机器视觉测量系统

现代检测技术 机器视觉测量系统,精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事,Xian Jiaotong University,主要内容,图像传感器,图像测量系统,图像处理技术,CCD, CMOS,照明、镜头、图像传感与采集、中央处理器,基本概念、图像增强、图像分析,Xian Jiaotong University,图像测量系统,控制中枢、图像处理,照明,镜头、图像传感器,图像采集,视频信号,Xian Jiaotong University,照明,光源 照明技术 不同光源与照明技术效果举例,Xian Jiaotong University,光源,方向 直射光：入射光基本上来自一个方向，入射角小，被照射物体有阴影； 散射光：入射光来自多个方向，不会投射出明显阴影。,Xian Jiaotong University,光谱 光的组成成份，如日光由从紫外到红外的所有光谱组成。 取决于光源的类型和光学滤色镜。 可见光光谱如图所示：,光源,Xian Jiaotong University,光源,偏振性，又称极化光 一般光波的震荡方向是不定的，极化光的震荡方向处在一个确定的平面上。 在镜面反射中保留了定向性，可以借此消除镜面反射光的影响。,强度 光照强度会影响摄像头的曝光，光线不足会造成对比度降低，噪声过大； 光线过强会造成图像饱和，能量浪费以及散热等问题。,均匀性 在所有机器视觉应用中，都要求均匀的光照。照射强度会随距离和角度偏离而减小，需要特别考虑。,Xian Jiaotong University,光源,光源的种类 按发光器件：卤素等、荧光等、LED灯、氙（xian）灯等； 按几何形状：环形、方形、穹型、长条型灯； 按发光特性：点光源、线光源、面光源等； 按照射角度：直射、间接、掠射、同轴、平行等。 LED灯：颜色丰富、发光效率高、响应速度快、体积小、发热小、功耗低、发光稳定、寿命长、易于组成不同形状的光源，是重要的光源发展趋势。,Xian Jiaotong University,照明技术,物体的反射特性 镜面式反射；漫反射,Xian Jiaotong University,照明技术,颜色 相加色：两种或三种波长组合成某种波长光的效果。 相减色：反射时从光谱中去除某些波长的光。,光学密度、折射率、纹理、表面方向,Xian Jiaotong University,照明技术,正向照明 镜面：光线直接反射进入镜头； 离轴照明：光源在镜头轴线侧面、避开了镜面反射； 半漫射照明：光照较均匀，如环形光； 漫射照明：光线来自所有方向，镜面反射最少； 黑场：光线与镜头视线方向垂直。 背光照明 漫射式：光源+平板，背面照射； 凝聚式：使用镜头将光线集中于一个方向； 黑场：适用于检测透明物体中的裂痕、气泡等。,Xian Jiaotong University,不同光源与照明技术效果举例,高角度亮场与低角度暗场,光照强、较均匀,光滑表面的文字、伤痕等纹理检测,Xian Jiaotong University,不同光源与照明技术效果举例,从边上的黑场照明,最适合凹凸不平表面及表面缺陷，缺点是阴影太大。,Xian Jiaotong University,不同光源与照明技术效果举例,用明视野和暗视野照明对比,Xian Jiaotong University,不同光源与照明技术效果举例,用碗状照明消除晕眩光,Xian Jiaotong University,不同光源与照明技术效果举例,用透射光检查物体的有无,Xian Jiaotong University,不同光源与照明技术效果举例,光源的颜色差异,中心部有银色涂层的铜框架,Xian Jiaotong University,不同光源与照明技术效果举例,红外线照明,Xian Jiaotong University,不同光源与照明技术效果举例,红外线照明,Xian Jiaotong University,不同光源与照明技术效果举例,紫外线照明,Xian Jiaotong University,偏振光照明,不同光源与照明技术效果举例,Xian Jiaotong University,偏振光照明,不同光源与照明技术效果举例,图镜子上灰尘指印，掠射；图镜子上油脂指印，暗视场；图光盘上油脂指印，暗视场,Xian Jiaotong University,不同光源与照明技术效果举例,偏振光照明,Xian Jiaotong University,镜头,镜头的视野、景深和焦距示意图,Xian Jiaotong University,镜头,基本概念 成像面：被测物及其背景通过镜头投影到二维图像传感器平面，一般是长宽比为4:3的矩形； 视野（Field of View，FOV）：与成像面对应的景物平面范围； 工作距离（Work Distance，WD）：被测物到物镜的距离； 景深：以镜头最佳聚焦WD为中心，前后存在一个范围，在此范围内的物体能够清晰成像，这个范围被称为景深（Depth of View，DOV） 焦距,Xian Jiaotong University,选择镜头的关键参数,物镜的焦距f f决定了物体在成像面成像的大小，焦距越长，成像越大； f可以短到几毫米，长达数十米； 变焦距镜头可以通过调节焦距获得不同的放大倍数。 相对孔径F=D/f（光圈） D是镜头中光线能通过的有效圆孔直径，D越大，收集的光线越多；如f = 50mm，D = 8.9mm，则相对孔径F= 8.9/50=1/5.6； 镜头上以1/F表示光圈值，如3.4，5.6，8，11，16等，光圈每增加一档，光照度增加一倍；,Xian Jiaotong University,相对孔径F=D/f（光圈） F越大，景深越短；光圈越小，景深越长。为了获得较大景深的清晰图像，可以采取加大光强，减小光圈的方法。 视场角 物镜的视场角决定了成像面上良好成像的空间范围。 当成像面尺寸一定时，f越长，视场角越小。反之视场角越大。,选择镜头的关键参数,Xian Jiaotong University,选择镜头,PMAG：镜头的放大倍数,Xian Jiaotong University,选择镜头,如何选择焦距,WD：工作距离 Ho：视野的高度 Hi：相机有效成像面高度,PMAG：镜头的放大倍数 LE：镜头像平面的扩充距离为实现聚焦像平面后移,LE = Di-f = PMAG*f,Xian Jiaotong University,选择镜头,物距WD、放大倍数PMAG和焦距f的关系,利用上式可通过被测物尺寸（Ho）、物距（WD）和像平面高度（Hi）计算出所需镜头的焦距f。,LE = Di-f = PMAG*f,Xian Jiaotong University,选择镜头,普通镜头选择步骤： 获得物体至镜头的距离WD，如果是一个范围，取中间值； 计算图像放大倍数PMAG； 利用公式计算所需的焦距； 选取与计算值最接近的标准镜头产品，并取其焦距值； 根据所选镜头焦距重新核算镜头到物体的距离WD。 举例：,物体至镜头的距离在10cm30cm范围内，取WD=20cm。 设视场高度为6cm，传感器成像面高度为6.6mm，则镜头放大倍数为：,Xian Jiaotong University,计算所需镜头焦距： 标准镜头焦距：8mm、12.5mm、16mm、25mm和50mm 16mm镜头的焦距最接近计算值，使用该值重新计算WD： 镜头的扩充距离为： 如果镜头扩充距离不够，可以通过垫圈（1mm或0.5mm）调节聚焦机构获得所需扩充距离。,选择镜头,Xian Jiaotong University,镜头的分类,按镜头接口 CCTV（C-MOUNT）：又称C接口镜头，采用螺纹式固定方式，在机器视觉中应用最广泛，具有重量轻、体积小、价格便宜、品种多等优点。 CS-MOUNT是C接口的一种变形，二者区别在于镜头的定位面到图像传感器光敏面的距离不同。C接口相机与CS镜头连接不能获得良好聚焦，而且会损坏CCD靶面。,Xian Jiaotong University,C接口镜头产品,1，连接C-接口视觉 传感器的螺纹 2，根据型号可选塑料 或金属外壳 3，有各种尺寸的标准型,高能型和百万像素型的镜头 4，带焦距锁定 5，可选C-接口增倍镜,Xian Jiaotong University,F接口尼康工业镜头；V接口施耐德工业镜头 35mm相机镜头（35mm是胶片宽度）：即最常见的135相机使用的镜头，采用卡口式固定方式，不同相机品牌的镜头规格通常不一致，不具有互换性；在振动环境中会产生移动，在机器视觉系统中较少采用。,Canon,Nikon,镜头的分类,Xian Jiaotong University,按等效焦距 广角镜头：景深大，WD短，视角大，易出现桶形失真； 长焦距镜头：WD大，放大倍数大，易出现枕形失真； 中焦距镜头：f约在50mm和200mm之间，最常用镜头； 按镜头所具有的功能 变焦距镜头（自动调焦） 变光圈镜头（自动光圈） 远心镜头：可以产生正交投影拍摄效果； 微距镜头：拍摄微小物体，放大倍数在0.252之间。 显微镜头：成像比例大于10倍。 紫外镜头、红外镜头：专门针对紫外光或红外光折射特性设计的镜头。,镜头的分类,Xian Jiaotong University,视频信号,视频信号是机器视觉系统的关键，关系到摄像机和采集卡的配合、视频系统的设计和调试等。 分为黑/白和彩色两大类，又分为模拟和数字视频。模拟视频分为标准和非标准视频，数字视频包含多种数字格式。 标准视频信号的周期、时间间隔、幅度等有明确规定，又称为闭路电视CCTV（Closed Circuit Television）。 非标准视频信号多用于工业、医学、仪器等领域的视觉系统。,Xian Jiaotong University,标准黑白视频信号 隔行扫描,视频信号,隔行的帧图像和奇偶场图像之间的关系,Xian Jiaotong University,包含灰度信号、同步信号和消隐信号（零电平），零电平的上部是灰度图像，零电平处为全黑，零电平的下部是行、场同步信号，包括奇场和偶场的识别脉冲信息等。,视频信号,全电视信号同步信号,Xian Jiaotong University,标准彩色视频信号 RGB彩色信号：分辨率最高，未经压缩，灰度损失量最小；需要传送RGB信号和行场同步信号。 YUV分量式（YCrCb）：Y是黑白全电视信号，UV表示色度（颜色的色调和饱和度）；图像细节主要取决于Y分量，因此可以对U、V分量压缩，减少带宽。 Y = 0.299R+0.587G+0.114B U = Cr = 0.713(R-Y) , V = Cb = 0.564(B-Y) S-Video（Y/C格式）：为了把YUV信号进一步混合，用一个4.33MHz的正弦和余弦波分别对U和V进行幅度调制，然后叠加到一起，叠加后的信号相位和幅值中包含了色调和饱和度信息，视频信号可以通过两根线传递。,视频信号,Xian Jiaotong University,彩色全电视信号：用一根电缆传送信号，且与黑白电视信号兼容。Y信号是以行频为重复周期的周期信号，其频谱为离散谱，选择UV载波频率，使调制后的C信号频谱落在Y频谱的空隙内，则Y和C信号不会“互相干扰”。 RGB、YUV、S-Video和彩色复合视频信号的信号形式越来越紧凑，也越来越难以精确恢复到RGB形式，因此在条件许可的情况下，应尽量按照顺序选择高质量的信号形式。,视频信号,Xian Jiaotong University,非标准视频信号 非标准的时序：不能用标准视频采集卡和解码电路处理，大多数医疗设备和计算机VGA输出都是非标准视频。 百万级像元的分辨率：CCIR标准摄像机代表分辨率为768*576，非标准视频信号已经超过百万像素分辨率。 逐行扫描：不分奇偶场，一场扫描得到一帧图像信号。隔行扫描的图像只能用于观看为目的的场合，不能用于运动物体的检测。,视频信号,Xian Jiaotong University,数字视频 A/D转换在摄像机内部进行，集成度高，受外界干扰小，时钟精准。 以计算机标准总线信号形式传输时，不需要采集卡。 常用数字视频格式标准包括： LVDS（低电压差分信号装置）和RS-644：传输速度大于400MHz；只定义了一个信号发送和接收的电气特性，没有定义传输协议、连接方式和接插件细节。 Camera link接口协议：规范了摄像机和采集设备的连接方式，基本传送单元是LVDS。 通用计算机接口USB2.0和FireWire (IEEE 1394),视频信号,Xian Jiaotong University,图像采集卡,图像采集卡（Image Grabber）又称为图像卡，将传感器输出的图像视频信号以帧为单位传送到计算机进行处理、存储或显示。,黑白图像采集卡结构图,Xian Jiaotong University,图像采集卡的重要参数： 黑、白参考电平、亮度调节、对比度调节 箝位（直流恢复）：A/D参考电平恢复 A/D转换精度：8位、9-12位 采集速度：数据速率=每帧总采集点数转换精度帧速率 总线结构：PCI-Experss总线。,图像采集卡,Xian Jiaotong University,图像采集卡,选择图像采集卡时需要考虑以下几个问题： 所支持的相机类型：相机有面扫描和线扫描之分，输出形式有RS422、RS644、IEEE1394以及Camera link等，图像可能是8、10、12、14、16、24和32位黑白或彩色图像。 数字I/O口：当采用多相机方案时，要考虑多路视频信号的同步性，要求图像采集卡支持多路输入输出。 数据流量：瞬间数据流量太大就可能导致数据的丢失，为了解决这个问题，图像采集卡上应该有数据缓存。,Xian Jiaotong University,汽车伞齿轮缺陷检测系统,Xian Jiaotong University,汽车伞齿轮缺陷检测系统,Xian Jiaotong University,作业,1 一个典型的机器视觉图像测量系统包括哪些环节？ 2 为了得到更适合于测量目的的图像，可以选取哪些种类的光源？光源的投射方式分别有哪些？ 3 电视信号的扫描方式是什么？它可以用于机器视觉中运动目标的检测么？为什么？,Thank You !,