机器视觉第二章课件.ppt

第二章 机器视觉系统的组成,一般机器视觉系统： 相机、镜头、光源、运动系统,2.1 （工业）相机 相机的作用是使汇聚在像平面的光线生成图像。 相机中最为重要的部件是数字传感器。数字传感器有CCD传感器和CMOS传感器。这两种传感器的不同点是由于其自身的结构不同而使得其对数据的读出方式不同。 CCD传感器相机适合高速动态； CMOS传感器相机适合低速动态或静止。,2.1.1 CCD传感器 Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。 线阵CCD传感器 面阵CCD传感器 全帧转移型面阵CCD传感器 隔列转移型面阵CCD传感器,线阵CCD传感器只能生成高度为1行的图像，因此常通过多行组成二位图像。为了得到有效图像，线阵CCD必须相对于被测物做相对运动。一种方法是将传感器安装在运动的被测物体上方。第二种是被测物体不动而传感器运动如平板扫描仪。,全帧型面阵CCD传感器的原理是光在光电探测器中转化为电荷，电荷按行转移到串行读出寄存器，之后转移到电荷转化单元转化为电压并放大。 全帧转移型面阵CCD传感器优点是填充因子达到100%。这个填充因子使得像素的光灵敏度最大，图像失真最小；缺点是成本高。,隔列转移型传感器由漏极、光电探测器、屏蔽垂直转移寄存器、串行读出寄存器和电荷转化单元组成。图像曝光后，累积的电荷通过门电路转移到屏蔽垂直转移寄存器。电荷再通过屏蔽垂直转移寄存器转移到串行读出寄存器。,隔列转移型面阵CCD传感器的优点是图像没有拖影；缺点是填充因子低。为了提高填充因子，常在传感器上加微镜头使光聚集到光电探测器上。,2.1.2 CMOS传感器 CMOS （Complementary Metal Oxide Semiconductor），互补金属氧化物半导体。 CMOS传感器中光电探测器通常为光电二极管。与CCD传感器不同的是，CMOS传感器中的每个光电探测器不是按顺序读出的，而是通过行和列选择开关直接选择并读出。CMOS传感器里的每个像素都有独立的放大器，这种传感器也称为主动传感器（APS）。由于CMOS传感器常用于数字视频输出，所以每个像素通过模数转换并行地转化为数字信号。,相对于CCD传感器，CMOS传感器的随机读取特性使其容易实现图像的矩形感兴趣区域（AOI）读出方式。这一特性使得CMOS能针对较小的AOI时可以获得更高的帧率。 CMOS传感器的另一优点就是，读出速度快。 CMOS传感器的缺点是填充因子很低，通常使用微镜来提高其填充因子。,2.1.3传感器的尺寸 CCD传感器和CMOS传感器以英寸为单位。,像素 像素（Pixel）是由Picture（图像）和Element（元素）这两个单词的字母所组成的，是用来表示数字图像的一种基本单位。放大数字图像后，可以发现数字图像是由一些些小方点构成。这些小方点就是构成数字图像的最小单位像素。,常用分辨率（常用） 10万（CIF）352288 30万（ VGA ） 640480() 35万（ VGA ） 648488 50万 （SVGA ）800600 80万（XGA） 1024768 () 130万（ SXGA ）1280960 () 200万 16001200 () 310万 20481536 430万 24001800 500万 25601920 () 600万 30002000,800万 32642488 1100万 40802720 1400万 45363024,CCD传感器和CMOS传感器的英寸尺寸是晶元尺寸。,2/3英寸CCD传感器,8.8mm 640像素,6.6mm 480像素,每像素的尺寸：8.8/640或6.6/480=0.01375mm,2.1.4相机的性能 对于工业相机来讲，相机的性能参数与噪声有很大关系，所以可以用信噪比SNR来衡量相机的性能（信噪比高的相机性能较好）。,2.1.5相机-计算机接口 相机获得图像之后转化为模拟信号或者数字信号。 对于模拟信号在相机和计算机之间的传递需要在计算机中安装一块通常称为图像采集卡的专用接口卡。 对于数字信号的传递，也需要图像采集卡如IEEE1394卡、USB卡和千兆网卡。,(1)模拟视频信号 模拟视频标准制定于20实际40年代，且制作模拟相机的器件比较便宜。因此许多相机还是采用模拟信号进行信号传输。EIA-170和CCIR是黑白的视屏标准，而PAL和NTSC是彩色视屏标准。,（2）数字视频信号：Camera Link Camera Link是机器视觉工业的第一个标准。 Camera Link规范的基本技术是低电压差分信号技术LVDS。LVDS传输两个不同的电压，在接收端 进行比较。不同 的差值对应于不 同的编码。 LVDS的优点是 传输的速度非常 快。,Camera Link是由驱动器和接收器对组成。驱动器是相机上的一个芯片，可以接受28个单向的数据信号和一个单向的时钟信号，将数据按7:1串行传输。也就是将28个数据信号用4对信号线按LVDS传输。时钟信号通过第五对信号线传输。接收器是在图像采集卡上的类似芯片，接受4组信号数据和时钟信号数据，还原成28个数据信号。Camera Link规定了28个数据中有4个有效信号（帧有效、行有效、数据有效机一个备用信号）。因此，还有24位数据可以使用同一片芯片传输，芯片的传输速度85MHz，因此数据传输率达255MB/s。,Camera Link规范成为包含线阵相机、高速或高分辨率面阵相机在内的高速数字图像采集的标准。 由于这一标准 太过强大而使得计 算机端需要额外的 图像采集卡来完成 图像的重构。因此 成本增加。,（3）数字视频信号IEEE 1394 IEEE 1394又称作火线，是高速串行总线标准。最初的标准IEEE 1394颂布于1995年，规定数据量为93.304Mb/s、196.608 Mb/s和393.216 Mb/s，也就是12.288 MB/s、24.576 MB/s和49.152 MB/s。,IEEE 1394传输时使用2对双绞线传输信号、一根电缆用于电源、一根用于地线如图2.7所示3。因此，对于低功耗的电器可以直接使用电缆提供的电源而不需要额外提供电源。,1394a增加了其他分类，包括不含电源的4针连接方式。最新版本的IEEE1394b定义了800Mb/s和1600Mb/s数率以及3200Mb/s结构（。同时也对9针接插件和光缆接口以及电缆做了规定。 IDCC是贸易学会仪器和工业控制小组数字相机分组对IEEE1394针对工业相机修订而成的。IIDC定义了多种视频输出格式，包括分辨率、帧率以及传输的像素的数据格式。另外，IIDC还规定了标准的方法来控制相机的设置，比如曝光时间（IIDC中称为快门）、光圈、增益、外触发、外触发延时及相机的上、下、左、右旋转等等。,（4）数字视频信号：USB 2.0 USB2.0支持的传输速度最大为60M/s，可以应用范围内很好地地满足机器视觉的需求。USB使用4针插件，一对电缆用于信号的传输，另外两根电缆中一根用于电源另一根用于接地。 USB使用4针接插件，一对电缆用于信号传输，另外两个电缆分别用于电源和地线。因此，对于低功耗的电器可以使用电缆提 供的电源而无需额外接电源。 USB规范不包括机器视觉的要 求。因此，机器视觉的USB厂商通 常使用自己的传输协议和设备驱动 来传输图像。,（5）数字视频信号：Gigabit Ethernet 千兆网 千兆以太网被广泛应用于高速率（1Gb/s）机器视觉。2006年机器视觉相机应用层协议得以标准化，并称为GigE Vision。此标准明确指出该标准可以用于更低或更高的以太网速度。 GigE Vision标准定义了相机最多可以有4个网络接口。如果与其所接的计算机或网络也有4个网络接口，数率可以相应地增加4倍。另外一个吸引人的地方就是由于被广泛使用，所以其电缆、接插件有便宜又容易获得。 缺点是电缆上没有电源，因此相机需要额外的电源。另一个缺点是以太网不可以像IEEE 1394和USB那样设备可以在总线上宣布存在。,2.2 镜头 摄影光学系统是将空间物体成像于感光胶片或图像传感器的光学系统，也称为镜头。,2.2.1针孔摄相机 如果忽略光的波粒二象性，我们可以用下图来表示针孔相机的成像模型。 其中h为物体的高度，c为像平面到投影中心的距离称为相机常数或主距，s为物体到投影中心的距离。,物体,像平面,投影中心,传感器尺寸,传感器,相机,景深,工作距离,视野或视场,分辨率,2.2.2镜头镜头的理想模型,薄透镜模型，薄透镜是指透镜没有厚度，当然这种透镜是不存在的，而且我们一般用的镜头都是多组镜片组合在一起的。我们通常使用中会忽略厚度对透镜的影响，在去除透镜参数中的厚度后，可简化许多光学计算公式。,(1)镜头的性能参数 镜头的基本光学性能由焦距 、相对孔径（入瞳直径 与焦距 之比）和视场角 三个特征参数决定。 焦距 决定了像的大小。 当物体在无穷远时， 接受面的对角线 的一半。,焦距，是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指平行光入射时从透镜光心到光聚集之焦点的距离。,相对孔径 相对孔径是镜头的重要参数，用镜头的有效孔径d和焦距f之比表示。相对孔径是个比值。相对孔径的大小表示镜头纳光的多少，反应了光照度 的大小。 相对孔径的倒数称光孔号码或光圈系数。最大的相对孔径刻在镜头上。如1：2.8或1：4 等。 根据相对孔径的大小可以把镜头分为弱光、普通、强光镜头。,在镜头中设有专门的孔径光阑，它的作用是限制进入物镜的光通量，决定像的照度。孔径光阑可以连续调节，从而获得多种相对孔径。在物镜的外壳上标出各档光圈数F。,视场角 视场角决定了其可以拍摄到的范围大小。,视场角,视场的大小可以通过视场光阑（接受面的大小）和镜头的焦距求出。,图像的照度是由镜头的F数和曝光时间所决定的。 根据景物条件，有时需首先确定F数（光圈优先），有时需优先确定曝光时间（快门优先），但都要使F数和曝光时间相匹配。,(3)镜头的景深和几何焦深 1景深 景深指当调焦于某一对象时，前后能成清晰像的空间深度。,(3) 焦深（焦点深度） 在保持图像清晰的前提下，焦点（焦平面）沿着镜头光轴所允许移动的距离。,(4) 分辨率 镜头的分辨率是以焦面上每毫米能分辨开的黑白相间的条纹来表征。根据对无穷远两点可被理想系统分辨开的最小分辨角公式，在镜头焦平面上能分辨开的两条纹之间的相应间距。其倒数即为物镜的分辨率。 镜头的分辨率与相对孔径成正比。 分辨率是衡量镜头的像质指标之一。 对于装配好的镜头可用鉴别率板来检验。,鉴别率板,畸变 通过标定来校正。,按光学放大倍率及焦距划分 常规镜头： 鱼眼镜头：6-16mm 超广角：17-21mm 广角：24-35mm 标头：45-75mm 长焦：150-300mm 超长焦：300mm以上 特殊镜头： 微距镜头、远距镜头、远心镜头、红外镜头、紫外镜头,按其它性能划分 固定焦距镜头 变焦镜头 自动变焦 手动变焦 不同接口方式的镜头 C接口（后截距17.526mm） CS接口（后截距12.5mm） F接口（尼康口） M42 其它：哈苏、徕卡、AK,CS接口和C接口 所有的镜头均是螺纹口的，有两种工业标准，即C接口（安装座）和CS接口。两者螺纹部分相同，但两者从镜头到感光表面的距离不同。 C接口从镜头安装基准面到焦点的距离是17.526mm。 CS接是12.5mm。,CS接口安装C接口，应将相机前部安装座的垫圈取下再安装镜头。 将一个C安装座镜头安装到一个CS安装座上时，则需要使用镜头转换器,例子，要给硬币检测成像系统选配镜头，硬币大小25mm，工作距离大于50mm，系统分辨率0.05mm。,h=6.6mm,L=50mm,H=25mm,焦距F =L/H*h=13.2mm， 选择的镜头要求焦距应该大于14mm。,选择配 2/3英寸CCD传感器相机,h=6.6mm,L=50mm,H=25mm,分辨率0.05mm,像素数=H/0.05=500,50万 （SVGA ）800600 80万（XGA） 1024768,常用分辨率（常用） 10万（CIF）352288 30万（ VGA ） 640480() 35万（ VGA ） 648488 50万 （SVGA ）800600 80万（XGA） 1024768 () 130万（ SXGA ）1280960 () 200万 16001200 () 310万 20481536 430万 24001800 500万 25601920 () 600万 30002000,800万 32642488 1100万 40802720 1400万 45363024,2.2.3滤光镜 滤光镜就是拍摄时放在镜头前面的一块玻璃片或者塑料片。,滤光镜的作用是按照规定的需要改变入射光的光谱强度分布或者使其偏振状态发生变化。 滤光镜的原理就光学行为而言，主要是透射、反射、偏振、密度衰减和散射等。 滤光镜的种类繁多，在机器视觉中常用的有： 用于提高图像对比度的对比滤光镜； 用于吸收紫外线的紫外线滤光镜（UV）； 用于减少镜头进光量的中色滤光镜（ND）； 用于红外摄影的红外滤光镜。,2.3光源 在机器视觉中，光源的质量会影响图像的质量进而影响机器视觉系统的质量。 在机器视觉测量系统中一般使用透射光和反射光。 透射光是指光线透过被测量的物体被相机接收的光线。反射光是指光线在被测物体上发生漫反射被相机接收的光线。,叶绿素的丙酮提取液在呈红色绿色,2.3.1对光源的要求 光源照明系统并不是简单地照亮物体，而是要符合以下要求： 1、要尽可能地凸显出物体的特征量。如检测划痕，就要突出划痕的特征。这与光源和照明方式都有关系。 2、突出感兴趣的区域，增强感兴趣区域与非感兴趣区域的对比度。只有对比度好，图像的质量才会好，才能有效地分割目标。 3、应保证足够的整体亮度。 4、物体位置的变化不影响成像的质量。检测的物体往往是运动的，或者测物的定位不是十分准确，这就要求物体的位置变换不会影响照明效果。,如检测划痕，就要突出划痕的特征。这与光源和照明方式都有关系。,2.3.2常用光源类型 常见可见光光源分为普通光源和新型光源。 普通光源包括热辐射光源和气体放电光源，如白炽灯、汞灯、钠光灯等。 普通光源的优点：能够满足检测的需要、容易获取且性价比高。 普通光源的缺点：光源不稳定，随着使用时间的延长，光量会下降，受环境光的影响较大，有时需要加防护屏。,1、 普通光源 （1）钨丝白炽灯 钨灯丝是白炽灯的重要部件。钨灯丝即钨电阻，在电压一定的情况下，钨电阻决定了通过白炽灯的电流，从而决定了白炽灯的电功率。而电功率越大,白炽灯的发光效率越大、光通量越大从而使得发光强度越大。 而钨电阻的大小是有其长度、 半径和温度决定的。所以， 钨丝白炽灯作为机器视觉 光源不稳定。,（2）卤钨灯 卤钨灯是一种加入卤族元素的白炽灯。由于白炽灯的钨灯丝在高温时会蒸发而粘在灯泡内表面使灯泡变黑从而使得白炽灯的温度不能太高，发光效率降低。在灯泡中加入卤族元素之后，它们可以使粘在灯 泡内表面的钨形成化合物。 当这些化合物回到灯丝附 近时遇到高温分解而使得 钨回到灯丝上，灯泡不发 黑。所以，卤钨灯可以在 比较高的温度下发光。,（3）气体放电灯 气体放电灯分为两种，一种充入的是稀有气体，另一种充入的是金属蒸汽。其原理是当加在气体中的电压较小时，只有少量的气体被电离形成暗电流而当电压不断增大（超过气体电流达到饱和时所需的电压），粒子碰撞的次数急剧增加使得正 离子高速撞击阴极 产生二次电子、电 流急剧增大、产生 辉光发光现象。,气体放电灯的特点： 1 发光效率高。 2 寿命长。 3 能维持稳定的发光强度。 4 由于气体放电灯所发出的光是受激的原子从激发态到基态的过程中辐射出来的，所以其光谱不连续而且可以通过选择辐射原子的种类来获取不同频率的光。,2、新型光源 新型光源包括场致发光光源（半导体光源）、物理光源，如LED、激光光源等。 常见的激光光源和LED光源。 （1）激光光源 激光光源的特点是单色性好、方向性强、相干性好、发光强度 极高。可在结构光测 量中作为光源使用。,（2）LED光源 LED光源最常用。主要有如下几个特点： 1 效率高，可见光转换率 ，使用寿命长，LED的理论寿命为10万小时以上。 2 体积小，重量轻；另外，由于LED光源是采用多颗LED排列而成，可以设计成复杂的结构，实现不同的光源照射角度。 3 有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。针对不同检测物体的表面特征和材质，选用不同颜色，也就是不同波长的光源，达到理想效果。 4 光源单色性好。,2.3.3光源类型 （1）均匀背景光源 （2）穹形光源 （3）环形光源 （4）同轴光源,（1）均匀背景光源 用钠光灯或LED制成的发光均匀面光源。在视觉测量应用中从背面照射，用来形成不透明体的阴影或观察物体内部。,（2）穹形光源 穹形光源通过把LED的发光集中到球心上，在球心位置附近形成明亮的立体视觉效果，其均匀性和稳定性非常突出。,穹形光源适用于透明物体内部或立体物体的表面检测，如玻璃瓶、滚珠、小工件表面。还适用于工作距离大于20mm的物体的照明应用，如印制字符检测，PCB元器件、塑料或铝制容器、标签等。,（3）环形光源 环形光源采用LED组装而成的，如图2.19所示。光源的尺寸和光线角度等的选择直接依赖与被测工件的光学性质。环形光源有两种照明方式：一种是光线与光轴近视平行如图2.20所示。另一种照明方式是光线的方向与相机观察的方向垂直或接近垂直，从而实现高对比度，如暗场照明。 环形光源多用于金属 工件刻印字符、光滑表面 划痕、瓶口尺寸或裂痕、 平面工件表面质量检测。,环形光源照明方式（光线与光轴近视平行）,环形照明方式（光线方向与相机观察方向垂直或接近垂直）,（4）同轴光源 同轴光源就是光线的方向与相机的观察发现平行的光源。从图可以看出，LED的光线高度均匀的通过半透射半反射镜后，光线方向与相机的观察方向平行。这样的光路简单，可以避免由于光源的放置所带来的不必要麻烦。 同轴光源 多用于均匀 照射具有反 射性的工作 界面。,2.3.4照明的方式 光源的照明方式是指采用各种不同类型的光源，对被测物进行照明的光源布置类型和过程。 1、直接照明和间接照明 2、前向照明和背向照明 3、明场照明和暗场照明 4、同轴照明、平行照明和散射照明,1、 直接照明和间接照明 机器视觉照明系统中的照明方式可分为直接照明和间接照明。 （1）直接照明 直接照明是指光线从光源直接射向被测物并从被测物反射到镜头的照明方式，例如采用LED的沐光方式。 （2）间接照明 间接照明与直接照明相反，光线没有从光源直接射向被测物并从被测物反射到镜头的照明方式，例如暗场照明、散射照明。,2、前向照明和背向照明 前向照明：光源和相机位于被测零件的同一侧，安装方便。 低角度照明（75o）,前向照明中