有物理傳感器、光纖傳感器、紅外傳感器、仿生傳感器等。（1）物理傳感器物理傳感器是檢測物理量的傳感器。它是利用某些物理效應，把被測量的物理量轉化成為便于處理的能量形式的信號的裝置。其輸出的信號和輸入的信號有確定的關系。主要的物理傳感器有光電式傳感器、壓電傳感器、壓阻式傳感器、電磁式傳感器、熱電式傳感器、光導纖維傳感器等。物理傳感器的應用范圍是非常廣泛的。比如血壓測量是醫(yī)學測量中的最為常規(guī)的一種，測量血壓所需要的傳感器通常都包括一個彈性膜片，它將壓力信號轉變成為膜片的變形，然后再根據膜片的應變或位移轉換成為相應的電信號。在電信號的峰值處我們可以檢測出來收縮壓，在通過反相器和峰值檢測器后，種傳感器外形我們可以得到舒張壓，通過積分器就可以得到平均壓。（2）光纖傳感器光纖具有很多優(yōu)異的性能，例如：抗電磁干擾和原子輻射的性能，徑細、質軟、重量輕的機械性能，絕緣、無感應的電氣性能，耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學性能等，它能夠在人達不到的地方（如高溫區(qū)），或者對人有害的地區(qū)（如核輻射區(qū)），起到人的耳目的作用，而且還能超越人的感官界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。光纖傳感器是最近幾年出現的新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。目前光纖傳感器已經有70多種，大致上分成光纖自身傳感器和利用光纖的傳感器。所謂光纖自身的傳感器，就是光纖自身直接接收外界的被測量。外接的被測量物理量能夠引起測量臂的長度、折射率、直徑的變化，從而使得光纖內傳輸的光在振幅、相位、頻率、偏振等方面發(fā)生變化。測量臂傳輸的光與參考臂的參考光互相干涉，使輸出的光的相位（或振幅）發(fā)生變化，根據這個變化就可檢測出被測量的變化。光纖聲傳感器就是一種利用光纖自身的傳感器，聲音是一種機械波，它對光纖的作用就是使光纖受力并產生彎曲，通過彎曲就能夠得到聲音的強弱。（3）紅外傳感器紅外技術發(fā)展到現在，已經為大家所熟知，這種技術已經在現代科技、國防和工農業(yè)等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統是用紅外線為介質的測量系統，按照功能能夠分成五類：1）輻射計，用于輻射和光譜測量。2）搜索和跟蹤系統，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤。3）熱成像系統，可產生整個目標紅外輻射的分布圖象。4）紅外測距和通信系統。5）混合系統，是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合。紅外系統的核心是紅外探測器，按照探測的機理不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。下面以熱探測器為例子來分析探測器的原理。熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當的變換后測量相應的電量變化。（4）電磁傳感器磁傳感器是最古老的傳感器，指南針是磁傳感器的最早的一種應用。但是作為現代的傳感器，為了便于信號處理，需要磁傳感器能將磁信號轉化成為電信號輸出。應用最早的是根據電磁感應原理制造的磁電式的傳感器。這種磁電式傳感器曾在工業(yè)控制領域作出了杰出的貢獻，但是到今天已經被以高性能磁敏感材料為主的新型磁傳感器所替代。當今所用的電磁效應的傳感器中，磁旋轉傳感器是重要的一種。磁旋轉傳感器主要由半導體磁阻元件、永久磁鐵、固定器、外殼等幾個部分組成。典型結構是將一對磁阻元件安裝在一個永磁體的刺激上，元件的輸入輸出端子接到固定器上，然后安裝在金屬盒中，再用工程塑料密封，形成密閉結構，這個結構就具有良好的可靠性。磁旋轉傳感器在家用電器中也有大的應用潛力。在盒式錄音機的換向機構中，可用磁阻元件來檢測磁帶的終點。家用錄像機中大多數有變速與高速重放功能，這也可用磁旋轉傳感器檢測主軸速度并進行控制，獲得高畫面的質量。（5）磁光效應傳感器現代電測技術日趨成熟，由于具有精度高、便于微機相連實現自動實時處理等優(yōu)點，已經廣泛應用在電氣量和非電氣量的測量中。然而電測法容易受到干擾，在交流測量時，頻響不夠寬及對耐壓、絕緣方面有一定要求，在激光技術迅速發(fā)展的今天，已經能夠解決上述的問題。磁光效應傳感器就是利用激光技術發(fā)展而成的高性能傳感器，它的原理主要是利用光的偏振狀態(tài)來實現傳感器的功能。當一束偏振光通過介質時，若在光束傳播方向存在著一個外磁場，那么光通過偏振面將旋轉一個角度，這就是磁光效應。也就是可以通過旋轉的角度來測量外加的磁場。在特定的試驗裝置下，偏轉的角度和輸出的光強成正比，通過輸出光照射激光二極管LD，就可以獲得數字化的光強，用來測量特定的物理量。磁光效應的傳感器具有優(yōu)良的電絕緣性能和抗干擾、頻響寬、響應快、安全防爆等特性，因此對一些特殊場合電磁參數的測量，有獨特的功效，尤其在電力系統中高壓大電流的測量方面、更顯示它潛在的優(yōu)勢。同時通過開發(fā)處理系統的軟件和硬件，也可以實現電焊機和機器人控制系統的自動實時測量。在磁光效應傳感器的使用中，最重要的是選擇磁光介質和激光器，不同的器件在靈敏度、工作范圍方面都有不同的能力。（6）壓力傳感器壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，而我們通常使用的壓力傳感器主要是利用壓電效應制造而成的，這樣的傳感器也稱為壓電傳感器。我們知道，晶體是各向異性的，非晶體是各向同性的。某些晶體介質，當沿著一定方向受到機械力作用發(fā)生變形時，就產生了極化效應；當機械力撤掉之后，又會重新回到不帶電的狀態(tài)，也就是受到壓力的時候，某些晶體可能產生出電的效應，這就是所謂的極化效應，因此根據這個效應研制出了壓力傳感器。壓電傳感器中主要使用的壓電材料包括有石英、酒石酸鉀鈉和磷酸二氫胺。其中石英（二氧化硅）是一種天然晶體，壓電效應就是在這種晶體中發(fā)現的，在一定的溫度范圍之內，壓電性質一直存在，但溫度超過這個范圍之后，壓電性質完全消失（這個高溫就是所謂的“居里點”）。由于隨著應力的變化電場變化微?。ㄒ簿驼f壓電系數比較低），所以石英逐漸被其他的壓電晶體所替代。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當高的濕度，所以已經得到了廣泛的應用。壓電傳感器主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。壓電式加速度傳感器是一種常用的加速度計。它具有結構簡單、體積小、重量輕、使用壽命長等優(yōu)異的特點。壓電式加速度傳感器在飛機、汽車、船舶、橋梁和建筑的振動和沖擊測量中已經得到了廣泛的應用，特別壓電傳感器的外形是航空和宇航領域中更有它的特殊地位。壓電式傳感器也可以用來測量發(fā)動機內部燃燒壓力的測量與真空度的測量。（7）仿生傳感器仿生傳感器是一種采用新的檢測原理的新型傳感器，它采用固定化的細胞、酶或者其他生物活性物質與換能器相配合組成傳感器。這種傳感器是近年來生物醫(yī)學和電子學、工程學相互滲透而發(fā)展起來的一種新型的信息技術。在仿生傳感器中，比較常用的是生體模擬的傳感器。仿生傳感器按照使用的介質可以分為：酶傳感器、微生物傳感器、細胞器傳感器、組織傳感器等。仿生傳感器和生物學理論的方方面面都有密切的聯系，是生物學理論發(fā)展的直接成果。在生體模擬的傳感器中，尿素傳感器是最近開發(fā)出來的一種傳感器。它主要是由生體膜及其離子通道兩部分構成。生體膜能夠感受外部刺激影響，離子通道能夠接收生體膜的信息，并進行放大和傳送。當膜內的感受部位受到外部刺激物質的影響時，膜的透過性將產生變化，使大量的離子流入細胞內，形成信息的傳送。其中起重要作用的是生體膜的組成成分膜蛋白質，它能產生保形網絡變化，使膜的透過性發(fā)生變化，進行信息的傳送及放大。目前，雖然已經發(fā)展成功了許多仿生傳感器，但仿生傳感器的穩(wěn)定性、再現性和可批量生產性明顯不足，所以仿生傳感技術尚處于幼年期，因此，以后除繼續(xù)開發(fā)出新系列的仿生傳感器和完善現有的系列之外，生物活性膜的固定化技術和仿生傳感器的固態(tài)化值得進一步研究。在不久的將來，模擬生體功能的嗅覺、味覺、聽覺、觸覺仿生傳感器將出現，有可能超過人類五官的敏感能力，完善目前機器人的視覺、味覺、觸覺和對目標物進行操作的能力。5.2TWO傳感器的分類智能制造設備中常用傳感器常常根據檢測對象的不同分為內部傳感器和外部傳感器。內部傳感器主要用來檢測設備本身狀態(tài)，多為檢測位置和角度的傳感器。外部傳感器主要用來檢測設備所處環(huán)境及工作狀況的傳感器。具體有物體識別傳感器、物體探傷傳感器、接近覺傳感器、距離傳感器、力覺傳感器，聽覺傳感器等。5.2.1內部傳感器智能裝備能夠準確的工作取決于對自身狀態(tài)、操作對象及作業(yè)環(huán)境的準確認識，這些認識都依靠傳感器來完成。智能裝備自身狀態(tài)信息如位置、位移量、速度、角速度、加速度、姿態(tài)、方向、傾角等，是通過內部信息傳感器來完成，通過內部傳感器獲取信息并提供反饋信息，實現智能裝備的自身運動控制和自我保護。（1）速度、加速度傳感器速度傳感器有測量平移和旋轉運動速度兩種，但大多數情況下，只限于測量旋轉速度。常用光電脈沖式轉速傳感器與測速發(fā)電機測量速度，應變儀與伺服加速度傳感器測量加速度。5.2.1內部傳感器智能裝備能夠準確的工作取決于對自身狀態(tài)、操作對象及作業(yè)環(huán)境的準確認識，這些認識都依靠傳感器來完成。智能裝備自身狀態(tài)信息如位置、位移量、速度、角速度、加速度、姿態(tài)、方向、傾角等，是通過內部信息傳感器來完成，通過內部傳感器獲取信息并提供反饋信息，實現智能裝備的自身運動控制和自我保護。（1）速度、加速度傳感器速度傳感器有測量平移和旋轉運動速度兩種，但大多數情況下，只限于測量旋轉速度。常用光電脈沖式轉速傳感器與測速發(fā)電機測量速度，應變儀與伺服加速度傳感器測量加速度。5.2.1內部傳感器（2）位置傳感器常用的位置傳感器有直線位移傳感器與角位移傳感器。直線位移傳感器常用電位器式位移傳感器。電位器式位移傳感器由一個線繞電阻(或薄膜電阻)和一個滑動觸點組成。其中滑動觸點通過機械裝置受被檢測量的控制。當被檢測的位置量發(fā)生變化時，滑動觸點也發(fā)生位移，從而改變了滑動觸點與電位器各端之間的電阻值和輸出電壓值，根據這種輸出電壓值的變化，可以檢測出各零部件的位置和位移量。角位移傳感器常用導電塑料角度傳感器、磁敏霍爾原理角度傳感器及光電編碼器三種。5.2.2外部傳感器外部傳感器是智能裝備感知作業(yè)環(huán)境、辨識操作對象的關鍵設備。前面所講的視覺就屬于外部傳感器。常見的外部傳感器有觸覺傳感器、接近覺傳感器等。1.觸覺傳感器觸覺傳感器實際是人的觸覺的某些模仿。它是有關智能裝備和對象物之間直接接觸的感覺。包含的內容較多，通常指以下幾種：（1）接觸覺傳感器裝于智能裝備的運動部件或執(zhí)行器上，用以判斷是否和對象物發(fā)生了接觸。接觸覺是通過與對象物體彼此接觸而產生的，所以最好使用表面高密度分布觸覺傳感器陣列。5.2.2外部傳感器1.觸覺傳感器（2）壓覺壓覺傳感器用來檢測和智能裝備接觸的對象物之間的壓力值，主要有以下幾種方式：1）利用某些材料的內阻隨壓力變化而變化的壓阻效應制成的壓阻元件，將它們密集配置成陣列，即可檢測壓力的分布。2）利用壓電效應器件如壓電晶體等。它的優(yōu)點是耐腐蝕、頻帶寬和靈敏度高等；缺點是無直流響應，不能直接檢測靜態(tài)信號。3）利用半導體力敏器件與信號電路構成的集成壓敏傳感器。常用的三種：壓電型（ZnO/Si-IC），電阻型SIR(硅集成)和電容型SIC。其優(yōu)點是體積小、成本低、便于同計算機接口；缺點是耐壓負載差、不柔軟。4）利用壓磁傳感器、掃描電路與針式差動變壓器式傳感器構成的壓覺傳感器，有較強的過載能力，但體積較大。5.2.2外部傳感器1.觸覺傳感器（3）力覺力覺是指對智能裝備的軸系、桿件等運動中所受力的感知。根據被測對象的負載，可以把力傳感器分為測力傳感器、力矩傳感器。（4）滑覺可以檢測垂直于握持方向物體的位移、旋轉、由重力引起的變形，以達到修正受力值、防止滑動、進行多層次作業(yè)及測量物體重量和表面特性等的目的。若沒有觸覺，就不能完好平穩(wěn)地抓住操作對象，也不能握住工具。因此觸覺傳感器常常應用在檢測、識別等領域。5.2.2外部傳感器2.接近覺傳感器接近覺傳感器就是智能裝備接近對象物體的距離約為一定數值時，就可檢測出到對象物體表面的距離、斜度和表面狀態(tài)的傳感器。接近覺一般用非接觸式測量元件，如霍爾效應傳感器、電磁式接近開關、光學接近傳感器和超聲波式。（1）光電式接近覺傳感器的應答性好，維修方便，尤其是測量精度很高。是目前應用最多的一種接近覺傳感器，但其信號處理較復雜，使用環(huán)境也受到一定限制。（2）超聲波式傳感器的原理是測量渡越時間，超聲波是頻率20kHz以上的機械振動波，渡越時間與超聲波在介質中的傳播速度的乘積的一半即是傳感器與目標物之間的距離，渡越時間的測量方法有脈沖回波法、相位差法和頻差法。5.2.2外部傳感器2.接近覺傳感器（3）激光測距法也可以利用回波法，或者利用激光測距儀。氦氖激光器固定在基線上，在基線的一端由反射鏡將激光點射向被測物體，反射鏡固定在電動機軸上，電動機連續(xù)旋轉，使激光點穩(wěn)定地對被測目標掃描。由CCD(電荷耦合器件)攝像機接受反射光，采用圖像處理的方法檢測出激光點圖像，并根據位置坐標及攝像機光學特點計算出激光反射角。5.2.2外部傳感器3.其他外部傳感器聽覺：具有接近人耳的功能還相差很遠。嗅覺：主要檢測空氣中的化學成分、濃度、等功能，主要采用氣體傳感器及射線傳感器等。味覺：對液體進行化學成分的分析。衫的味覺方法有pH計、化學分析器等。其他傳感器：如純工程學的傳感器，象磁傳感器、安全用傳感器和電波傳感器等。5.3Three機器視覺放大后的平面例看看有啥？竟然有灰塵~還長這樣兒人類完成一系列活動離不開眼睛的輔助，機器視覺能夠利用機器代替人眼來輔助機器人完成各類環(huán)境判斷與檢測。機器視覺作為視覺傳感系統是將被攝取環(huán)境目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，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。典型的機器視覺系統可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。機器視覺系統的優(yōu)點有：（1）可靠性好。非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產生任何損傷，從而提高系統的可靠性。（2）精度高。由于人眼有物理條件的限制，在精確性上機器明顯的優(yōu)于人工視覺檢查精度。同時，機器視覺系統能夠同時完成一千個或者更多的零部件的空間測量。（3）靈活性強。具有較寬的光譜響應范圍，擴展了視覺范圍，能夠適應各種不同的測量。對于機器視覺來說“工具更換”僅僅是軟件的變換而不是更換昂貴的硬件。（4）效率高。機器視覺系統可以快速獲取大量信息，實現更為快速的產品檢測，同時也易于加工過程中的信息集成，尤其是在大批量工業(yè)生產過程中，用機器視覺檢測方法可以大大提高生產效率和生產的自動化程度。機器視覺就是機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過圖像攝取裝置，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，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據識別的結果來控制現場的設備動作。5.3.1視覺系統硬件鏡頭是機器視覺系統中的重要組成部件，是連接被測物體與相機之間的紐帶，它的基本功能就是實現光束變換，在機器視覺系統中將目標成像在圖像傳感器的光敏面上，鏡頭的質量直接影響到機器視覺系統的整體性能，合理地選擇和安裝鏡頭，是機器視覺系統設計的重要環(huán)節(jié)。鏡頭的分類：（1）按功能：分為定焦鏡頭、變焦鏡頭、定光圈鏡頭。（2）按視角：分為普通鏡頭、廣角鏡頭、遠攝鏡頭。（2）按用途：分為微距鏡頭、遠心鏡頭、CCTV鏡頭。鏡頭的基本參數：（1）視場（FOV，也稱視野范圍）：指觀測物體的可視范圍，即充滿相機采集芯片的物體部分。（2）工作距離（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。（3）分辨率（resolution）：圖像系統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。（4）景深（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。5.3.1視覺系統硬件5.3.1視覺系統硬件鏡頭前景深：后景深：景深：Δ：容許彌散圓直徑；f：鏡頭焦距；F：鏡頭的拍攝光圈值；L：拍攝距離；ΔL1：前景深；ΔL2：后景深；ΔL：景深鏡頭從景深公式可以看出，后景深大于前景深，且景深與鏡頭使用的光圈、鏡頭焦距和拍攝距離等存在如下關系：鏡頭光圈：光圈越大，景深越??；光圈越小，景深越大；鏡頭焦距：鏡頭焦距越長，景深越??；焦距越短，景深越大；拍攝距離：距離越遠，景深越大；距離越近，景深越小。鏡頭的其它參數：（1）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野范圍（FOV）非常重要。鏡頭光學放大倍數（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，但PMAG卻不屬于基本參數。（2）焦距（f）：是光學系統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。也是相機中從鏡頭中心到底片或CCD等成像平面的距離。5.3.1視覺系統硬件鏡頭的其它參數：（3）鏡頭接口：C型：C型接口鏡頭與攝像機接觸面至鏡頭焦平面（攝像機CCD光電感應器應處的位置）的距離為17.5mm；CS型：CS型接口此距離為12.5mm。C型鏡頭與CS型相機之間增加一個5mm的C/CS接圈可以配合使用。CS鏡頭與C型鏡頭無法配合使用；F型：通用型接口，一般適用于大于25mm的鏡頭。5.3.1視覺系統硬件鏡頭的其它參數：（4）畸變：視野中局部放大倍數不一定造成的圖像扭曲，由于受制作工藝的影響，鏡頭越好畸變越小。廣角鏡頭的畸變比較大，比如直線彎曲、矩形變成桶形或者枕形。因此在精密測量系統等精度要求高的情況下必須考慮鏡頭的畸變。正常

桶形失真

枕形失真5.3.1視覺系統硬件鏡頭的其它參數：（5）擴展鏡或延伸管：很多鏡頭為了適應更多的應用環(huán)境，常常在鏡頭中預留位置或在鏡頭兩端預留螺紋，以方便擴展鏡頭用。擴展鏡是個廣義的概念，可以指增倍鏡、濾光鏡、偏振鏡、轉軸鏡或差分鏡，也可以是與延伸管功能類似的微距鏡，還可以是用以實現同軸照明的半透半反鏡。5.3.1視覺系統硬件鏡頭的選?。簩τ谝粋€光學鏡頭的性能評估通常用分辨率

、對比度、像差、MTF（modulation

transfer

function）、色彩平衡性、周邊光量、漸暈、光斑、鍍膜等參數進行衡量。一般先考慮對鏡頭的特殊需求，例如在鏡頭與工件之前有沒有加入其他器件（透鏡、反光鏡片、玻璃）、鏡頭的工作環(huán)境等。是否需要用遠心鏡頭。精密測量系統需要選用遠心鏡頭，遠心鏡頭最主要的功能就是可以克服透視相差（成像時由于距離的不同而導致的放大倍數不一致現象）的影響，使得檢測目標在一定范圍內運動時得到的尺寸數據幾乎不變。一般情況下，遠心鏡頭都是固定焦距和工作距離的，而且有些遠心鏡頭的體積很大，有的重量超過十斤，需要詳細了解客戶對視場大小、工作距離、空間限制和運動控制的要求，之后聯系鏡頭供應商或者專業(yè)的技術人員確定型號。一般的表面缺陷、有無判斷等對物體成像沒有嚴格要求時，選用畸變小的鏡頭，就可以滿足要求。5.3.1視覺系統硬件鏡頭的選?。虹R頭的接口。鏡頭接口和相機接口都分為C、CS、F和其他更大尺寸的接口類型。相機和鏡頭是互補的，即C接口的相機只能用C接口的鏡頭，CS接口的相機可以使用CS接口的鏡頭或者C接口加上5mm接圈，其他接口的只能一一對應，如果相機的芯片尺寸超過1英尺，盡量選用F或者更大的接口，避免圖像周圍成像質量差。此外與視覺應用比較相關的還有工作距離、景深、畸變、均一充分的亮度、耐振蕩沖擊性和鏡頭本身的尺寸規(guī)格。5.3.1視覺系統硬件鏡頭小結及擴展：★小的光圈、短的焦距、以及大的工作距離將會導致大的景深，因而可以將光圈調到最大時調焦，這樣容易找到最佳對焦位置?！锶绻庹兆銐颍梢詼p小光圈，即增加F數來增加景深。定光圈工業(yè)鏡頭和針孔攝像機鏡頭由于無法設置調焦機構，其F數都設計得比較大。★鏡頭的規(guī)格必須等于或大于CCD芯片的規(guī)格。★盡量小像差的測量鏡頭，不用小焦距的鏡頭（焦距小于8mm）用于測量，由于它會產生不可接受的失真，會增大軟件補償的困難?！锸д媸晴R頭邊緣的很大問題，因此在測量應用中，鏡頭規(guī)格一定要大于CCD芯片的規(guī)格?！飻U展管和微距鏡頭可以減小鏡頭物距。對于變倍鏡頭，應避免使用擴展管?！镞h心鏡頭可以避免投影失真（即視角失真）的問題，它的直徑必須比被測物體大。★有些鏡頭之所以被稱為百萬像素鏡頭是因為這些鏡頭本身的分辨能力大于百萬像素CCD或CMOS的物理分辨率。★對于工業(yè)應用，不能夠減少對機械穩(wěn)定性的成本。最好當鏡頭的焦距、光圈、放大倍數都設置好后將它們固定或者一開始就選擇定光圈的定倍鏡頭?！顲接口的3CCD芯片相機與通常一個CCD芯片的相機的光學特性和機械特性都有很大不同。由于這個原因，對廠商提供的兼容的鏡頭要特別注意。光源在視覺系統中的主要用途就是獲得對比鮮明的圖像。機器視覺系統中最關鍵的一個方面就是選擇正確的照明，機器視覺光源直接影響到圖像的質量，進而影響到系統的性能。選擇合適的光源，可突顯良好的圖像效果（特征點），可以簡化算法，提高檢測精度、保證檢測系統的穩(wěn)定性。光源的分類：（1）環(huán)形光源：能夠提供不同的照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維信息；高密度LED陣列，高亮度；多種緊湊設計，節(jié)省安裝空間；解決對角照射陰影問題；可選配漫射板導光，光線均勻擴散。應用領域：PCB基板檢測，IC元件檢測，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測，集成電路印字檢查。5.3.1視覺系統硬件光源的分類：（2）背光源：用高密度LED陣列面提供高強度背光照明，能突出物體的外形輪廓特征，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。紅白兩用背光源、紅藍多用背光源，能調配出不同顏色，滿足不同被測物多色要求。應用領域：機械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片污點檢測，透明物體劃痕檢測等。5.3.1視覺系統硬件光源的分類：（3）條形光源：條形光源是較大方形結構被測物的首選光源；顏色可根據需求搭配，自由組合；照射角度與安裝方式隨意可調。應用領域：金屬表面檢查，圖像掃描，表面裂縫檢測，LCD面板檢測等。5.3.1視覺系統硬件光源的分類：（4）同軸光源：同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾；部分采用分光鏡設計，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應用領域：系列光源最適宜用于反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，芯片和硅晶片的破損檢測，Mark點定位，包裝條碼識別。5.3.1視覺系統硬件光源的分類：（5）組合條形光源：四邊配置條形光，每邊照明獨立可控；可根據被測物要求調整所需照明角度，適用性廣。應用領域：CB基板檢測，IC元件檢測，焊錫檢查，Mark點定位，顯微鏡照明，包裝條碼照明，球形物體照明等。（6）線性光源：超高亮度，采用柱面透鏡聚光，適用于各種流水線連續(xù)檢測場合。（7）點光源：大功率LED，體積小，發(fā)光強度高；光纖鹵素燈的替代品，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等；高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應用領域：適合遠心鏡頭使用，用于芯片檢測，Mark點定位，晶片及液晶玻璃底基校正。5.3.1視覺系統硬件光源的選型：光源選型的主要依據為：了解被檢測產品的特征點面積大小，選擇合適尺寸的光源；了解被檢測產品特性，選擇不同類型的光源；了解被檢測產品的材質，選擇不同顏色的光源；了解光源安裝空間及其他可能會產生障礙的情況，選擇合適的光源。以下舉例說明幾種常見光源的選型要領：（1）條光選型要領：條光照射寬度最好大于檢測的距離，否則可能會照射距離遠造成亮度差，或者是距離近而幅射面積不夠。條光長度能夠照明所需打亮的位置即可，無須太長造成安裝不便，同時也增加成本，一般情況下，光源的安裝高度會影響到所選用條光的長度，高度越高，光源長度要求越長，否則圖像兩側亮度會比中間暗。如果照明目標是高反光物體，最好加上漫射板，如果是黑色等暗色不反光產品，也可以拆掉漫射板以提高亮度。5.3.1視覺系統硬件光源的選型：（2）環(huán)光選型要領：了解光源安裝距離，過濾掉某些角度光源。例如要求光源安裝尺寸高，就可以過濾掉大角度光源，選擇用小角度光源；同樣，安裝高度越高，要求光源的直徑越大；目標面積小，且主要特性在表面中間，可選擇小尺寸0角度或小角度光源。目標需要表現的特征如果在邊緣，可選擇90度角環(huán)光，或大尺寸高角度環(huán)形光。檢測表面劃傷，可選擇90度角環(huán)光，盡量選擇波長短的光源。5.3.1視覺系統硬件光源的選型：（3）背光源選型要領：1）選擇背光源時，根據物體的大小選擇合適尺寸的背光源，以免增加成本造成浪費；2）背光源四周一條由于外殼遮擋，其亮度會低于中間部位，因此，選擇背光源時，盡量不要使目標位于背光源邊緣；3）背光源一般在檢測輪廓時，可以盡量使用波長短的光源，波長短的光源其衍射性弱，圖像邊緣不容易產生重影，對比度更高；4）背光源與目標之間的距離可以通過調整來達到最佳的效果，并非離得越近效果越好，也非越遠越好；5）檢測液位可以將背光源側立使用；6）圓軸類的產品，螺旋狀的產品盡量使用平行背光源。5.3.1視覺系統硬件光源的選型：（4）同軸光源選型要領：選擇同軸光時主要看其發(fā)光面積，根據目標的大小來選擇合適發(fā)光面積的同軸光；同軸光的發(fā)光面積最好比目標尺寸大1.5~2倍左右，因為同軸光的光路設計是讓光路通過一片45度半反半透鏡改變，光源靠近燈板的地方會比遠離燈板的亮度高，因此，盡量選擇大一點的發(fā)光面避免光線左右不均勻。同軸光在安裝時盡量不要離目標太高，越高則需要選用越大的同軸光，才能保證均勻性。5.3.1視覺系統硬件相機：視覺行業(yè)所用的相機為工業(yè)相機，相比于傳統的的民用相機而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，目前市面上工業(yè)相機大多是基于CCD（ChargeCoupledDevice）或CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）芯片的相機。（1）CCD相機：CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉換及電荷存儲、電荷轉移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉換成電荷包，而后在脈沖的作用下轉移、放大輸出圖像信號。優(yōu)點：典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅動器、模擬/數字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優(yōu)點。5.3.1視覺系統硬件（2）CMOS相機：CMOS相機的開發(fā)最早出現在20世紀70年代，90年代初期，隨著超大規(guī)模集成電路制造工藝技術的發(fā)展，CMOS相機得到迅速發(fā)展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上。優(yōu)點：CMOS相機具有局部像素的編程隨機訪問的優(yōu)點，目前，CMOS相機以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛應用。5.3.1視覺系統硬件相機基本參數：分辨率：相機每次采集圖像的像素點（Pixels），對于數字相機一般是直接與光電傳感器的像元數對應的，對于模擬相機則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480；像素深度：即每個像素數據的位數，一般常用的是8Bit，對于數字工業(yè)相機一般還有10Bit、12Bit等；像元尺寸（PixelSize）：像元大小和像元數（分辨率）共同決定了相機機靶面的大??；幀率：相機采集傳輸圖像的速率，對于面陣相機一般為每秒采集的幀數（Frames/Sec）對于線陣相機為每秒采集的行數（Hz）。5.3.1視覺系統硬件工業(yè)相機與普通相機的區(qū)別：（1）工業(yè)相機性能可靠、易于安裝，相機結構緊湊結實不易損壞，連續(xù)工作時間長，可以在較差的環(huán)境下使用，而普通相機則不行，如普通相機不能連續(xù)工作一天或幾天。（2）工業(yè)相機的快門(曝光)時間非常短，可以抓拍高速運動的物體。（3）工業(yè)相機幀率遠高于普通相機。（4）工業(yè)相機輸出的是裸數據，光譜范圍較寬，比較適合進行高質量的圖像處理算法，例如機器視覺應用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，圖像質量較差，不利于進行分析處理；（5）工業(yè)相機相對于普通相機來說價格較貴。5.3.1視覺系統硬件相機選取方法：（1）根據應用的不同選用CCD或CMOS相機。CCD相機主要應用在運動物體的圖像攝取，如貼片機機器視覺，當然隨著CMOS技術的發(fā)展，許多貼片機也在選用CMOS工業(yè)相機。用在視覺自動檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD相機比較多，CMOS相機成本低，功耗低也應用越來越廣泛。（2）分辨率的選擇。首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據精度選擇分辨率。相機像素精度=單方向視野范圍大小/相機單方向分辨率。則相機單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。然而為增加系統穩(wěn)定性，不會只用一個像素單位對應一個測量/觀察精度值，一般可以選擇倍數4或更高。其次看相機的輸出，若是體式觀察或機器視覺軟件分析識別，分辨率高是有幫助的；若是VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴于顯示器的分辨率，相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；同時，相機的分辨率高對利用存儲卡或拍照功能也是有利的。5.3.1視覺系統硬件相機選取方法：（1）根據應用的不同選用CCD或CMOS相機。CCD相機主要應用在運動物體的圖像攝取，如貼片機機器視覺，當然隨著CMOS技術的發(fā)展，許多貼片機也在選用CMOS工業(yè)相機。用在視覺自動檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD相機比較多，CMOS相機成本低，功耗低也應用越來越廣泛。（2）分辨率的選擇。首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據精度選擇分辨率。相機像素精度=單方向視野范圍大小/相機單方向分辨率。則相機單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。然而為增加系統穩(wěn)定性，不會只用一個像素單位對應一個測量/觀察精度值，一般可以選擇倍數4或更高。其次看相機的輸出，若是體式觀察或機器視覺軟件分析識別，分辨率高是有幫助的；若是VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴于顯示器的分辨率，相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；同時，相機的分辨率高對利用存儲卡或拍照功能也是有利的。5.3.1視覺系統硬件相機選取方法：（3）考慮與鏡頭的匹配。傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉接口）。（4）相機幀數選擇。當被測物體有運動要求時，要選擇幀數高的工業(yè)相機。但一般來說分辨率越高，幀數越低。5.3.1視覺系統硬件相機知識擴展：智能相機(SmartCamera)，也稱嵌入式機器視覺系統或視覺傳感器，它并不是一臺單純的相機，而是一種高度集成化的微小型機器視覺系統，能勝任PC式視覺系統同樣的檢測任務。它將圖像的采集、處理與通信功能融為一體、可直接輸出影像處理結果，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現的機器視覺解決方案。同時，由于應用了DSP、FPGA、CPLD及大容量存儲技術，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機器視覺的應用需求。智能相機具有易學、易用、易維護、安裝方便等特點，可在短期內構建起可靠而有效的機器視覺系統。其技術優(yōu)勢主要表現在：(1)智能相機結構緊湊，尺寸小，易于安裝在生產線和各種設備上，且便于裝卸和移動；(2)智能相機實現了圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網絡通信裝置的高度集成，通過可靠性設計，可以獲得較高的效率及穩(wěn)定性；(3)由于智能相機已固化了成熟的機器視覺算法，使用戶無需編程，就可實現有/無判斷、表面/缺陷檢查、尺寸測量、OCR/OCV、條碼閱讀等功能，從而極大的提高了應用系統的開發(fā)速度。智能相機一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網絡通信裝置等構成，各部分的功能如下:(1)圖像采集單元——在智能相機中，圖像采集單元相當于普通意義上的CCD/CMOS相機和圖像采集卡。它將光學圖像轉換為模擬/數字圖像，并輸出至圖像處理單元。(2)圖像處理單元——圖像處理單元類似于圖像采集/處理卡。它可對圖像采集單元的圖像數據進行實時的存儲，并在圖像處理軟件的支持下進行圖像處理。(3)圖像處理軟件——圖像處理軟件主要在圖像處理單元硬件環(huán)境的支持下，完成圖像處理功能。如幾何邊緣的提取、Blob、灰度直方圖、OCV/OVR、簡單的定位和搜索等。在智能相機中，以上算法都封裝成固定的模塊，用戶可直接應用而無需編程。(4)網絡通信裝置——網絡通信裝置的智能相機的重要組成部分，主要完成控制信息、圖像數據的通信任務。智能相機一般均內置以太網通信裝置，并支持多種標準網絡和總線協議，從而使多臺智能相機構成更大的機器視覺系統。圖像采集卡是圖像采集部分和處理部分的接口。圖像經過采樣、量化以后轉換為數字圖像并輸入、存儲到幀存儲器的過程，叫做采集、數字化。簡單來講就是將圖像或視頻（模擬信號）轉換成計算機可以“理解”的數字格式（數字信號）。圖像采集卡一般還包含相機觸發(fā)功能、燈源控制功能、基本IO功能、相機復位功能、相機時序輸出功能等。圖像采集卡工作原理圖5.3.1視覺系統硬件圖像采集卡分類（1）按輸入信號類型可以分類為模擬圖像采集卡和數字圖像采集卡。（2）按功能可以區(qū)分為單純功能的圖像采集卡和集成圖像處理功能的采集卡。5.3.1視覺系統硬件基本技術參數（1）圖像傳輸格式圖像采集卡需要支持系統中攝像機所采用的輸出信號格式。大多數攝像機采用RS422或EIA644（LVDS）作為輸出信號格式。在數字相機中，IEEE1394，USB2.0和CameraLink幾種圖像傳輸形式則得到了廣泛應用。（2）圖像格式（像素格式）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。彩色圖像：彩色圖像可由RGB（YUV）3種色彩組合而成，根據其亮度級別的不同有8－8－8，10－10－10等格式。（3）傳輸通道數當攝像機以較高速率拍攝高分辨率圖像時，會產生很高的輸出速率，這一般需要多路信號同時輸出，圖像采集卡應能支持多路輸入。一般情況下，有1路，2路，4路，8路輸入等。5.3.1視覺系統硬件基本技術參數（4）分辨率支持采集卡能支持的最大點陣反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持768*576點陣，而性能優(yōu)異的采集卡其支持的最大點陣可達64K*64K。單行最大點數和單幀最大行數也可反映采集卡的分辨率性能。（5）采樣頻率采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進行高度圖像采集時，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。目前高檔的采集卡其采樣頻率可達65MHZ。（6）傳輸速率主流圖像采集卡與主板間都采用PCI接口，其理論傳輸速度為132MB/S。5.3.1視覺系統硬件圖像采集卡接口目前相機的接口形式包括模擬接口（PAL、NTSC、CCIR、RS170/EIA、非標準模擬制式），數字接口（CameraLink、ChannelLink、LVDS/RS422）和一些直聯式數字接口（IEEE1394、USB、以太網Ethernet）必須與視覺系統所選用相機一致，如選用數字制式還必須考慮相機的數字位數。（1）RS-422及RS-644（LVDS）接口RS-422及RS-644（LVDS）通常是68pin或100pin的高密度接口，但各相機廠家的引腳定義不盡相同而且采集卡引腳定義也不太一樣，因此在選定相機及采集卡后，需要更換其中的一者都必須先看看引腳的信號的定義，可能需要重做信號線或做一個信號轉換板。（2）ChannelLink接口ChannelLink是CameraLink的前身，能夠與其兼容，接口的引腳相比LVDS較少但仍然可以傳輸大量的數據，它也沒有統一的標準接頭形式。5.3.1視覺系統硬件圖像采集卡接口（3）CameraLink接口CameraLink標準則是由多家工業(yè)相機和采集卡大廠共同制定出來的，標準本身是基于ChannelLink的特性，并定義了標準的接口，讓相機與采集卡之間的信號傳輸更加簡單化了，同時定義了基本架構（BaseConfiguration），中級架構（MediumConfiguration），及完整架構（FullConfiguration）的信號引腳規(guī)范和傳輸資料量。（4）IEEE1394IEEE1394接口通常也被稱為FireWire或者iLink。因為可得到的帶寬被分配到需要它的全部設備，在節(jié)點上的最慢的設備將決定整個傳輸網絡的帶寬。IEEE1394a是目前已經實現的版本。它支持100、200和400Mbit/s的帶寬。而IEEE1394b是一個新興的標準但還沒被廣泛地支持，它提供一個800Mbit/s的帶寬，最多可達3.2Gbit/s。1394有兩種工作方式：異步（asynchronous）方式和同步（isochronous），異步方式的設計主要是保證信息傳遞的可靠性，并非保證高的傳輸速度，它在數據的發(fā)送和接收之間通過“握手”以保證被傳送的數據被收到；而同步方式則會保證帶寬，它必須犧牲握手過程而沒有保障數據被收到。5.3.1視覺系統硬件圖像采集卡接口（5）USB普通串口總線(USB)是一個主從系統用于點對點通訊，目的是作為一種通用標準來取代現有的各種串行或并行的計算機I/O協議。主控制器擔任主機，端點的其它外部設備隸屬于它，下位USB設備只能與主機(通常一臺計算機)聯系，但其它設備相互間不能通信。USB1.1只提供一個12Mbit/s的帶寬，因此，不太適合工業(yè)相機的圖像傳輸；有480Mbit/s的可提供帶寬的USB2.0則完全能達到工業(yè)相機的數據傳輸速度需求。USB也采用與1394同步方式類似的數據傳輸方式。USB的同步方式每125us發(fā)送一包數據。數據包長度確定設備分配到的帶寬。與1394一樣，不可能實現握手，因此也只是保證帶寬而沒有保證信息傳輸的完整。同步方式數據傳輸可以達到90%可得到的帶寬，即一部相機能請求并且被準許480Mbit/s中的90%（理論上，8位像素圖像傳輸率為54Mpixel/s）。但一些其它的總線開支通常降低可提供的帶寬到實際40Mpixel/s左右。5.3.1視覺系統硬件圖像采集卡接口（6）以太網Ethernet作為一個局域網絡協議，Ethernet接口使用總線形或者星形結構學并且支持數據傳送率達到1Gbit/s，但是，最通常使用的100baseT版本只能提供100Mbit/s的總線帶寬。Ethernet使用載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)存取方式。因為Ethernet允許任何設備給任何其它或全部設備隨時發(fā)送數據且無需協調，數據沖突的潛在可能就會隨著網絡使用設備和被傳送數據的數量增大。CSMA/CD每當數據傳輸沖突時指定再試，直到數據到達最后的目的地。即使有其它網絡設備，例如開關和路由器，當在一個網絡上有超過兩個設備時，沖突的潛在可能被大大降低，但也不能達到理論的帶寬(100Mbit/s)。100Mbits/s的理論帶寬的100baseT通常有效的數據傳輸速度為50Mbit/s，在考慮節(jié)點開銷和沖突之后，對8位的圖像數據只能達到6.25Mpixel/s，不適應多數機器視覺的應用。5.3.1視覺系統硬件圖像采集卡選用方法（1）視頻信號接口首先，要求相機與采集卡的視頻信號類型一致。其次，優(yōu)先選擇以太網或USB3.0接口，因為1394雖然有許多優(yōu)點，但因為支持的問題將逐步淘汰。同時還需考慮系統需要多少接口，以及PCI或PCIe插槽的數目和相機數。一般在未定型前，通常留有備用插槽和備用相機接口給系統提供可能的擴展需要。（2）數據采集能力要求采集卡的數據采樣頻率大于或等于相機信號數據輸出頻率。采集卡的數據率必須滿足的要求可按下式計算：模擬DataRate(Grabber)≥1.2×R*f數字DataRate(Grabber)≥DataRate(Camera)其中，DataRate(Grabber)為采集卡的數據率；DataRate(Camera)為相機的數據率；R為相機的分辨率；f為相機的幀頻。5.3.1視覺系統硬件圖像采集卡選用方法（1）視頻信號接口首先，要求相機與采集卡的視頻信號類型一致。其次，優(yōu)先選擇以太網或USB3.0接口，因為1394雖然有許多優(yōu)點，但因為支持的問題將逐步淘汰。同時還需考慮系統需要多少接口，以及PCI或PCIe插槽的數目和相機數。一般在未定型前，通常留有備用插槽和備用相機接口給系統提供可能的擴展需要。（2）數據采集能力要求采集卡的數據采樣頻率大于或等于相機信號數據輸出頻率。采集卡的數據率必須滿足的要求可按下式計算：模擬DataRate(Grabber)≥1.2×R*f數字DataRate(Grabber)≥DataRate(Camera)其中，DataRate(Grabber)為采集卡的數據率；DataRate(Camera)為相機的數據率；R為相機的分辨率；f為相機的幀頻。5.3.1視覺系統硬件圖像采集卡選用方法（3）軟件開發(fā)包（SDK）優(yōu)先選擇具有穩(wěn)定、簡單、易用、功能強大、移植性好的SDK。（4）技術支持能力（Support)選擇能夠快速完成系統的開發(fā)，便于系統維護的。（5）品牌及產品線(ProductLine)要求能夠保證采集卡的質量，便于產品升級換代。5.3.1視覺系統硬件5.3.2視覺系統軟件機器視覺軟件系統主要完成將攝取的圖像信號的像素分布和亮度、顏色等信息轉變成數字化信號的過程，因此也稱圖像處理系統。開源的OpenCV：OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary）是一個開源的基于BSD許可的庫，它包括數百種計算機視覺算法。OpenCV具有模塊化結構，即開發(fā)包里面包含多個共享庫或者靜態(tài)庫?？墒褂玫哪K如下：（1）核心功能（Corefunctionality）：一個緊湊的模塊，定義了基本的數據結構，包括密集的多維Mat數組和被其他模塊使用的基本功能。（2）圖像處理（Imageprocessing）：一個圖像處理模塊，它包括線性和非線性圖像濾波，幾何圖形轉化（重置大小，放射和透視變形，通用基本表格重置映射），色彩空間轉換，直方圖等。（3）影像分析（video）：一個影像分析模塊，它包括動作判斷，背景弱化和目標跟蹤算法。（4）3D校準（calib3d）：基于多視圖的幾何算法，平面和立體攝像機校準，對象姿勢判斷，立體匹配算法，和3D元素的重建。（5）平面特征（features2d）：突出的特征判斷，特征描述和對特征描述的對比。（6）對象偵查（objdetect）：目標和預定義類別實例化的偵查（例如：臉、眼睛、杯子、人、汽車等等）。（7）Highgui（high-levelgraphicaluserinterface）：一個可以移植的圖形工具包。OpenCV將與操作系統，文件系統，攝像機之類的硬件進行交互的一些函數納入HighGui庫中，可以方便的打開窗口，顯示圖像，讀出或者寫入圖像相關的文件（包含圖像與視屏），處理簡單的鼠標，光標和鍵盤事件。也可以使用HighGui創(chuàng)建其他一些很有用的控件，如滑動條，并把它加入窗口。（8）視頻輸入輸出（videoio）：一個容易使用的視頻采集和視頻解碼器。（9）GPU：來自不同OpenCV模塊的GPU加速算法。由于OpenCV開源便捷、使用方便、成本較低等優(yōu)點，非常適合科研使用。5.3.2視覺系統軟件HALCON是德國MVtec公司開發(fā)的一套完善的標準的機器視覺算法包，擁有應用廣泛的機器視覺集成開發(fā)環(huán)境。它節(jié)約了產品成本，縮短了軟件開發(fā)周期——HALCON靈活的架構便于機器視覺，醫(yī)學圖像和圖像分析應用的快速開發(fā)。在歐洲以及日本的工業(yè)界已經是公認具有最佳效能的MachineVision軟件。HALCON源自學術界，它有別于一般的商用軟件包。事實上，這是一套imageprocessinglibrary，由一千多個各自獨立的函數，以及底層的數據管理核心構成。其中包含了各類濾波，色彩以及幾何，數學轉換，型態(tài)學計算分析，校正，分類辨識，形狀搜尋等等基本的幾何以及影像計算功能，由于這些功能大多并非針對特定工作設計的，因此只要用得到圖像處理的地方，就可以用HALCON強大的計算分析能力來完成工作。應用范圍幾乎沒有限制，涵蓋醫(yī)學、遙感探測、監(jiān)控、以及工業(yè)上的各類自動化檢測。5.3.2視覺系統軟件HALCON支持Windows，Linux和MacOSX操作環(huán)境，它保證了投資的有效性。整個函數庫可以用C，C++，C#，Visualbasic和Delphi等多種普通編程語言訪問。HALCON為大量的圖像獲取設備提供接口，保證了硬件的獨立性。它為百余種工業(yè)相機和圖像采集卡提供接口，包括GenlCam，GigE和IIDC1394。隨著MVTec公司與學術界的不斷合作，HALCON中具有以下新功能：（1）目標識別實現真正意義上的目標識別?；跇颖镜淖R別方法可以區(qū)分出數量巨大的目標對象。使用這種技術可以實現僅依靠顏色或紋理等特征即可識別經過訓練的目標，從而無需再采用一維碼或二維碼等用于目標識別的特殊印記。5.3.2視覺系統軟件（2）三維視覺處理HALCON提供的一個極為突出的新技術是三維表面比較，即將一個三維物體的表面形狀測量結果與預期形狀進行比較。HALCON提供的所有三維技術，如多目立體視覺或sheetoflight，都可用于表面重構；同時也支持直接通過現成的三維硬件掃描儀進行三維重構。此外，針對表面檢測中的特殊應用對光度立體視覺方法進行了改善。不僅如此，HALCON現在還支持許多三維目標處理的方法，如點云的計算和三角測量、形狀和體積等特征計算、通過切面進行點云分割等。（3）高速機器視覺體驗自動算子并行處理(AOP)技術是HALCON的一個獨特性能。HALCON中支持使用GPU處理進行機器視覺算法的算子超過75個，比其他任何軟件開發(fā)包提供的數量都多。除此之外，基于聚焦變化的深度圖像獲取(depthfromfocus)、快速傅立葉變換(FFT)和HALCON的局部變形匹配都有顯著的加速。5.3.2視覺系統軟件（4）機器學習Halcon加入了機器學習的功能，進一步強大了Halcon的使用區(qū)域。（5）其他新功能1）Aztec碼識別；2）MicroQR碼識別；3）為分類自動選擇特征；4）使用HDevelop性能評測工具進行高效的編碼分析；5）支持MacOSX10.7操作系統；6）重新修訂HALCON/C++接口；7）三維數據快速可視化；8）遠心鏡頭立體視覺；9）改善攝像機標定技術；10）HDevelopOCR助手，包含訓練文件瀏覽器；11）用于一維碼和二維碼識別的GS1術語學；12）串行化HALCON/.NET及HALCON/C++；13）易用的測量工具；14）支持JPEGXR及其他。5.3.2視覺系統軟件康耐視公司（Cognex）推出的VisionPro系統組合了世界一流的機器視覺技術，具有快速而強大的應用系統開發(fā)能力。VisionProQuickStart利用拖放工具，以加速應用原型的開發(fā)。這一成果在應用開發(fā)的整個周期內都可應用。通過使用基于COM/ActiveX的VisionPro機器視覺工具和VisualBasic、VisualC++等圖形化編程環(huán)境，開發(fā)應用系統，與MVS-8100系列圖像采集卡相配合，VisionPro使得制造商、系統集成商、工程師可以快速開發(fā)和配置出強大的機器視覺應用系統。5.3.2視覺系統軟件主要優(yōu)勢體現在：（1）快速建立原型和易于集成。VisionPro的兩層軟件結構便于建立原型和集成。交互層利用拖放工具和ActiveX控件以加速應用系統的開發(fā)；在程序層，將原型應用開發(fā)成用戶解決方案?；贑OM/ActiveX技術使VisionPro應用系統易于集成第三方實用程序（例如圖形函數），而且為整個機器（例如I/O、機器人控制、工廠通信）提供了基于COM控件應用的易于集成性。（2）先進的機器視覺軟件。Cognex的視覺工具庫提供了用于測量、檢測、制導和識別的視覺軟件程序組。即使是在最具挑戰(zhàn)性的視覺應用中，這些工具也被證實具有高可靠性。5.3.2視覺系統軟件主要優(yōu)勢體現在：（3）硬件靈活性。VisionPro的用戶可在較大范圍內選擇MVS-8100系列圖像采集卡，以開發(fā)視覺應用。經VisionPro軟件測試和證明，這些圖像采集卡為主機提供了用于圖像處理和顯示的高速圖像轉移，以獲得快速的視覺應用操作。多相機輸入、高速度及對高分辨率相機的支持提高了VisionPro系統的采集靈活性。（4）技術優(yōu)勢?？焖匍_發(fā)強大的基于PC的視覺應用；簡化視覺系統與其他主控制程序的融合處理；兼容多種CognexMVS-8100系列圖像采集卡；通過QuickStart拖放工具加速原型應用；配合視覺工具庫，以獲得高性能；VisionPro的軟件結構。5.3.2視覺系統軟件主要優(yōu)勢體現在：（5）提供了易于應用的原型、發(fā)展和應用。在交互層，通過系列拖放工具，VisionProQuickStart原型環(huán)境加速了強大機器視覺系統的開發(fā)速度。用戶可以很快定義工具、測試工具行為及有效的運行參數之間的連接。通過QuickStart或VisualBasic可訪問ActiveX控件。因此，在程序層，原型應用可通過VisualBasic或VisualC++增強，以開發(fā)出個性化的解決方案。這一性能將使應用系統的開發(fā)時間大大縮短。VisionPro的結構使用戶可從QuickStart、ActiveX或COM對象中的任何一層開始他們的應用系統開發(fā)。5.3.2視覺系統軟件美國NI公司的應用軟件LabVIEW機器視覺軟件編程速度是最快的。LabVIEW是基于程序代碼的一種圖形化編程語言。其提供了大量的圖像預處理、圖像分割、圖像理解函數庫和開發(fā)工具，用戶只要在流程圖中用圖標連接器將所需要的子VI（VirtualInstrumentsLabVIEW開發(fā)程序）連接起來就可以完成目標任務。任何1個VI都有3部分組成：可交互的用戶界面、流程圖和圖標連接器。LabVIEW編程簡單，而且對工件的正確識別率較高。5.3.2視覺系統軟件常用的MATLAB視覺工具箱如下：（1）ImageProcessingToolbox（圖像處理工具箱）提供了一套全方位的參照標準算法和工作流程應用程序，用于進行圖像處理、分析、可視化和算法開發(fā)?？蛇M行圖像分割、圖像增強、降噪、幾何變換、圖像配準和三維圖像處理。利用ImageProcessingToolbox應用程序，可自動完成常用圖像處理流程?？刹捎媒换シ绞椒指顖D像數據，比較圖像配準方法，對大型數據集進行批處理。利用可視化函數和應用程序，可以探查圖像、三維物體以及視頻，調節(jié)對比度，創(chuàng)建灰度圖以及操作感興趣區(qū)域(ROI)?？赏ㄟ^在多核處理器和GPU上運行算法來進行加速。許多工具箱函數支持實現桌面原型建立和嵌入式視覺系統部署的C/C++代碼生成。5.3.2視覺系統軟件常用的MATLAB視覺工具箱如下：（2）ComputerVisionSystemToolbox（計算機視覺工具箱）ComputerVisionSystemToolbox為計算機視覺、3D視覺和視頻處理系統的設計和測試提供算法、函數和應用程序?？梢詧?zhí)行對象檢測和跟蹤，以及特征檢測、提取和匹配。對于3D視覺，該工具箱支持單相機、立體相機和魚眼相機校準以及立體視覺、3D重建、激光雷達和3D點云處理。計算機視覺應用程序可自動執(zhí)行地面實況標注和相機校準工作流程?？赏ㄟ^在多核處理器和GPU上運行算法來加速算法。大多數工具箱算法都支持C/C++代碼生成，以便與現有代碼、桌面原型設計及嵌入式視覺系統部署集成。5.3.2視覺系統軟件常用的MATLAB視覺工具箱如下：（3）ImageAcquisitionToolbox（圖像采集工具箱）提供了用于將相機和lidar傳感器連接到MATLAB和Simulink的函數和模塊。包含一個可交互式檢測和配置硬件屬性的MATLAB屬性，繼而可以生成等效的MATLAB代碼，以便在將來的會話中自動進行采集。該工具箱支持各種采集模式，如在環(huán)處理、硬件觸發(fā)、后臺采集以及跨多臺設備同步采集。同時，ImageAcquisitionToolbox可以連接到VelodyneLiDAR傳感器、機器視覺相機和幀捕捉器以及高端科學和工業(yè)設備。5.3.2視覺系統軟件常用的MATLAB視覺工具箱如下：（3）ImageAcquisitionToolbox（圖像采集工具箱）提供了用于將相機和lidar傳感器連接到MATLAB和Simulink的函數和模塊。包含一個可交互式檢測和配置硬件屬性的MATLAB屬性，繼而可以生成等效的MATLAB代碼，以便在將來的會話中自動進行采集。該工具箱支持各種采集模式，如在環(huán)處理、硬件觸發(fā)、后臺采集以及跨多臺設備同步采集。同時，ImageAcquisitionToolbox可以連接到VelodyneLiDAR傳感器、機器視覺相機和幀捕捉器以及高端科學和工業(yè)設備。5.3.2視覺系統軟件加拿大的MaxtorImagelibrary：MIL軟件包是一種硬件獨立、有標準組件的32位圖象庫。它有一整套指令，針對圖象的處理和特殊操作，包括：斑痕分析、圖象校準、口徑測定、二維數據讀寫、測量、圖案識別及光學符號識別操作。它也支持基本圖形設備。MIL能夠處理二值，灰度或彩色圖象。MIL軟件包為應用的快速發(fā)展設計，便于使用。它有完全透明的管理系統，沿襲虛擬數據對象操作，而非物理數據對象操作，允許獨立于平臺的應用。這意味著一個MIL應用程序能夠在不同環(huán)境（Win98/Me/NT/2000）中運行于任何VESA-compatibleVGA板或Matrox圖象板上。MIL用用系統的觀念識別硬件板，單一應用程序可控制一種以上硬件板。MIL能單獨在主機上運行，但使用專用加速Matrox硬件效率更高。5.3.2視覺系統軟件MIL軟件包具有以下功能：（1）獲取高達16位的灰度圖或彩色圖。（2）處理1、8、16和32位整數或浮點數圖象。（3）根據操作處理彩色圖象彩色圖象的每一層會被相繼的獨立處理。統計分析、斑痕分析、測量、圖案匹配、光學符號識別和代碼操作不支持彩色處理。（4）顯示1，8或16位灰度或彩色圖象（平臺支持情況下）。MIL函數功能：點對點、統計、濾波、形態(tài)學處理、幾何變換、粒子分析、測量、壓縮/解壓縮、邊緣查找、幾何模型查找、模式匹配、條碼和矩陣碼、校準、光學字符識別OCR、相機自動聚焦、應用程序控制、數據控制、顯示控制、數字設備控制等。5.3.2視覺系統軟件eVision機器視覺軟件包是由比利時euresys公司推出的一套機器視覺軟件開發(fā)SDK。eVision機器視覺軟件開發(fā)包所有代碼都經過mmx指令的優(yōu)化，處理速度非?？?，且提供了比較多的機器視覺功能，例如OCR、OCV、基于圖像比對的圖像質量檢測、Barcode和MatrixCode識別。evision主要由以下幾個模塊組成：（1）Easy