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机器视觉基础1一、机器视觉的基本概念2一、机器视觉相关概念•机器视觉的通俗定义：机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。•机器视觉的工作原理：相机将被检测目标转换成图像信号，传送给图像处理系统，图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、位置、长度，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，实现自动识别功能。3一、机器视觉相关概念•机器视觉系统的定义：机器视觉系统是指通过图像采集单元（相机），将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。•主要适用环境：1、高速、高精；2、超视、微距；3、客观、无疲劳；4、环境限制等。4二、机器视觉系统相关学科涉及相关学科有：•计算机视觉•机械设计•照明工程•光学设计•自动控制•图像处理•嵌入式电子图像处理自动控制嵌入式系统照明工程机械设计计算机视觉光学设计机器视觉系统5三、机器视觉系统基本构成典型系统由以下组成：•待测目标•光源•镜头•相机•图像采集卡•图像处理软件•输入输出板卡•工业电脑6三、机器视觉系统基本构成典型系统由以下组成：•待测目标•光源•镜头•相机•图像采集卡•图像处理软件•输入输出板卡•工业电脑“嵌入”7四、机器视觉系统应用分类测量（Measure）检测（Inspect）定位（Locate）识别（Identify）8四、机器视觉系统应用分类Ø测量：长度测量9四、机器视觉系统应用分类Ø测量：角度测量10四、机器视觉系统应用分类Ø测量：圆弧及半径测量11四、机器视觉系统应用分类Ø检测：有无检测(邮包)12四、机器视觉系统应用分类Ø检测：残次品检测13四、机器视觉系统应用分类Ø检测：数字统计14四、机器视觉系统应用分类Ø检测：瑕疵检测15四、机器视觉系统应用分类Ø定位：内部定位16四、机器视觉系统应用分类Ø定位：坐标输出定位17四、机器视觉系统应用分类Ø识别：读码18四、机器视觉系统应用分类Ø识别：OCR/OCV19四、机器视觉系统应用分类Ø识别：颜色识别20二、机器视觉软硬件知识21五、机器视觉系统软硬件22六、软硬件知识--光源篇机器视觉系统工作的基本程序：取像=》分析=》结果输出光源为确保视觉系统正常取像获得足够光信息和稳定图像而提供的照明装置光源是一个视觉应用开始工作的第一步。23六、软硬件知识--光源篇光源的目的-照亮目标，提高目标亮度-形成最有利于图像处理的成像效果-克服环境光干扰，保证图像的稳定性光源的重要性合适的光源可以大大降低图像处理难度，提高系统检测精度、运行速度及工作效率。24六、软硬件知识--光源篇光源分类•萤光灯•卤素灯+光纤导管•LED光源•其他（激光、紫外光等）25六、软硬件知识--光源篇常用照明技术#1：背光——测量系统的最佳选择26六、软硬件知识--光源篇常用照明技术#2：亮场——最直接的照明27六、软硬件知识--光源篇常用照明技术#3：暗场——适合光滑表面的照明28六、软硬件知识--光源篇常用照明技术#4：同轴光—均匀性好50%分束片29六、软硬件知识--光源篇常用照明技术#5：结构光法——最简便的三维测量激光或线性光源固定角度照射三维深度信息30六、软硬件知识--光源篇常用照明技术#6：影子的利用——最不直接的测量待测物长度信息待测物高度信息31六、软硬件知识--光源篇常用照明技术#7：彩色的考虑光的三原色色彩三原色光的三原色：红、绿、蓝；色彩三原色：青、紫、黄。世界上所有颜色都是由三原色按不同比例组合而成三原色的色光叠加为白光。如：日光三原色的色彩叠加为黑色。32六、软硬件知识--光源篇常用照明技术#7：彩色的考虑33六、软硬件知识--光源篇常用照明技术#8：常用光源分析萤光灯卤素灯+光纤导管LED灯源价格低高中亮度低高中稳定性低中高闪光装置无无有使用寿命中低高光线均匀度高中低多色光无无有复杂设计低中高34六、软硬件知识--镜头篇镜头的介绍1、基本功能-实现光束变换，将目标成像在图像传感器的光敏面上；2、镜头与相机匹配-镜头接口是否为工业标准接口，C/CS接口、F口等；-镜头成象面是否=相机CCD尺寸；若相机CCD为1/2英寸，而镜头为1/3英寸，则该镜头与相机不匹配。35六、软硬件知识--镜头篇3、工作距离-镜头焦距是否适合系统工作空间4、系统精度-获取最佳视野-镜头畸变对系统精度的影响-镜头分辨率对系统精度的影响5、纵深成象-待测物纵深方向的成象是否在镜头景深范围之内36六、软硬件知识--镜头篇6、视场范围37六、软硬件知识--镜头篇7、常用镜头•CCTV镜头•专业摄影镜头•远心镜头38六、软硬件知识--相机篇常用照明技术•相机分类按芯片技术：CCD相机和CMOS相机按靶面类型：面阵相机和线阵相机按输出模式：模拟相机和数字相机按颜色：彩色相机和黑白相机按是否带处理器：智能相机和非智能相机•主要特性参数芯片类型分辨率：位于CCD&CMOS芯片上的像素数速度：line/s，fps光学接口：C,CS,F等39六、软硬件知识--相机篇相机的选择•相机分辨率：相机分辨率（X方向）＝最佳视野范围（X方向）÷理论象素值（X方向）相机分辨率（Y方向）＝最佳视野范围（Y方向）÷理论象素值（Y方向）•系统速度要求与相机成象速度系统单次运行速度=系统成象速度+系统检测速度帧速或线数快门速度40六、软硬件知识--工控机篇工控机选型的要素•关键关注因素：处理器主频硬盘读写速度内存大小输入输出离散IO接口类型与数量工控机的散热能力•主要衡量指标：系统稳定性（推荐无风扇，低功耗）41六、软硬件知识--软件篇机器视觉软件包•国外品牌：Halcon、VisionPro、LabviewVision等商业软件包；OpenCV开源免费软件包。•国内品牌：研华、OPT、海康、大华、汇萃等，都宣称开发成功。42三、机器视觉系统搭建技巧43七、机器视觉系统搭建获得完美图象的6大要素#1：高系统精度FOV：100MM500象素象素值=0.2MM•系统精度（Systemaccuracy）X方向系统精度（X方向象素值）＝视野范围（X方向）÷CCD芯片象素数量（X方向）Y方向系统精度（Y方向象素值）＝视野范围（Y方向÷CCD芯片象素数量（Y方向）该指标取决于，相机分辨率及视野（FOV）44七、机器视觉系统搭建获得完美图象的6大要素#1：高系统精度•视野（FOV）-让视觉系统“关心”的部分尽可能“充满”视野。通俗来说，FOV越小越“好”。-相机分辨率相同视野越小系统精度越高-视野相同相机分辨率越高系统精度越高适合的视野不适合的视野调整系统关心的部分45七、机器视觉系统搭建获得完美图象的6大要素#2：清晰成象•确定图象中所要检测的部分处于清晰的焦距之内•当图象中检测部分不处于同一焦平面时，需要考虑镜头的景深•注意：每一款镜头相对于固定的光圈，都有自己固定的景深•注意：缩小光圈可以加大景深。同时为保证正确曝光需要提高光强46七、机器视觉系统搭建获得完美图象的6大要素#3：避免畸变•在定位及高精度测量的系统中，镜头畸变的影响尤其重要真实世界镜头畸变产生的图象47七、机器视觉系统搭建获得完美图象的6大要素#4：保持待测物体在成象中大小一致•在定位及识别系统中，这一点尤为重要48七、机器视觉系统搭建获得完美图象的6大要素#5：图象中待测部分反差最大化待测部分对于一个视觉系统来说，“黑白分明”的图象才是好图象。49七、机器视觉系统搭建获得完美图象的6大要素#6：恰当的照明与曝光•避免阴影如果图象中待测区域处于阴影之下，图象将不能提供足够的反差，这将严重影响系统检测的精度•避免过亮如果照明过亮，区域内亮部的光线会反射进暗部的区域，造成暗部区域内的细节损失•避免光线变化如果照明系统发生明暗变化，会造成图象明暗变化。这将直接影响系统运行的稳定性•避免外界影响注意系统周围环境的影响，如生产线上的照明系统、室外阳光等等可移动的人或物会遮挡系统照明50七、机器视觉系统搭建小结•#1：获得完美图象的6大要素及控制因素高系统精度。控制因素：视野、相机分辨率。清晰成象。控制因素：镜头、光源避免畸变。控制因素：镜头保持待测物体在成象中大小一致。控制因素：视野、拍照角度、待测物位置反差最大化。控制因素：光源、镜头恰当的照明与曝光。控制因素：光源、镜头•#2：如何获得完美图象选择适合的光源、镜头、相机学会如何使用、控制光源、镜头、相机51七、机器视觉系统搭建项目硬件选型：•选型步骤：确定项目检测方向：测量、检测、定位、识别。确定项目检测要求：精度、速度、工作空间。根据项目检测方向完成光源选型根据项目精度要求确定最佳视野根据项目精度要求及工作空间要求完成镜头选型根据项目精度要求及速度要求完成相机选型考虑系统硬件成本52七、机器视觉系统搭建项目评估的基本步骤1：检测项目条款•条款名称及详细说明客户需求系统精度要求系统速度要求检测项目条款系统工作空间要求•初步了解视觉系统允许的工作空间系统速度要求•清楚了解整个系统的速度要求•对于设备制造商，还需要了解整个设备的工作流程系统工作空间要求系统精度要求•详细记录每项条款的精度要求53七、机器视觉系统搭建项目评估的基本步骤2：光源选型•根据项目的检测条款，选用适合的光源镜头选型•系统精度要求•系统工作空间要求相机选型•系统精度要求•系统速度要求项目评估镜头选型相机选型光源选型项目试验项目试验•系统搭建，光源、镜头、相机•建立检测程序原型•记录试验结果，精度、检测时间54七、机器视觉系统搭建项目评估的基本步骤3：条款回顾•根据项目的检测条款，逐条确定是否可以检测精度回顾•根据项目的检测条款，逐条列出试验完成精度系统运行速度•记录试验中系统运行速度评估报告精度回顾系统运行速度条款回顾系统硬件配置系统硬件配置•记录系统硬件配置。光源、镜头、工作距离、光圈、相机、快门速度、电脑配置等55