机器视觉测量系统

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Xian Jiaotong University,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,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,，则相对孔径；,镜头上以,1/F,表示光圈值,，如，,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，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,、,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）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。,接口类型,C,接口,CS,接口,镜头定位面至光敏面距离,17.5mm,12.5mm,是否可以连接,C,接口相机,是否可以连接,CS,接口相机,（需加装节圈）,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。,黑,/,白,彩色,使用地区,RS-170,NTSC,北美、日本、台湾等,CCIR,PAL,欧洲、中国等,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。,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,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 !,