机器视觉系统详解

机器视觉系统详解深圳市圆融精密电子有限公司机器视觉系统的构成电脑系统图像采集卡相机镜头光源被测物I/O控制其他机械部分供电及传输模拟图片信号光源触发信号其他动作信号数字图片信号与软件通讯相机触发信号第一章、光源第一节：光源简介光源：为确保视觉系统正常取像获得足够光信息而提供照明的装置。光源是一个视觉应用开始工作的第一步，好的光源与照明方案往往是整个系统成败的关键，起着非常重要的作用。使用光源的目的：光源并不是简单的照亮物体而已。1.光源与照明方案的配合应尽可能地突出物体特征量；2.将待测区域与背景明显区分开，增加对比度，消隐不感兴趣的部分；3.增强待测目标边缘清晰度；4.保持足够的整体亮度；5.物体位置的变化不应该影响成像的质量。适合的灯源可以提高系统检测精度、运行速度及工作效率。第二节：照明方式的分类在机器视觉系统中一般使用透射光和反射光。光源产品相机光源产品相机光源反射光透射光第三节：光源的分类及比较萤光灯卤素灯+光纤导管LED光源其他（激光、紫外光等）其中LED光源凭借其诸多的优点在现代机器视觉系统中得到越来越多的应用。第四节：光源选择的注意事项影响因素：1.相机光谱响应特性；2.LED的颜色、反光角度、亮度、寿命等；3.物品形状与LED形状；4.打光方式；5.辅助手段（偏光镜、滤光镜、漫反射板等）选择原则：满足应用，综合考虑理论分析，实验验证第五节：LED光源的应用实例前面讲到，LED的特性使得其广泛的应用于机器视觉系统中。目前常用的LED光源有：环形光、条形光、面板光、同轴光、点光源、线光源等等。根据不同的产品选择合适的光源，有时候会需要几种光源进行组合照明。第二章、镜头第一节：镜头简介光学镜头相当于人眼的晶状体，在机器视觉系统中非常重要。第二节：镜头的基本概念视野(FOV)图像采集设备所能够覆盖的范围，它可以是在监视器上可以见到的范围，也可以使设备所输出的数字图像所能覆盖的最大范围。最大/最小工作距离（WorkDistance）从物镜到被检测物体的距离的范围，小于最小工作距离大于最大工作距离系统均不能正确成像。景深（DepthOfField）在某个调焦位置上，景深内的物体都可以清晰成像。成象面工作距离（WD）景深（DOV）视野（FOV）后焦面距离畸变几何畸变指的是由于镜头方面的原因导致的图像范围内不同位置上的放大率存在的差异。几何畸变主要包括径向畸变和切向畸变。如枕形或桶形失真。畸变小于2%人眼是看不出来的。如果畸变小于CCD的一个像素，那么相机也看不出来了。光圈与F值光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内。表达光圈大小我们是用F值，如f1.4，f2，f2.8等等。分辨率测量系统能够重现的最小的细节的尺寸常常用每毫米线对来表示，也就是根据这个镜头能够分辨一毫米内多少对直线。选择镜头的时候必须注意厂商给出的分辨率的定义方式。焦距焦距是像方主面到像方焦点的距离。如16mm，25mm，35mm等。成像面可以在镜头的像面上清晰成像的物方平面。镜头接口•C-MOUNT镜头的标准接口之一，镜头的接口螺纹参数：公称直径：1“螺距：32牙•CS－Mount是C－Mount的一个变种，区别仅仅在于镜头定位面到图像传感器光敏面的距离的不同，C－Mount是17。5mm，CS－Mount是12。5mm。•C/CS能够匹配的最大的图像传感器的尺寸不超过1“。•F-Mount，卡口，没有螺纹。•其他类型第三节：镜头各个参数间的关系光圈大通光能力大，光圈小通光能力小；光圈小则景深大，光圈大则景深小；第四节：镜头的分类按照等效焦距分为广角镜头等效焦距小于标准镜头（等效焦距为50mm）的镜头。特点是最小工作距离短，景深大，视角大。常常表现为桶形畸变。中焦距镜头焦距介于广角镜头和长焦镜头之间的镜头。通常情况下畸变校正较好。长焦距镜头等效焦距超过200mm的镜头。工作距离长，放大比大，畸变常常表现为枕形状畸变。等效焦距计算方法：实际焦距×43mm镜头成像圆的直径按照功能分变焦距镜头镜头的焦距可以调节，镜头的视角、视野可变。定焦距镜头镜头的焦距不能调节，镜头视角固定。聚焦位置和光圈可以调节。定光圈镜头光圈不能调节，通常情况下聚焦也不能调节。按照用途分微距镜头（或者成为显微镜头）用于拍摄较小的目标具有很大的放大比远心镜头包括物方远心镜头和像方远心镜头以及双边远心镜头。第五节：远心镜头在测量系统中，有一些因素影响测量的精度与重复性。1.物体位置变化引起的比例尺变化2.畸变3.投影误差4.物体边缘测量误差大采用远心镜头可以很大程度的降低以上误差，甚至消除这些误差。远心镜头的口径至少要与需要观察的物体尺寸相等或更大。第六节：选择镜头的原则1.机器视觉镜头可支持的最大的CCD尺寸不能小于所搭配的相机中CCD传感器芯片的尺寸。.如果镜头尺寸比CCD靶面尺寸小,图片边缘会出现黑场,即只有中间一个圆圈的视场是有效的.2.镜头接口要跟相机接口匹配安装，也可通过转换匹配安装。3.镜头的工作距离要适当。所谓工作距离，是指当图像在焦距范围内的时候，物体和镜头前端的距离。通过焦距、工作距离、CCD尺寸这些我们还可以得知镜头的视场范围，选择镜头的原则也同时包括了镜头视场覆盖的原则。4.机器视觉镜头的光谱特性要符合光源的要求。在机器视觉系统中，镜头不只是与相机相互作用的，镜头还需满足光源要求，才能获取全部的图像信息。在这里需要考虑光源的波长、光谱范围、以及光源的种类是红外还是紫外等等。5.机器视觉镜头的畸变率要符合测量标准。直线在经过透镜成像后会变成弯曲的现象，这就是畸变，畸变主要有两种，分别为桶形畸变和枕形畸变。畸变的存在是具有普遍性的，目前也没有能完全消除的手段，所以能将畸变率控制在一个水平上就算是合格了。第三章、相机第一节：相机原理简介相机将通过镜头的光信号转换为电信号——电子图像，这是模拟信号；再通过A/D转换器将模拟信号转换成数字信号。第二节：相机的分类按不同芯片类型划分：CCD摄像机，CCD称为电荷耦合器件，CCD实际上只是一个把从图像半导体中出来的电子有组织地储存起来的方法。CMOS摄像机，CMOS称为“互补金属氧化物半导体”，CMOS实际上只是将晶体管放在硅块上的技术，没有更多的含义。CMOS可以将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口控制电路集成在一块硅片上，具有结构简单、处理功能多、速度快、耗电低、成本低等特点。早期CMOS摄像机存在成像质量差、像敏单元尺寸小、填充率低等问题，1989年后出现了“有源像敏单元”结构，不仅有光敏元件和像敏单元的寻址开关，而且还有信号放大和处理等电路，提高了光电灵敏度、减小了噪声，扩大了动态范围，使得一些参数与CCD摄像机相近，而在功能、功耗、尺寸和价格方面要优于CCD，逐步得到广泛的应用。CCD芯片采集速度快，CMOS较慢。即CCD芯片的相机更加适合拍摄运动的物体，处理实时运动对象。实际上很多情况下两者都可以选择。按输出图像信号格式划分模拟摄像机PAL（黑白为CCIR），中国，625行，50场NTSC（黑白为EIA），日本，525行，60场SECAMS-VIDEO分量传输数字摄像机IEEE1394USB2.0DCOM3RS-644LVDSChannelLinkCameraLink千兆网按像素排列方式划分面阵摄像机•黑白摄像机•采用BAYER转化的单片相机•3CCD彩色摄像机（分光棱镜）线阵摄像机•黑白摄像机•3Line彩色摄像机•3CCD彩色摄像机（分光棱镜）3CCD彩色相机3Line彩色相机BAYER转换彩色相机第三节：相机的主要参数像素：用来计算影像的一种单位，一个像素通常被视为图像的最小的完整采样。每一张图片都是由很多个像素组成的。像素深度：：即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit等。分辨率：表示每一个方向上的像素数量，我们通常所看到的分辨率都以乘法形式表现的，比如1024*768，其中“1024”表示屏幕上水平方向显示的点数，“768”表示垂直方向的点数。帧率/行频：相机采集传输图像的速率，对面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec.），对线阵相机为每秒采集的行数（Hz)曝光方式与快门速度:线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间。面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可以到10微秒，高速相机还可以更快。光谱响应特性:是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm－1000nm。有一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。芯片尺寸:在CCD出现之前，摄像机是利用一种叫作“光导摄像管（VidiconTube）”的成像器件感光成像的，这是一种特殊设计的电子管，其直径的大小，决定了其成像面积的大小。因此，人们就用光导摄像管的直径尺寸来表示不同感光面积的产品型号。CCD出现之后，最早被大量应用在摄像机上，也就自然而然沿用了光导摄像管的尺寸表示方法，进而扩展到所有类型的图像传感器的尺寸表示方法上。例如，型号为“1/1.8”的CCD或CMOS，就表示其成像面积与一根直径为1/1.8英寸的光导摄像管的成像靶面面积近似。光导摄像管的直径与CCD/CMOS成像靶面面积之间没有固定的换算公式，从实际情况来说，CCD/CMOS成像靶面的对角线长度大约相当于光导摄像管直径长度的2/3.白平衡：简单地说白平衡就是无论环境光线如何，仍然把“白”定义为“白”的一种功能。由于CCD传感器本身没有这种功能，因此就有必要对它输出的信号进行一定的修正，这种修正就叫做工业相机的白平衡。颜色实质上就是对光线的解释，在正常光线下看起来是白颜色的东西在较暗的光线下看起来可能就不是白色，还有荧光灯下的“白”也是“非白”。对于这一切如果能调整白平衡，则在所得到的照片中就能正确地以“白”为基色来还原其他颜色。所以白平衡控制就是通过图像调整，使在各种光线条件下拍摄出的照片色彩和人眼所看到的景物色彩完全相同。工业相机白平衡这一参数可用来调节图像中红色和蓝色的色度，以得到逼真的色彩。可通过手动或自动方式控制这些值。自动白平衡功能提供两种操作模式：自动：对视频数据流持续实施白平衡操作。单触：只触发一次调节过程。普通的多媒体相机只提供一个白平衡参数，所以增加红色色值会减少蓝色色值，反之亦然。高质量的相机提供两个参数，因此可以分别调节红和蓝的色值：源图像蓝色值过低红色值过低产品型号TRI500MTRI500C传感器逐行扫描CMOS彩色/黑白MonoRGB分辨率2592×1944帧频6fps像素深度8Bit像素大小2.2um光学尺寸1/2.5曝光时间80us—160us同步模式连续模式/外触发可调节参数曝光时间、亮度、增益、白平衡输入输出输入2路，带光耦隔离；输出4路，带光耦隔离镜头接口C口或CS口传输接口IEEE1394A传输距离3m，最大可10m供电要求1394总线供电支持协议1394DCAM1.31机械尺寸52mm×52mm×48.8mm四、图像采集卡第一节：图像采集卡简介图像采集卡：又称为图像卡，它是图像采集部分和处理部分的接口。它将摄像机的图像视频信号，送到计算机的内存，供计算机处理、存储、显示和传输等使用。图像的数字化：图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的过程。第二节：图像采集卡的各部参数定义1、A/D转换即视频量化处理。是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字信号的过程。视频信号的量化处理是图像采集处理的重要组成部分。2、传输通道数（Channel）采集卡同时对多个相机进行A/D转换的能力。如：2通道、4通道。3、分辨率（可以理解为1mm内分辨开的线条数）采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能--即其所能支