工业机器视觉技术

工业机器视觉技术MACHINEVISION2◆机器视觉算法概述◆机器视觉系统概述◆机器视觉系统组成◆机器视觉技术应用领域目录CONTENTS3什么是机器视觉？3机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉的产品将被摄取目标转化为图像信号，传送给专有的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字信号；图像系统对这些信号进行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。4机器视觉典型应用场景5机器视觉在工业上应用提高生产柔性和自动化程度可用于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来代替人工视觉大批量工业生产过程中，用人工视觉检测产品质量效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度机器视觉易于实现信息的集成，是实现计算机集成制造的基础技术6机器视觉能够带来哪些效益？节省时间降低生产成本优化物流过程缩短机器停工期提高生产率和产品质量减轻测试及检测人员劳动强度减少不合格产品的数量提高机器利用率7机器视觉的应用范围有无检测残次品检测瑕疵检测…检测PCB加工定位圆心定位标签位置定位…定位ID识别光学字符识别/校验颜色识别…识别长度测量角度测量半径测量…测量测量：确定一个产品（零件、对象、目标）的长度、角度、半径…检测：确定一个产品（零件、对象、目标）偏离于所给定的一组标准的过程。定位：确定一个产品（零件、对象、目标）关键安装位置的过程。识别：判定一个产品（零件、对象、目标）属于所给定范围中的哪一种的过程。8机器视觉产品检验应用9机器视觉系统概述9为展现机器视觉的魅力，捕获清晰、优质的图像是机器视觉发挥作用的前提！1.怎样效果的图像才算优质的图像呢？2.如何才能捕获清晰、优质的图像呢？10获得完美图像的关键要素反差最大化。控制因素：灯源恰当的照明与曝光。控制因素：灯源、镜头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、灯源避免畸变。控制因素：镜头、系统标定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11待测部分反差11对于一个视觉系统来说，“黑白分明”的图像才是好图像选择适合的灯源。采用合适的处理算法。待测部分12恰当的照明与曝光避免阴影如果图像中待测区域处于阴影之下，图像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。如果曝光过度，会产生感光元件“溢出”现象。避免光线变化如果照明系统发生明暗变化，会造成图像明暗变化。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。13高系统精度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）÷感光芯片象素数量（X方向）Y方向系统精度（Y方向象素值）＝视野范围（Y方向÷感光芯片象素数量（Y方向）该指标取决于，相机分辨率及视野（FOV）FOV：100MM500象素1pixel=0.2MM14清晰成像14确定图像中所要检测的部分处于清晰的焦距之内。当图像中检测部分不处于同一焦平面时，需要考虑镜头的景深。每一款镜头都有固定的“最短焦距”。每一款镜头相对于固定的光圈，都有自己固定的景深。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。小光圈拍照，可以使图像获得更多“细节”，图像效果更好。15避免畸形在定位及高精度测量的系统中，镜头畸变的影响尤其重要。解决办法：远心镜头：可以在一定物距范围内，使得到的图像放大倍率不改变，高分辨率、超宽景深、超低畸变及独有的平行光设计进行系统标定真实世界镜头畸变产生的图像16保持待测物体在成像中大小一致16在定位及识别系统中，这一点尤为重要控制待测目标位置相机拍照角度17机器视觉系统组成18机器视觉系统组成-灯源19灯源简述灯源：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灯源的目的是将待测区域与背景明显区分开将运动目标“凝固”在图像上增强待测目标边缘清晰度消除阴影抵消噪光灯源是一个视觉应用开始工作的第一步适合的灯源可以提高系统检测精度、运行速度及工作效率20灯源分类萤光灯卤素灯+光纤导管灯泡内加入碘或溴等卤素气体白炽灯的一个变种LED光源其他（激光、紫外光等）21常用灯源分析21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温度影响中低高22背光——测量系统的最佳选择23亮场——最直接的照明高角度照明24暗场——适合光滑表面的照明低角度照明25结构光法——最简便的三维测量三维深度信息激光或线性光源固定角度照射26影子的利用——最不直接的测量26待测物长度信息待测物高度信息27同轴光——昂贵的灯源2750%分束片同轴光源适宜用于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测；芯片和硅晶片的破损检测，mark点定位；包装条码识别等。28光的三原色三原色。光的三原色：红、绿、蓝；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红、绿、蓝三色为互补色。光照在物体上，物体只反射与自身颜色相同的色光；不同色光照在互补色物体上完全不反光。如：红光照红色物体，黑白相机成象物体为白色；红光照绿色物体，黑白相机成象物体为黑色。光的三原色29三原色光源选择照射红色光黑白相机30彩色相机31颜色空间一般如何表示颜色？32RGB颜色空间0,1,00,0,11,0,0缺陷•通道之间关联性较强•不易感官识别默认的颜色空间R(G=0,B=0)G(R=0,B=0)B(R=0,G=0)33HSV颜色空间易于辨识-Hue:色调(0-360deg);圆锥体的角度-Saturation:饱和度(0-100%);与椎体中心的距离-Value(luminance):明度(0-100%);椎体的高度HSV与RGB之间为非线性转变HSV颜色空间H(S=1,V=1)S(H=1,V=1)V(H=1,S=0)颜色空间YCbCrY(Cb=0.5,Cr=0.5)Cb(Y=0.5,Cr=0.5)Cr(Y=0.5,Cb=05)Y=0Y=0.5Y=1CbCrY:色彩亮度Cb:蓝色浓度偏移成分Cr:红色浓度偏移成分特点：计算较快，易于压缩，常用于电视机视频信号36机器视觉系统组成-镜头37相机镜头基本原理37成象面工作距离（WD）景深（DOV）视野（FOV）后焦面距离38相机镜头-视野38视野(FOV)图像采集设备所能够覆盖的范围，可理解为在监视器上可以见到的范围，也可以是设备所输出的数字图像所能覆盖的最大范围。39镜头常用参数（1/3）39最大/最小工作距离（WorkDistance）从物镜到被检测物体的距离范围，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）深度为与物体从最佳焦点前后移动时,出现最锐利焦点的最近点与最远点之间的距离。物体侧的深度范围称为景深。同样，照相机侧的范围称为焦点深度。具体的景深的值多少略有不同。40镜头常用参数（2/3）40成像面可以在镜头的像面上清晰成像的物方平面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。焦距焦距是像方主面到像方焦点的距离。如16mm，25mm41镜头常用参数（3/3）41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。lp/mm(linepairpermm)lp/mm是表征分辨率的最简单的指标，但不是最佳指标，最佳的指标是镜头的调制传递函数MTF。42镜头基本-几何畸变几何畸变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(枕形或桶形失真)和切向畸变。43镜头的分类-等效焦距43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：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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常常表现为枕形畸变44镜头的分类-功能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。变焦距镜头定焦距镜头45镜头的分类-用途微距镜头（可成为显微镜头）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。微距镜头46镜头光圈与景深参数间关系（6）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47应如何选择镜头？镜头与相机匹配镜头接口是否为工业标准接口，C/CS接口镜头成象面是否=相机CCD尺寸。若相机CCD为1/2“，而镜头为1/3”，则该镜头与相机不匹配系统工作空间镜头最短焦距是否适合系统工作空间注意镜头焦距与最短焦距间的关系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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其他超大、超小物体检测48机器视觉系统组成-工业相机49工业相机50工业相机-图像传感器图像传感器的尺寸图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4：3(H：V)，数字相机的长宽比例则包括多种：1：1，16：9，3：2等。51工业相机-放大率、分辨率物理放大率传感器感光面积与视野的比值，整个参数基本取决于镜头像素（Pixel=picture+element）传感器感光面上最小感光单位。分辨率(Resolution)模拟制式相机的分辨率取决于传感器上像素的数目以及后期处理电路的质量，数字相机的分辨率则直接取决于传感器上像素的数目。52工业相机-快门卷帘快门（RollingShutter）多数CMOS图像传感器上使用的快门，其特征是逐行曝光，每一行的曝光时间不一致。全局快门（GlobalShutter）CCD传感器和极少数CMOS传感器采用的快门，传感器上所有像素同时刻曝光。53工业相机其他参数像素长宽比指传感器上像素水平和垂直方向节距的比值，对于正方形的象素来说，其比值为1：1。此参数，对于系统的标定有直接影响。快门速度（ShutterSpeed）CCD/CMOS相机多数采用电子快门，通过电信号脉冲的宽度来控制传感器的光积分（曝光）时间。对于一般性能的的相机快门速度可以达到1/10000-1/100000秒。帧频率（FrameRate）相机每秒中能够输出图像的帧数，对于模拟制式相机，这个频率是固定值，对于数字相机，是个可变的值。像素速率（PixelRate）相机每秒中能够输出像素的个数，仅仅对于数字相机有意义。54工业相机扫描方式•隔行扫描（Interlace）•逐行扫描（Progressivescan）352463524155信号格式模拟图像信号复合视频信号，Y/C分离信号，RGB分量信号。绝大多数周边设备都能够兼容这些信号格式。通常情况下对于彩色视频信号，Y/C分离传输的方式优于复合视频传输的方式，RGB分量传输的方式又优于Y/C分离传输方式。数字相机信号LVDS：lowvoltagedifferentialsignalingIEEE-1394(FireWire)USB2.0CameraLinkEthernet，包括传输