第7章机器视觉测量系统.ppt

现代检测技术 第七章 机器视觉测量系统,精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事,主要内容,图像传感器,图像测量系统,视觉检测的主要应用,ccd,照明、镜头、图像传感器、图像采集、图像处理,尺寸测量、模式识别、目标检测、三维重构,ccd摄像器件的性能参数,灵敏度,分辨率,信噪比,光电转换特性,光谱响应,暗电流,7-1 图像传感器,7-1 图像传感器,7-1 图像传感器,7-1 图像传感器,7-2 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,7-2-1 照明,光源 照明技术 不同光源与照明技术效果举例,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。,7-2-1 照明,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,7-2-1 照明,光源,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。,7-2-1 照明,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、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、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。,7-2-1 照明,卤素光源（仪器用）,7-2-1 照明,led光源（ccs公司）,7-2-1 照明,环形led光源,7-2-1 照明,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。,7-2-1 照明,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,7-2-1 照明,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。,7-2-1 照明,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,7-2-1 照明,不同光源与照明技术效果举例,用碗状照明消除晕眩光,7-2-1 照明,不同光源与照明技术效果举例,用透射光检查物体的有无,7-2-1 照明,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,7-2-1 照明,不同光源与照明技术效果举例,红外线照明,7-2-1 照明,不同光源与照明技术效果举例,红外线照明,7-2-1 照明,不同光源与照明技术效果举例,紫外线照明,7-2-1 照明,偏振光照明,不同光源与照明技术效果举例,7-2-1 照明,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；图镜子上油脂指印；图光盘上油脂指印,7-2-1 照明,不同光源与照明技术效果举例,偏振光照明,8-2-2,7-2-1 照明,小结：思考问题,1 一个典型的机器视觉图像测量系统包括哪些环节？ 2 光源的种类有哪些？为了得到更适合于测量目的的图像，光源的投射方式分别有哪些？,7-2-2 镜头,镜头的视野、景深和焦距示意图,7-2-2 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,选择镜头的关键参数,物镜的焦距f 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,即入瞳，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，光圈每增加一档，光照度增加一倍； 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。,8-2-2,7-2-2 镜头,选择镜头,pmag：镜头的放大倍数,7-2-2 镜头,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,7-2-2 镜头,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。,7-2-2 镜头,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：,7-2-2 镜头,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：,选择镜头,7-2-2 镜头,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,7-2-2 镜头,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。,7-2-3 视频,信号扫描方式：逐行扫描和隔行扫描 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,7-2-3 视频,图像采集,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。,7-2-3 视频,7-2-4 图像处理技术,滤波技术 图像增强 边缘检测 特征提取 图像压缩 图像编码 ,7-3 视觉检测应用,二、模式识别技术,五、缺陷检测技术,一、尺寸测量技术,六、图像融合技术,四、三维重构技术,三、目标检测与跟踪技术,7-3-1 尺寸测量技术,长度 面积 圆 线弧 角度 ,测量对象,最小二乘 hough变换 区域标记 轮廓矢量 曲率识别 harris角点 ,测量方法,7-3-1 尺寸测量技术,长度测量齿长测量,1,在工件图中设置待测齿长区域； 2,对区域内的图像进行边缘提取； 3,对提取到的边缘进行逐行扫描，分别获得其上、下两条边的边缘点； 4,根据得到的边缘点分别拟合出上、下两条边的直线； 5,计算两条直线间的距离作为齿长结果。,7-3-1 尺寸测量技术,长度测量线段测量,通过harris角点法确定角点； 通过轮廓提取法得到边缘； 结合轮廓信息对角点精确定位； 计算线段长度。,7-3-1 尺寸测量技术,圆测量 单圆测量：最小二乘法、hough变换法和加速算法（首先通过圆面积测量求出圆半径）。,圆的拟合,7-3-1 尺寸测量技术,角度测量根据前述方法得到每段直线段方程，根据斜率即可得到夹角。,7-3-2 模式识别技术,指对图像中各种物理对象的分类与描述技术，包括字符识别、条码识别、车牌识别、工件识别和医学图像识别等。 字符识别：印刷体, 扫描输入文本图像； 图像的预处理，包括倾斜校正和滤除干扰噪声等； 图像版面的分析和理解； 图像的行切分和字切分； 基于单字图像的特征选择和提取； 基于单字图像特征的模式分类； 将被分类的模式赋予识别结果。,7-3-2 模式识别技术,7-3-3 目标检测与跟踪技术,目标跟踪技术指对图像序列中的运动目标进行检测、提取、识别和跟踪，获得运动目标的运动参数，如位置、速度、加速度以及运动轨迹等，从而进行下一步的处理与分析，实现对运动目标的行为理解。 主要应用：行人跟踪、车辆跟踪、智能交通和安全监控等； 分类：静态背景下运动目标检测、动态背景下运动目标检测；,7-3-3 目标检测与跟踪技术,静态背景下运动目标检测： 相邻帧间差分法：取相邻两帧图像间灰度差异较大的区域 背景差分法：预先建立背景模型，需要经常更新背景。常用的非回归型背景建模法包括中值滤波和基于统计理论背景恢复，常用的回归型背景建模法包括近似中值滤波、卡尔曼滤波和混合高斯滤波。,7-3-3 目标检测与跟踪技术,检测实例,（a）图像序列第187帧 （b）187帧时的背景图 （c）差分图像二值化,（d）腐蚀运算结果 （e）膨胀运算结果 （f）目标标定结果,7-3-4 三维重构技术,接触式与非接触式三维测量,（a）三坐标测量机 （b）机械测量臂,（a）物体 （b）采集的图像 （c）重构结果,接触式与