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如何构建稳定的机器视觉系统及如何验收凌云,yunling@lusterlightvision.com北京凌云光视数字图像技术有限公司2主要内容机器视觉系统简介机器视觉系统的构成及开发流程构建稳定视觉系统的几点建议系统设计方法设备选型中的一些注意事项系统设计中的两个关键点环境对视觉系统稳定性的影响验收环节的几点建议3机器视觉系统简介人类视觉的局限：高速、高精、超视、微距。客观、无疲劳、环境限制。机器视觉的优点：检测精度高、一致性好：建立在客观分析和推理的基础之上，有效地避免了人工检测带来的主观性和个体差异性。检测速度快、节约成本：短期投入大，但长期使用平均成本却低于人工检测。随着相关技术的不断发展，检测速度提高迅速，成本不断下降。•主要应用：•定位•检测•识别•测量4机器视觉系统的构成机器视觉系统：是光、机、电、热、算法、软件等的完美集成。机器视觉系统的一般构成：光学成像承载和驱动机构电控系统计算机处理单元输出报警单元5机器视觉系统的开发流程1、需求了解、分析和确认；2、样品准备、试验；3、系统设计；4、系统开发和调试；5、现场试运行、大量测试；6、系统的局部修改和完善；7、系统验收；8、人员培训与系统维护；6如何构建稳定的视觉系统工业现场特点：生产过程的实时性高性能、高精度、低成本的矛盾环境恶劣，存在各种干扰如何构建稳定的系统：重视系统设计：一个好的系统是设计出来的重视系统中的每一个环节：避免木桶效应降低系统复杂度：一个原则是系统越简单就越可靠关键技术论证：尽量采用成熟技术，一个好的产品，80%的应该是继承下来的，创新的环节不要超过20%重视现场环境特点，系统设计时要综合考虑7机器视觉系统设计方法机器视觉系统设计：是科学和艺术结合的典范。系统设计的任务：构建成像系统，设计检测算法，关键技术论证。系统设计的目标：成像清晰、稳定、特征鲜明；检测算法高效、稳定、可靠，两者相辅相成，要站在系统的高度综合设计。一般步骤：明确用户需求，并将其转化为可量化的系统性能指标。分析算法路线、图像感兴趣特征，明确成像要求。系统基本参数计算：分辨率、工作距离、焦距、曝光时间等。设备选型：光源、镜头、相机、板卡等。成像光路设计：保证成像清晰、稳定的基础上，满足特征鲜明的要求。构建原型系统，验证设计结果。8明确用户需求机器视觉系统的最终目标是解决用户问题，只有明确了用户需求，才有可能给出切实可行的解决方案。实际情况：用户不具备视觉系统的知识背景，表达经常是晦涩、片面，甚至有误导；要深入现场，了解工序流程，帮助用户梳理和分析实际需求。重点挖掘的需求：检测对象：是什么、尺寸大小、形状、颜色、生产工艺、检测速度。工作环境：安装空间大小、环境温度、湿度、噪音要求。检测标准：检测能力、检测指标、合格标准。相关信息：工位信号、剔除信号协议及其他电控接口。任务：明确用户需求，并将其转换为系统设计指标。示例：检测纸张中的缺陷，不需彩色检测，最大幅宽230mm，最小缺陷尺寸1mm×1mm，检测速度为1m/秒，安装空间为0.4～0.6m。现场温度0～40度，湿度20～80％，有大型设备引起的随机振动。9确定算法路线，明确图像目标建议：避免用人类视觉的经验来评估图像处理应用的难度！人类视觉：擅长推理和判断，不擅长测量机器视觉：擅长测量，不擅长推理和判断影响算法稳定性的主要因素：旋转、尺度缩放、离焦、差的对比度、不均匀的照明、阴影、遮挡、反射、振动设计方法：明确图像中的感兴趣特征明确成像要求常用算法：定位算法Blob分析算法测量算法：二维几何测量识别算法：条码、号码识别10系统基本参数计算根据系统性能指标要求，设计成像系统的基本参数，指导选型。一般步骤：根据用户需求明确物距范围、检测能力要求、视场大小；根据检测能力要求，计算像元分辨率；根据视场大小和分辨率，计算像元数；根据工作速度和像元数，计算数据量；根据像元数、数据量，初选相机，计算放大倍数；根据放大倍数和物距范围计算焦距，选择镜头焦距；根据放大倍数和焦距，重新计算物距；11设备选型初级选型：根据基本参数已经可以开展选型，但是仅能达到成像清晰，人眼可辩的基本要求。最终要求：特征鲜明，高对比度和低噪声。优化选型：综合考虑光源、镜头、相机、板卡的各种性能参数，合理设计和选型，是视觉系统能够稳定、可靠工作的前提。12光源和光路设计照明系统是机器视觉系统最为关键的部分。光源和光路设计的目的：使感兴趣区域与背景区域区分明显，加强对比度。增强待测目标边缘的清晰度。抵消杂光、消除阴影。要考虑的因素：方向、光谱、偏振、亮度、均匀性。选择合适光源：LED、氙灯、石英灯、高频荧光灯等。设计合理光路。13镜头的主要参数镜头的使用会带来各种信息失真，包括畸变、色差、弥散、照度不均等，要通过合理的选型，将失真程度控制在可接受范围之内。重点关注的几个参数：焦距、放大倍数、光圈调节范围。景深：当对象运动不平稳时，物距会有变化，要确保物距的变动量小于景深，以清晰成像。三种关键曲线：MTF曲线、畸变曲线、照度曲线。14相机的主要参数相机类型：线阵/面阵，彩色/黑白，数字/模拟，接口类型等。重点关注的几个参数：光谱响应曲线：与光源、被测物体的光谱范围相对应。像元尺寸：像元尺寸大的，成像效果好。曝光时间：与检测速度相匹配，与光源强度、镜头光圈综合考虑。其他参数：动态范围、信噪比、传函。15采集卡的主要参数用于图像数据采集，高端采集卡还可以对图像数据进行预处理，以提高检测速度。重点关注的几个参数：数据率。板上Memory大小：PCI总线的传输速率。相机控制信号及外触发信号：外触发、同步触发、异步触发。当对运动目标检测时，相机和采集卡必须要具备异步触发的功能。16常用机构部件展平机构：滚筒，吹风展平，吸风展平等。同步机构：编码器。运动部件：导轨、丝杠、伺服电机、光栅尺等。控制要求：平稳度、轴向跳动、径向跳动等。运动机构要点：尽量减少运动维度。17编码器的选择在被测物体运动时，保持物体运动速度和相机图像采集速度的同步。常用配置方式：主动轮连接方式、从动轮连接方式。主动轮连接：优点在于可以通过改变主动轮直径调整图像运动方向的分辨率，但可能滑动造成位移测量误差。从动轮连接：可精确测量旋转速度，但调整图像运动方向的分辨率灵活性较差。建议：采用从动轮连接方式。18系统设计关键之一：景深什么是景深：在焦点前后各有一个容许弥散圆，这两个弥散圆之间的距离为景深。在物体空间内，在一定距离范围内的物体成像都是清晰的，这个范围称为景深。影响景深的主要因素：光圈光圈越大，景深越小。19系统设计对景深的要求物距会变化：在工业现场，检测对象一般通过传送带或滚筒传送。由于机构精度、磨损等原因，传送带的平稳度比较差，滚筒会存在径向跳动，导致“物距”会存在小变化。清晰成像要求：景深要有足够余量，保证“景深＞物距变化范围”。跳动范围跳动范围20系统设计关键之二：MTF光学传递函数（OTF）：是分析与研究光学信息传递过程中信号失真大小的最佳方法，反映了分辨率、明锐度的综合评价。OTF包括调制传递函数（MTF）和位相传递函数（PTF），系统设计时一般要关注MTF。MTF：是实际像与理想像之间调制度之比相对空间频率的函数，能够同时表征系统重现检测对象的几何和灰度细节的能力。21系统设计对MTF的要求系统传函：成像系统的每个环节都有传函，包括镜头、相机、电路、运动机构等，系统传函是所有环节传函之积。系统设计时，要重点考虑镜头传函、相机传函；对于在线检测系统，还要考虑运动传函。对系统传函的要求：一般要求＞0.3。几点建议：镜头传函：一般要求＞0.6；镜头MTF必须同相机的像元尺寸对应；7μm→71lp/mm10μm→50lp/mm14μm→36lp/mm相机传函：像元尺寸越大，传函越大；CCD相机传函高于CMOS相机；运动传函：曝光时间越短，传函越大。22环境对视觉系统稳定性的影响环境因素必须要考虑：环境杂光物体运动震动电磁窜扰空气质量高温湿度23环境杂光对视觉系统的影响：降低系统信噪比降低图像特征的对比度常用解决措施：对设备成像环节加装遮光罩采用高亮的照明光源，抑制杂光采用窄谱段照明，并在成像系统中采用与之匹配的滤光片选择特定谱段的照明光源，使之不同于环境光的谱段24物体运动对视觉系统的影响：图像模糊，出现锯齿常用解决措施：利用频闪光源，使画面定格器件的合理选用：使用面阵相机时，选用逐行扫描，不要采用隔行扫描控制曝光时间：在曝光的过程中，被测物体运动的距离＜1个像素25震动对视觉系统的影响：图像虚焦位置偏移损坏器件常用解决措施：在结构设计时，隔离震动源在结构设计时，增加缓冲层选用鲁棒性强的算法选用具备抗震设计的工业视觉器件26电磁窜扰对视觉系统的影响：图像干扰损坏器件操作不稳定常用解决措施：对视觉系统中的各器件独立供电保护地形成环路采用带屏蔽层的线缆27灰尘及雾气对视觉系统的影响：影响成像质量增加系统的误检常用解决措施：对成像环节补充吹气装置，采用洁净的干燥空气增加层流罩，隔离灰尘28高温对视觉系统的影响：系统信噪比下降大大降低电子器件的使用寿命常用解决措施：增加制冷装置，常用手段为传导、对流和辐射29湿度对视觉系统的影响：视觉器件表面凝露成像出现畸变常用解决措施：增加制热装置，使视觉器件温度略高于环境温度即可。对成像环节补充吹气装置，采用洁净的干燥空气30验收环节的几点建议深入理解用户的生产工艺，引导用户设定合理的需求客户对视觉系统的接受过程：不信任→怀疑→接受→无限期望→客观认识以满足生产要求为目标，不要追求不切实际的技术指标要求获得用户的支持和理解获得充足的样品支持引导客户关注关键指标统计学方法的运用重视试验设计通过数据统计和分析，有利于客观、全面了解设备的性能，为系统收敛提供依据验收前的工作严谨的态度：科学来不得半点虚假，摒弃侥幸心理功夫在课外：验收前应开展充分的模拟测试有备无患：制定详细验收计划、多种应急预案31为机器植入大脑和眼睛！谢谢！