机器视觉光学技术与应用.ppt

赵严北京凌云公司,2007年7月20日,机器视觉光学技术与应用,目录,一、机器视觉系统概论机器视觉系统构成机器视觉成像系统解析成像系统设计方法二、系统主要评价指标和测试方法主要指标意义调试方法三、新产品技术介绍,一、机器视觉系统概论,1.机器视觉系统构成概念：“机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。”“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置”。SME和RIA,机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度：非接触检测；环境适应性高；检测效率高；检测精度高；采用计算机和图像处理技术，能够进行智能化检测,2.机器视觉系统组成机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出。图像采集：光学系统采集图像，图像转换成模拟格式并传入计算机存储器。图像处理和分析：处理器运用不同的算法来提高对结论有重要影响的图像要素并形成数据作为判决依据。判决和输出：处理器的控制程序根据收到的数据做出结论并输出信息作反馈控制等应用。,一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、CCD照相机、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。,LUSTERLightVision,2.机器视觉成像系统解析2.1成像系统地位意义：它是决定系统成败的最重要因素“Garbagein,garbageout”-垃圾图像输入，垃圾图像输出系统应用不同，图像效果要求也不相同，追求最佳性价比,2.2系统元件解析1）光源光源是影响机器视觉系统输入的重要因素，因为它直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。,机器视觉系统对光源的要求,高亮度高速扫描、高速成像，要求曝光时间短的场合；高均匀性表面检测、缺陷检测，利用灰度差异进行检测的场合；低功耗移动设备、便携检测系统；长寿命任何场合，节约成本和维护费用；光谱特性利用光谱单色性检测的场合；与传统光源相比，LED光源具有功率密度高，能耗低，长寿命，电光响应快，光谱单色性好等突出优点。是机器视觉专用光源的发展方向。,提高图像亮度的方法,采用高亮发光器件采用透射或反射式聚光系统采用柱透镜汇聚亮度提高1倍但工作距离限定在最佳汇聚位置增加光源数量2条光源亮度约为1条光源亮度的2倍安装空间的约束缩短光源与目标之间的距离其他增大光圈与通光孔径大小成平方正比关系牺牲系统景深为代价增大CCD增益信噪比降低，图像质量下降,光源均匀性设计,发光原理上荧光灯管的均匀性很好，而LED光源高均匀性难度大得多芯片或单管筛选电光效率、封装工艺、焊接工艺均匀性设计排列方式：间距、角度电气设计独立驱动或调校，工艺复杂反射或散射损失光亮度,光谱特性,单色光源利用补色原理进行检测白色光源颜色检测红外、紫外光源红外检测、荧光检测,光谱特性补色对成像的影响,色材的三原色C青緑赤紫黄色,光的三原色R紅緑藍,紅,藍,緑,白,黄,青緑,赤紫,光谱特性补色对成像的影响,（紫紅）,（黄色）,C（青色）,淡,淡,淡,淡,淡,浓,浓,浓,（緑）,（藍）,淡,2）镜头主要参数：光圈、景深、相对孔径、视场角、口径、放大率、焦距、传函、光谱,几何光学成象公式（BasicFormula）放大率（Magnification）视场（FieldofView）工作距离（WorkingDistance）分辨率（Resolution）,光圈（Aperture）景深（DepthofField）,光学传递函数（ModulationTransferFunction）畸变（Distortion）快门速度(ShutterSpeed)安装方式（Mount）,3）相机成像器件：CCD或CMOS器件尺寸：12英寸或其他尺寸像素（pixel）：1024768像素尺寸(size)：6.56.5m像素深度(bitdepth)：810Bit帧频(framerate)：30fps电子快门速度(electronicshutter)：160110000秒信噪比(signaltonoiseration)：60dB视频接口(videoout)：FireWire/IEEE1394b，6pin镜头接口(lensmount)：C-Mount电源(power)：12VDC其他还包括：像面尺寸、时钟、行频（线阵）、积分时间（线阵）、光谱响应度、是否制冷、工作环境等。,CCD摄像机的选择,彩色还是黑白？线阵还是面阵？什么接口？多大尺寸？镜头如何匹配？,4）图像采集卡,图像采集卡主要完成对模拟视频信号的数字化过程。视频信号首先经低通滤波器滤波，转换为在时间上连续的模拟信号；按照应用系统对图像分辨率的要求，得用采样/保持电路对边疆的视频信号在时间上进行间隔采样，把视频信号转换为离散的模拟信号；由A/D转换器转变为数字信号输出。图像采集处理卡在具有模数转换功能的同时，还具有对视频图像分析、处理功能，并同时可对相机进行有效的控制。,光学系统设计步骤,讨论,LUSTERLightVision,二、系统主要评价指标和测试方法,视场、分辨率MTF、最佳焦面信噪比均匀性,视场、分辨率,视场（FieldofView）分辨率（Resolution）,视场较大，检测效率高；分辨率高，检测精度高，二者均是表征检测性能的重要指标。视场和分辨率是一对矛盾，在相机像元数一定的情况下，视场越大，分辨率越低。,MTF、最佳焦面,信息理论给调制度M的定义为：在同一系统中，将空间频率不同的原稿信号输入，把经过系统的调制度M与未经系统的调制度M之比，定义为调制传递函数MTF,MTF是频率相关的；MTF是OTF的模值，表示振幅变化，PTF表示相位变化，成像光学系统是积分型，不考虑相位；目标点信号经过傅立叶变换可以看作是不同频率正弦信号的叠加的结果，低频反映了轮廓、层次（对比度），高频反应细节；,MTF曲线,粗线是空间频率为10lp/mm的结果，细线是30lp/mm的；黑色曲线是最大光圈(对于这个镜头是F1.4)的，蓝色曲线是光圈F8(一般是最佳光圈)的；实线是S曲线(弧矢曲线)，虚线是M曲线(子午曲线)。,最佳焦面确定,通过靶标计算不同视场处的传函，给出过焦曲线确定最佳焦面位置复测传函,LUSTERLightVision,信噪比,噪声,动态范围,动态范围是比值，输入信号功率上限与下线的比值，下限为灵敏度。例如8位CCD的动态范围是：28：1=256：1,信噪比定义：测量方法：目标为白平衡纸。多次测量取平均值：信噪比=均值：标准差,均匀性,图像处理的基本判别依据：灰度图像均匀性是保证图像处理判别标准一致性的基本条件。,镜头渐晕光学上定义：由于孔径光阑的限制，斜光束的宽度比轴上点的光束宽度小像平面边缘部分比像平面中心暗孔径光阑：光圈（调节光能量）；光学零件的外框，如透镜框（支撑透镜）,均匀性校正,渐晕产生结果,均匀性校正根据全视场范围内白场灰度分布，采用衰减补偿的方法，在线型对称光源前端，同时加形状如下图所示的透明模片，通过对光源照度分布的修正，补偿镜头渐晕带来的白场灰度分布不均匀性。,具体制作过程如下,三、新产品技术介绍,大功率LED线光源彩色线阵相机PC30,提高LED线光源亮度,采用大功率LED光源高密度排列采用非球面汇聚透镜采用柱透镜汇聚系统,提高LED线光源亮度,缩短工作距离：近距离，近似线性,LED光源光照距离关系曲线,提高LED线光源亮度,增加驱动电流,LED驱动电流与光输出关系曲线,注意：增加驱动电流可能导致光源寿命缩短,LUSTERLightVision,实例：1m大功率LED线光源用于印刷检测与普通高亮LED光源比较,DALSAPC30彩色线阵相机,ColorlinescancamerausingDALSAstrilinearCCDsensorchipResolution:2k&4kSpeed:80or60Mpixels/spercolorMaxlinerates:,三线阵间距小更好的紫外、蓝色响应率和白平衡能力高输出速率每种颜色高达80Mpixels/s防曝光过度溢出各颜色单独曝光8位12位CameraLink接口,特点,基本性能参数,L300,2K,4K,MountType,PixelSize,Max.LineRate,DataFormat,VideoOutputType,HousingSize(LxWxH),Weight,PowerRequirements,Center-to-center-spacing,PixelClock,PC30,2K,4K,14.0mx14.0m10.0mx10.0m14.0mx14.0m10.0mx10.0m,112m90m42m30m,3x20MHz3x30MHz3x40or80MHz,9.20kHz7.2kHz33kHz18kHz,8,10bits8,12bits,CameraLink(Base),38.1x62.0 x62.041.3x71.0 x71.076mmx105mmx50mm,Max.300gMax.450g,12VDC(10%)12Vto15V,F-mountF-mount,M58x0.75F-mountorM72x0.75,相近的光谱相应,更高的线速率,2k4k,9.2kHz7.2kHz,更高的线速率可以显著提高系统的纵向分辨率。有助于提升系统的检出率。以棉花检测为例：棉流运动速度6m/s,线速率6kHz时，纵向分辨率只能达到1.0mm，检测精度较低。PC30可以使系统的纵向分辨率成倍提升，提高系统的检测精度。,33kH