机器视觉基础知识详解

机器视觉基础知识详解 随着工业4.0时代的到来，机器视觉在智能制造业领域的作用越来越重要，为了能让更多用户获取机器视觉的相关基础知识，包括机器视觉技术是如何工作的、它为什么是实现流程自动化和质量改进的正确选择等。小编为你准备了这篇机器视觉入门学习资料。 机器视觉是一门学科技术，广泛应用于生产制造检测等工业领域，用来保证产品质量，控制生产流程，感知环境等。机器视觉系统是将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种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。 机器视觉优势：机器视觉系统具有高效率、高度自动化的特点，可以实现很高的分辨率精度与速度。机器视觉系统与被检测对象无接触，安全可靠。人工检测与机器视觉自动检测的主要区别有：为了更好地理解机器视觉，下面，我们来介绍在具体应用中的几种案例。案例一：机器人+视觉 自动上下料定位的应用：现场有两个振动盘，振动盘1作用是把玩偶振动到振动盘2中，振动盘2作用是把玩偶从反面振动为正面。该应用采用了深圳视觉龙公司VD200视觉定位系统，该系统通过判断玩偶正反面，把玩偶处于正面的坐标值通过串口发送给机器人，机器人收到坐标后运动抓取产品，当振动盘中有很多玩偶处于反面时，VD200视觉定位系统需判断反面玩偶数量，当反面玩偶数量过多时，VD200视觉系统发送指令给振动盘2把反面玩偶振成正面。该定位系统通过玩偶表面的小孔来判断玩偶是否处于正面，计算出玩偶中心点坐标，发送给机器人。通过VD200视觉定位系统实现自动上料，大大减少人工成本，大幅提高生产效率。案例二：视觉检测在电子元件的应用： 此产品为电子产品的按钮部件，产品来料为料带模式，料带上面为双排产品。通过对每个元器件定位后，使用斑点工具检测产品固定区域的灰度值，来判断此区域有无缺胶情况。该应用采用了深圳视觉龙公司的DragonVision视觉系统方案，使用两个相机及光源配合机械设备，达到每次检测双面8个产品，每分钟检测大约1500个。当出现产品不良时，立刻报警停机，保证了产品的合格率和设备的正常运行，提高生产效率。案例三：啤酒厂采用的填充液位检测系统案例：当每个啤酒瓶移动经过检测传感器时，检测传感器将会触发视觉系统发出频闪光，拍下啤酒瓶的照片。采集到啤酒瓶的图像并将图像保存到内存后，视觉软件将会处理或分析该图像，并根据啤酒瓶的实际填充液位发出通过-未通过响应。如果视觉系统检测到一个啤酒瓶未填充到位，即未通过检测，视觉系统将会向转向器发出信号，将该啤酒瓶从生产线上剔除。操作员可以在显示屏上查看被剔除的啤酒瓶和持续的流程统计数据。机器视觉的应用领域:识别标准一维码、二维码的解码光学字符识别（OCR）和确认（OCV）检测色彩和瑕疵检测零件或部件的有无检测目标位置和方向检测测量尺寸和容量检测预设标记的测量，如孔位到孔位的距离机械手引导输出空间坐标引导机械手精确定位机器视觉系统的分类智能相机基于嵌入式基于PC机器视觉系统的组成图像获取：光源、镜头、相机、采集卡、机械平台图像处理与分析：工控主机、图像处理分析软件、图形交互界面。判决执行：电传单元、机械单元光源-光路原理照相机并不能看见物体，而是看见从物体表面反射过来的光。镜面反射：平滑表面以对顶角反射光线漫射反射：粗糙表面会从各个方向漫射光线发散反射：多数表面既有纹理，又有平滑表面，会对光线进行发散反射光源-作用和要求在机器视觉中的作用照亮目标，提高亮度形成有利于图像处理的效果克服环境光照影响，保证图像稳定性用作测量的工具或参照良好的光场设计要求对比度明显，目标与背景的边界清晰背景尽量淡化而且均匀，不干扰图像处理与颜色有关的还需要颜色真实，亮度适中，不过曝或欠曝；光源-光场构造明场： 光线反射进入照相机暗场：光线反射离开照相机光源-构造光源使用不同照明技术对被测目标会产生不同的影响，以滚珠轴承为例：相机种类：线&面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高、CCD/CMOS指标：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感应曲线、动态范围、灵敏度、速度噪声、填充因子、体积、质量、工作环境等工作模式：Free run、Trigger（多种）、长时间曝光等传输方式：GIGE，Cameralinker,模拟相机-按照图像传感器区分CCD相机（Charge Coupled Device） ：使用CCD感光芯片为图像传感器的相机,集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。 CMOS相机(Complementary Metal Oxide Semiconductor )：使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机 ,将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。 相机-按照输出图像颜色区分：单色相机：输出图像为单色图像的相机。 彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。相机-按输出信号区分 模拟信号相机：从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信号后再传到图像采集卡中。 数字信号相机：信号自传感器中的像素输出后，在相机内部直接数字化并输出。数字相机又包含1394相机、USB相机、Gige相机、CameraLink相机等 相机-按照传感器类型区分面扫描相机：传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图像为二维“面”图像。线扫描相机：传感器上呈线状（一行或三行）分布的相机，其所成图像为一维“线”图像。相机-CMOS VS CCDCCDCMOS串行处理并行处理光线灵敏度高，图像对比度高光线灵敏度低，图像对比度低，高动态范围低噪声存在固定模式噪音集成度较低高集成度，芯片上集成了很多功能取图速度慢，帧率低取图速度块，帧率高功耗一般功耗较低成本较高成本低相机-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：1：1，4：3，3：2 等。相机-像素 是成像于相机芯片的图像的最小组成单位。以200万像素的相机为例，满屏有1600*1200个像素,成像于1/1.8英寸大小的CCD芯片。相机-分辨率 由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：1920（H）x 1080(V)，前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元，后面的数字表示像元的行数，即1080行。相机-帧率和行频 由相机的帧率/行频表示相机采集图像的频率，通常面阵相机用帧率表示，单位fps（Frame Per second），如30fps,表示相机在1秒钟内最多能采集30帧图像；线性相机通常用行频表示，单位KHz,如12KHz表示相机在1秒钟内最多能采集12000行图像数据。相机-快门速度（Shutter Speed） 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。 卷帘快门（Rolling Shutter）：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（Global Shutter）：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。相机-智能相机 智能工业相机是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。智能工业相机一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成。由于应用了最新的 DSP、FPGA及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需求。 镜头-主要参数工业的镜头大都是多组镜片组合在一起的。计算时会忽略厚度对透镜的影响将其等效成没有厚度的播透镜模型，即理想凸透镜。参数：焦距/视场/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍数/畸变/接口分辨率：对色彩和纹理的分辨能力。畸变：镜头中心区域和四周区域的放大倍数不相同。畸变的校正一般用黑白分明的方格图像来进行，过程并不复杂。一般如果畸变小于2%，人眼观察不到；若畸变小于CCD的一个像素，摄像机也看不见。镜头-分类CCTV镜头专业摄影镜头远心镜头镜头-远心镜头在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样也会产生测量误差。采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。