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中国大恒 集团 有限公司北京图像视觉技术分公司 主讲人 陈欣 机器视觉系统概述 2020 4 8 1 提纲 机器视觉系统概述照明光源镜头工业摄像机 2020 4 8 2 机器视觉系统 机器视觉是一门技术 该技术被广泛应用在生产制造等行业 可用来保证产品质量 控制生产流程 感知环境等 机器视觉系统是基于机器视觉技术为机器或自动化生产线建立的一套视觉系统 2020 4 8 3 机器视觉vs人类视觉 2020 4 8 4 机器视觉vs人类视觉 2020 4 8 5 机器视觉系统作用 机器视觉技术功能 缩短产品进入市场时间 100 检测 100 质量保证 提高产量 集成化生产 精确测量 改进生产流程 及时过程监控 2020 4 8 6 机器视觉应用领域 高速检测精确机器人导航定位及配准装配检测PCB检测表面检测纹理分析遥感 医学图像分析测量一维码读取OCR OCV匹配印刷检测Blob分析 2020 4 8 7 机器视觉应用领域 光学行业纸制品药物照相学和遥感印刷铁路运输监控航空宇航造船无线通信交通木材等等 半导体汽车制造制陶业化学业电子部件及设备食品业玻璃业生命科学医学钢铁矿业 2020 4 8 8 机器视觉系统构成 模拟相机 光源 CCD CMOS图像传感器 镜头 被测物体 模拟视频流 摄像机 图像采集卡 图像 内存中 数字图像 应用 结果 孔 半径 1 2 3 3 147mm 3 052mm 2 785mm 机器视觉软件 FGI O 2020 4 8 9 机器视觉系统构成 数字摄像机 光源 CCD CMOS图像传感器 镜头 被测物体 图像数据 数字摄像机 USB 1394a 1394b GigE CameraLink 图像 内存中 数字图像 应用 结果 孔 半径 1 2 3 3 147mm 3 052mm 2 785mm 机器视觉软件 FGI O 2020 4 8 10 机器视觉系统构成 智能摄像机 光源 CCD CMOS图像传感器 镜头 被测物体 模拟图像数据 智能摄像机 图像 内存中 数字图像 应用 结果 孔 半径 1 2 3 3 147mm 3 052mm 2 785mm 机器视觉软件 FGI O 2020 4 8 11 机器视觉市场 机器视觉系统中部件包括 光源 工业摄像机 图像采集卡 镜头 图像处理设备等 机器视觉市场包括 部件生产商代理商系统集成商 2020 4 8 12 机器视觉系统组件 照明光源 照明光源 2020 4 8 13 机器视觉系统 照明光源分类 高频荧光灯 卤素灯 LED灯 2020 4 8 14 机器视觉系统 照明光源对比 2020 4 8 15 LED光源特点 可制成各种形状 尺寸及各种照射角度 可根据需要制成各种颜色 并可以随时调节亮度 通过散热装置 散热效果更好 光亮度更稳定 使用寿命长 约3万小时 间断使用寿命更长 反应快捷 可在10us或更短的时间内达到最大亮度 电源带有外触发 可以通过计算机控制 起动速度快 可以用作频闪灯 运行成本低 寿命长的LED 会在综合成本和性能方面体现出更大的优势 可根据客户的需要 进行特殊设计 2020 4 8 16 光源选型对成像影响实例 2020 4 8 17 照明技术 亮视野与暗视野 暗视野 亮视野 杂散光 杂散光 直射光 直射光 2020 4 8 18 照明技术 低角度照明 常应用于检测平滑表面上变化的部分如 划痕 刀痕 边缘 2020 4 8 19 低角度照明应用实例 2020 4 8 20 照明技术 前向光直射照明 2020 4 8 21 前向光直射照明示例 2020 4 8 22 照明技术 前向光漫射照明 2020 4 8 23 前向光漫射照明示例 2020 4 8 24 前向光漫射照明示例 2020 4 8 25 照明技术 背光照明 2020 4 8 26 背光照明示例 2020 4 8 27 照明技术 颜色与补色 2020 4 8 28 颜色与补色示例 2020 4 8 29 照明技术 偏光技术应用 2020 4 8 30 偏光技术应用实例 2020 4 8 31 照明技术 防外乱光技术应用 2020 4 8 32 机器视觉系统组件 镜头 镜头 2020 4 8 33 成像尺寸 2020 4 8 34 焦距与视场角 2020 4 8 35 焦距与视场角 例如 使用HV1303UM拍摄视野为440mm 330mm拍摄距离为2500mm 2020 4 8 36 常用公式 放大率物距像距焦距物高像高 2020 4 8 37 镜头分辨率 分辨率单位 lp mm影响因素 镜头结构 材质 加工精度镜头的相对孔径越大 分辨率越高光波长度 波长越短分辨率越高视场中心较边缘分辨率高同档次的固定焦距镜头较变焦镜头分辨率高短焦镜头一般边缘分辨率较中心低 长焦镜头一般中心较边缘分辨率低 理想光学系统的最小分辨距离b 0 61 nsin max其中 为光的波长n为像空间介质折射率 max为像方孔径角当镜头对无限远成像 且像方为空气时 近似计算公式 b 1 22 F其中 F为光圈数 2020 4 8 38 远心镜头 2020 4 8 39 镜头选型 分辨率焦距光圈景深成像尺寸视场角远心畸变 2020 4 8 40 机器视觉系统组件 工业摄像机 工业摄像机 2020 4 8 41 工业摄像机分类 按不同芯片类型划分 1 CCD摄像机2 CMOS摄像机 2020 4 8 42 CCDSensor FullFrameArraySensor 优点 填充因子 fillfactor 可以达到非常高 甚至达到100 这样Sensor灵敏度非常大 缺点 由于传输和读出使用的时钟相同 因此Sensor上面的部分曝光时间比下面的长 这会造成Smear现象 为了解决这个问题 必须使用机械快门或闪光灯 2020 4 8 43 CCDSensor FrameTransferSensor 解决了FullFrameArraySensor发生Smear现象的问题从感光部分转移到屏蔽存储区域的时间约为500us优点 在曝光时间较长的情况下 Smear现象比FullFrameArraySensor小很多缺点 由于需要两个Sensor 因此成本非常高 2020 4 8 44 CCDSensor InterlineTransferSensors 转移时间约为1us 因此完全不存在Smear现象 优点 由于转移时间非常短 因此不需要使用机械快门或闪光灯缺点 由于屏蔽区占用了Sensor的部分面积 因此使得此种传感器填充因子只能在20 70 添加微镜头可以增加填充因子 2020 4 8 45 Electronicshutter MicroLenses OverflowDrain主要用来消除CCDSensor的Blooming现象它也被用来实现电子快门通过MicroLenses可以将传感器的填充因子提高 CCD可以从80 提高到约100 CMOS可以从30 提高到约80 2020 4 8 46 CMOSSensor 2020 4 8 47 AOI 由于CMOS可直接访问单个像素 因此在AOI非常小的情况下 CMOS与CCD相比 帧率上有较大的优势 CMOSSensor甚至可以将A D转换集成到每个像素中去 在不使用AOI时帧率上也有优势 2020 4 8 48 CCDvsCMOS 2020 4 8 49 CCDvsCMOS 2020 4 8 50 InterlacedScanvsProgressiveScan InterlacedScan ProgressiveScan 2020 4 8 51 RollingShuttervsGlobalShutter RollingShutter GlobalShutter 2020 4 8 52 彩色摄像机 1 Bayer2 3CCD3 3Lines4 2020 4 8 53 彩色摄像机效果对比 3CCD RawImage Bayer Difference 2020 4 8 54 工业摄像机接口类型 模拟接口CameraLink1394a1394bUsb2 0GigEEthernet 2020 4 8 55 工业摄像机接口类型 2020 4 8 56 PCIvsPCI E PCIExpress采用的是点对点通信机制 各个插槽都将通过各自独享的通道发送和接受数据 这样就可以避免出现不同设备同时争抢系统和CPU资源的情况 2020 4 8 57 同步采集vs异步采集 2020 4 8 58 工业摄像机选型 1 根据摄像机拍摄的视野以及系统需要达到的精度选择分辨率2 根据拍摄对象运动与否选择合适相机3 根据生产线速度选择合适帧率4 根据相机接口类型以及相机数量选择合适的采集卡 例如 某视觉检测系统需要两个检测工位拍摄过程中工件不停止 两个工位视野相同 均为400mm 300mm 要求检测精度达到0 4mm以上 检测速度大于每分钟100