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影像系统技术指南掌握最新的应用技术介绍您是否对图像处理感兴趣？您是否想过自动控制生产线上的影像检测？您是否曾考虑使用影像系统，但由于使用困难而放弃？如果您对其中任何一个问题表示肯定，则本指南将提供针对工厂自动化的专业影像系统解决方案。第1卷基本原理1CCD（像素）和图像处理基本原理P.2第2卷基本原理2镜头选择基本要点及对图像处理的影响P.4第3卷基本原理3选择照明的逻辑步骤P.7第4卷中级1彩色CCD的效果与各项预处理功能P.11第5卷中级2外观／污点检测的原理和最佳设定P.14第6卷中级3尺寸测量与边缘检测的原理P.17第7卷高级1理解位置补正系统，精确检验运动的目标P.20第8卷高级2从图像处理滤镜中获得最佳结果（第一册）P.23第9卷高级3从图像处理滤镜中获得最佳结果（第二册）P.26第10卷实践怎样配置现场表面检测P.29第11卷应用影像系统解决方案并非仅限于小范围或单一行业P.3121-1典型的影像系统应用影像系统可在两个维度上捕获及检测目标，因而能够有效地自动进行以往都用目视完成的检测工作。四大影像系统应用各行各业中的影像系统应用大致可分为以下四种：1检测物品数或遗漏的物品2检测异物、瑕疵及缺陷3尺寸测量4定位计算纸箱中的瓶子数检测片材上的针孔及异物测量连接器针脚的共面确定LCD玻璃基板的位置大部分的行业检测都可归为四大影像系统应用中的一种或多种。在下一页中，您将看到有关四大类别中的具体应用的详细内容1-2CCD元件数码CCD的结构和传统（模拟）CCD的结构几乎完全相同，区别在于数码CCD装有一种称为CCD元件。该图像传感器类似于传统CCD中的胶卷并将图像捕获为数字信息，但它如何将图像转换为数字信号？CCD元件代表电荷耦合器，是一种将图像转换为数字信号的半导体部件。它的高度和宽度均为1cm左右，由排列成网格状小像素组成。在使用CCD拍照时，从目标处反射的光线穿过透镜，在CCD上组成图像。当CCD上的像素接受光线时，就会产生与光强度相对应的电荷。该电荷被转换为电子信号，以获取各个像素接受的光强度（浓淡度）。也就是说，每个像素都是一个可检测光强度的传感器（光电二极管），一个2百万像素的CCD就是2百万个光电二极管的集合。第1卷基本原理1CCD（像素）和图像处理基本原理捕获的图像异物捕获的图像CCD图像传感器3303030903030909090909090903030909090909090光电传感器可检测特定位置上是否存在特定大小的目标物。但是，单个传感器无法有效地进行更复杂的应用，例如，检测不同位置上的目标物、检测并测量不同形状的目标物或进行全面的位置和大小测量。作为数十万甚至数百万个传感器的集合，CCD可大幅拓展可能的应用范围，包括第一页中的四大应用类别。1-2节总结CCD是数十万甚至数百万个传感器的集合，可实现单个传感器很难进行的应用。1-3使用像素数据进行图像处理本指南的最后一节将简要叙述每个像素将光强度转换为有用数据，然后传送到控制器进行处理的方法。独立像素数据（在使用标准黑白CCD的情况下）在很多影像系统中，每个像素根据光强度传送256级数据（8位）。在进行单色（黑白）处理时，黑色被认作“0”，白色被认作“255”，从而允许将每个像素接受的光强度转换为数值数据。也就是说，CCD的所有像素均为0（黑色）到255（白色）之间的值。例如，灰色包含一半黑色一半白色，它将被转换为“127”。图像是256级数据的集合使用CCD捕获的图像数据是组成CCD的像素数据的集合，并且像素数据被再现为256级对比度数据。如右例所示，图像数据通过各个值在0到255之间的像素表现出来。所谓图像处理，就是通过下列各种计算方法计算每个像素的数值数据以找出图像特征的处理过程。例：污点/缺陷检测检测区域被划分为小块，称为段，将段中的平均强度数据（0到255）与周围区域的数据进行比较。作为比较结果，超过指定强度差异的点被检测为污点或缺陷。将一个段（4x4像素）的平均强度与周围区域进行比较。在上例中，红色段被检测出有污点。总结影像系统可通过每个CCD元件像素的256级强度数据检测区域（像素数）、位置（强度变化点）及缺陷（强度量变化）。通过选择具备更高像素级别和速度的系统，您就可以轻松扩展针对您所在行业的应用范围。下期主题是“镜头选择基本要点及对图像处理的影响”.由于图像处理需要通过计算检测强度变化，因此必须捕获清晰的图像，以确保稳定的检测。下期指南将重点介绍获取清晰图像所需使用的透镜和照明方法。像素（光电二极管）（放大后的CCD图示）CCD元件图像约9mm256级亮度的图像0暗亮度亮级别255原始图像以2500个像素表现左侧的图像眼部被放大，以256级数据表示眼部的值为30，非常接近黑色，周边区域的值90，比30更亮。42-1典型的图像处理步骤图像处理大致分为以下四步。1捕获图像松开快门并捕获图像2传送图像数据从CCD将图像数据传送到控制器3增强图像数据预处理图像数据以增强特征4检测处理：在图像数据上测量瑕疵或尺寸检测并将处理后的结果以信号形式输出到连接的控制设备上（PLC等）图像处理流程图许多影像系统制造商着重阐述第三步“处理图像数据”，并强调其生产的控制器的处理能力。然而，第一步“捕获图像”才是实现稳定、精确的图像处理的最重要的一步。实现第一步的关键点在于正确选择透镜和照明系统。本基础指南详细说明如何通过选择合适的透镜成功捕获图像。2-2使用清晰图像进行图像处理的效果在检测杯子中的异物/瑕疵时，下列两幅图像哪一幅更适合检测整个待检区域中的小瑕疵？右图即使使用高性能控制器，也很难稳定地检测左侧的图像。通过正确的知识组合，就能够很轻松地创建类似右图的高清图像。要了解详细内容，请参见下一页中的第三节“以大景深聚焦图像”。要点2-2清晰的图像是图像处理中最重要的部分。要进行高精度、稳定的检测，以下三点必不可少。捕获目标物的大图像聚焦图像聚焦图像确保图像明亮清晰第2卷基本原理2镜头选择基本要点及对图像处理的影响问答1.捕获图像2.传输图像数据3.处理图像数据4.输出结果反射光CCD图像数据预处理检测处理判断/输出判断输出数据输出照明校正二进制转换过滤色彩提取等区域传感器（区域）图案匹配（形状）等容差设置照明目标物控制器由于杯子较高，很难同时聚焦杯口和杯底从杯口到杯底完全聚焦的图像52-3镜头原理及选择方法1镜头结构CCD镜头由多个透镜、可变（亮度）光圈和对焦环组成。应由操作员观察CCD显示屏来调整可变光圈和焦点，以确保图像“明亮清晰”（有些镜头有固定调节系统）。*在选择镜头时需要考虑多个方面，例如视场、焦距、焦点及失真。本指南着重说明对于所有应用都十分重要的两个方面，即“选择与视场相符的透镜”及“以大景深聚焦图像”。2镜头的焦距和视场焦距是透镜规格之一。一般适合工厂自动化的透镜的焦距为8mm/16mm/25mm/50mm。通过目标物所需视场及透镜的焦距，可确定WD（工作距离）。工作距离和视场大小由焦距和CCD大小来决定。在不使用近摄环的情况下，可套用以下比例表达式。工作距离：视野=焦距：CCD大小例1:假设焦距为16mm，CCD大小为3.6mm，则工作距离应为200mm，这样才能使视场等于45mm。3以大景深聚焦图像（在透镜可聚焦物体的范围内变动）1焦距越短，景深越大2镜头离物体的距离越远，景深越大近摄环和微距镜使景深变小3光圈越小，景深越大小光圈和良好的光线使聚焦更简单可变（亮度）光圈对焦光圈视野工作距离焦距透镜CCD大小工作距离=200mm16mm3.6mm45mm例1光圈关闭时（CA-LH25）光圈打开时（CA-LH25）CCD已安装在如图所示的位置。斜面上放有表示高度的卷尺。在该情况下拍摄照片以比较光圈。CCD视场卷尺(3mm)15mm45°64镜头性能造成的对比度差异右图是由KEYENCE高分辨率CA-LH16镜头和标准CV-L16镜头捕获的图像。图像质量的差异是由透镜材料及结构所造成。使用高分辨率镜头就可以生成高对比度的图像。所用的镜头CA-LH16/CV-L16目标物复印纸视场60mm/污点大小：约0.3mm例1:检测缺陷24万像素CCD和2百万像素CCD的比较右侧的图像为同一图像，分别由KEYENCE24万像素CCD和2百万像素CCD捕获，并通过大。哪一幅图像显示的文字更清晰？毫无疑问是2百万像素CCD捕获的图像。在使用图像处理技术时，图像质量的差异直接影响到检测精度。根据应用选择CCD也很重要。5镜头失真什么是失真？失真就是捕获图像的中央区域和边缘区域之间的变化率。由于镜头的像差，在捕获图像的边缘位置上更容易看到失真。失真分为两种：桶形失真和枕形失真。一般而言，失真值的绝对值越小，镜头提供的精确度就越高。例如，失真较少的镜头应用于尺寸测量。长焦距的镜头通常失真较少。总结高质量图像是图像处理的基础。以下是选择镜头的基本知识：确保针对目标物选择合适的视场可聚焦整个图像可通过合适的亮度增强目标物及其背景间的对比度下期主题是“选择照明的逻辑步骤”。在使用图像处理技术时，除本指南中讨论的透镜选择技巧外，照明选择也是决定检测精确度的重要因素。下一期指南将概述选择合适照明方式的要点。高分辨率透镜标准透镜CA-LH16CV-L16传统图像（24万像素）放大图像的比较即使放大，2百万像素图像依然显示清晰的边缘。2百万像素污点级别54污点级别38桶形失真枕形失真73-1选择照明的三个步骤图像处理大体由以下三个步骤组成。1确定照明类型（镜面反射/漫反射/透射光）。确认检验特征（瑕疵、形状、存在/不存在等）。检查表面是否平整、翘曲或不平。2确定照明装置的形状与大小。检查目标的尺寸与安装条件。示例：环形、低角度、同轴、圆顶。3确定照明的颜色（波长）检查目标与背景的材质和颜色。示例：红、白、蓝。虽然上述三个步骤有助于缩小选择范围，但要作出最终决定，还要根据CCD获取并投影到显示器上的图像。3-2照明选择：步骤1（镜面反射、漫反射、透射光）LED照明大体可分为以下三种类型：1镜面反射型：光线照射到目标上，镜头接收到直接反射的光线。2漫反射型：光线照射到目标上，镜头接收到均匀的环境光线。3透射光型：光线照射到目标上，镜头接收到透射剪影。1镜面反射的图像示例检验金属表面上是否存在刻字有必要反映出平整金属表面与刻字凹陷之间的差异。由于金属表面能很好的反射光线，而刻字则不能，因此，最优方法是使用镜面反射来凸显表面与刻字之间的差异。第3卷基本原理3选择照明的逻辑步骤典型照明装置（LED照明）的形状同轴垂直低角度直接环状背光穹顶Bar镜面反射透射光入射光工件漫反射吸收漫透射光刻字不清楚。刻字很清楚。82漫反射的图像示例透过透明薄膜检验芯片上的印刷图案有必要通过消除透明薄膜上的反射（晕光）来反映出芯片表面与印刷图案之间的差异。.最优方法是使用漫反射来防止在透明胶带上发生镜面反射。3透射光的图像示例检验非织造织物上的异物有必要反映出目标表面与异物之间的差异，但由于在颜色上只有细微的差别，这很难辨别。即便使用反射光检测不到任何差异，通过使用透射光从目标背面照射，也可以显示出异物的黑色剪影。要点3-2选择照明方式的第一步是决定最有效的类型。选择镜面反射，扩散反射还是透射照明将视目标的颜色，形状，以及需要检测的瑕疵或缺陷而定。第二步是选择照明的正确大小和颜色，通过强调所选的目标特点使检测变得稳定。3-3照明选择：步骤2（照明方法与形状）1镜面照明的图像示例在玻璃板边缘上检测根据工件特征与检测细节选择照明1)照明在玻璃表面上发生反射。2)有必要凸显玻璃板与背景之间的差异。3)最好沿垂直于工件的方向进行照明。4)在工件上可以加一块隔板。最佳的选择是同轴垂直照明。照明在薄膜表面上发生反射。异物的剪影清晰可辨。简单的反射光可以均匀照亮整个玻璃表面。同轴垂直照明照明在薄膜表面上发生反射。图像不受薄膜的影响。92漫反射的检测示例检验橡胶缺损根据工件特征与检测细节选择照明1)工件是不反射镜面光线的黑色橡胶。2)存在缺损的区域也是黑色的，因而不反射镜面光。3)事实证明，从