机器视觉系统综合基础知识

,光机电的完美集成,(机器视觉系统综合基础知识),机器视觉系统综合基础知识,灯源简述灯源分类获得完美图像的6大要素如何选择镜头,第一节,第一节,内容提要,机器视觉系统综合基础知识,一、灯源简述,第一节,机器视觉系统工作的基本程序：取像=分析=结果输出灯源：为确保视觉系统正常取像获得足够光信息而提供照明的装置灯源的目的是将待测区域与背景明显区分开将运动目标“凝固”在图像上增强待测目标边缘清晰度消除阴影抵消噪光灯源是一个视觉应用开始工作的第一步适合的灯源可以提高系统检测精度、运行速度及工作效率,机器视觉系统综合基础知识,二、灯源分类,第一节,萤光灯卤素灯+光纤导管LED光源其他（激光、紫外光等）,机器视觉系统综合基础知识,第一节,三、获得完美图像的6大要素（1）：高系统精度,系统精度（Systemaccuracy）X方向系统精度（X方向象素值）视野范围（X方向）CCD芯片象素数量（X方向）Y方向系统精度（Y方向象素值）视野范围（Y方向CCD芯片象素数量（Y方向）该指标取决于，相机分辨率及视野（FOV）,机器视觉系统综合基础知识,第一节,三、获得完美图像的6大要素（1）：高系统精度,最佳视野（FOV）：让视觉系统“关心”的部分尽可能“充满”视野。通俗来说，FOV越小越“好”。相机分辨率相同视野越小系统精度越高视野相同相机分辨率越高系统精度越高,机器视觉系统综合基础知识,第一节,三、获得完美图像的6大要素(2)：清晰成象,确定图像中所要检测的部分处于清晰的焦距之内当图像中检测部分不处于同一焦平面时，需要考虑镜头的景深注意：每一款镜头都有固定的“最短焦距”注意：每一款镜头相对于固定的光圈，都有自己固定的景深注意：缩小光圈可以加大景深。同时为保证正确曝光需要提高光强注意：小光圈拍照，可以使图像获得更多“细节”，图像效果更好,机器视觉系统综合基础知识,第一节,三、获得完美图像的6大要素(3)：避免畸变,在定位及高精度测量的系统中，镜头畸变的影响尤其重要使用远心镜头进行系统标定,机器视觉系统综合基础知识,第一节,三、获得完美图像的6大要素（4）：保持待测物体在成象中大小一致,在定位及识别系统中，这一点尤为重要控制待测目标位置相机拍照角度,机器视觉系统综合基础知识,第一节,三、获得完美图像的6大要素（5）：图像中待测部分反差最大化,对于一个视觉系统来说，“黑白分明”的图像才是好图像选择适合的灯源,机器视觉系统综合基础知识,第一节,三、获得完美图像的6大要素（6）：恰当的照明与曝光,避免阴影如果图像中待测区域处于阴影之下，图像将不能提供足够的反差，这将严重影响系统检测的精度避免过亮如果照明过亮，区域内亮部的光线会反射进暗部的区域，造成暗部区域内的细节损失如果曝光过度，会产生CCD“溢出”现象避免光线变化如果照明系统发生明暗变化，会造成图像明暗变化。这将直接影响系统运行的稳定性避免外界影响注意系统周围环境的影响，如生产线上的照明系统、室外阳光等等可移动的人或物会遮挡系统照明,机器视觉系统综合基础知识,第一节,三、获得完美图像的6大要素：,小结#1：获得完美图像的6大要素及控制因素高系统精度。控制因素：视野、相机分辨率。清晰成象。控制因素：镜头、灯源避免畸变。控制因素：镜头、系统标定保持待测物体在成象中大小一致。控制因素：视野、拍照角度、待测物位置反差最大化。控制因素：灯源恰当的照明与曝光。控制因素：灯源、镜头小结#2：如何获得完美图像选择适合的灯源、镜头、相机学会如何使用、控制灯源、镜头、相机,机器视觉系统综合基础知识,第一节,四、如何选择镜头（1）：技术因素,镜头与相机匹配镜头接口是否为工业标准接口，C/CS接口镜头成象面是否=相机CCD尺寸。若相机CCD为1/2“，而镜头为1/3”，则该镜头与相机不匹配系统工作空间镜头最短焦距是否适合系统工作空间注意镜头焦距与最短焦距间的关系系统精度获取最佳视野镜头畸变对系统精度的影响镜头分辨率对系统精度的影响纵深成象待测物纵深方向的成象是否在镜头景深范围之内其他超大、超小物体检测,机器视觉系统综合基础知识,第一节,四、如何选择镜头（2）：常见镜头分类,CCTV镜头专业摄影镜头远心镜头,机器视觉系统综合基础知识,第一节,四、如何选择镜头（3）：常见镜头对比,机器视觉系统综合基础知识,如何选择灯源如何选择相机例题项目评估的基本步骤,第二节,第二节,内容提要,机器视觉系统综合基础知识,第二节,一、如何选择光源（1）：背光测量系统的最佳选择,机器视觉系统综合基础知识,第二节,一、如何选择光源（2）：亮场最直接的照明,机器视觉系统综合基础知识,第二节,一、如何选择光源（3）：暗场适合光滑表面的照明,机器视觉系统综合基础知识,第二节,一、如何选择光源（4）：结构光法最简便的三维测量,机器视觉系统综合基础知识,第二节,一、如何选择光源（5）：影子的利用最不直接的测量,机器视觉系统综合基础知识,第二节,一、如何选择光源（6）：同轴光昂贵的灯源,机器视觉系统综合基础知识,第二节,一、如何选择光源（7）：彩色的考虑,三原色。光的三原色：红、绿、蓝；色彩三原色：青、紫、黄世界上所有颜色都是由三原色按不同比例组合而成三原色的色光叠加为白光。如：日光三原色的色彩叠加为黑色红、绿、蓝三色为互补色。光照在物体上，物体只反射与自身颜色相同的色光；不同色光照在互补色物体上完全不反光。如：红光照红色物体，黑白相机成象物体为白色；红光照绿色物体，黑白相机成象物体为黑色,光的三原色,色彩三原色,机器视觉系统综合基础知识,第二节,一、如何选择光源（7）：彩色的考虑,机器视觉系统综合基础知识,第二节,一、如何选择光源（8）：常用灯源分析,机器视觉系统综合基础知识,第二节,系统精度要求与相机分辨率：相机分辨率（X方向）最佳视野范围（X方向）理论象素值（X方向）相机分辨率（Y方向）最佳视野范围（Y方向）理论象素值（Y方向）理论象素值的得出，要由系统精度及亚象素综合考虑系统速度要求与相机成象速度：系统单次运行速度=系统成象速度+系统检测速度异步触发快门速度,二、如何选择相机（1）,机器视觉系统综合基础知识,第二节,与视觉板卡相匹配：视频信号的匹配。对于模拟信号相机来说，有两种格式，CCIR/RS170。通常采集卡都同时支持这两种相机。分辨率的匹配。每款板卡都只支持某一分辨率范围内的相机。特殊功能的匹配。如要使用相机的特殊功能，先确定所用板卡支持此功能。接口的匹配。确定相机与板卡的接口相匹配。如CAMERALINK，FIREWIRE1394等。其他：动态成象色彩检测超大目标检测数字相机,二、如何选择相机（2）,机器视觉系统综合基础知识,第二节,亚象素（SubPixel）的概念亚象素：图像分析软件，可以使系统检测精度达到象素单位以下。如：1/2象素亚象素对系统精度的影响亚象素在相机选型中的应用测量（边缘寻找算法）定位（模版匹配算法）瑕疵（斑点分析）精度、速度及成本分区取象,二、如何选择相机（3）,机器视觉系统综合基础知识,第二节,根据现场的检测样品及教师提出的要求，完全系统硬件选型灯源选型镜头选型相机选型系统参数：视野、工作距离等,三、例题（1）：题目,机器视觉系统综合基础知识,第二节,选型步骤：确定项目检测方向：测量、检测、定位。确定项目检测要求：精度、速度、工作空间。根据项目检测方向完成灯源选型根据项目精度要求确定最佳视野根据项目精度要求及工作空间要求完成镜头选型确定某款镜头、工作距离、根据项目精度要求及速度要求完成相机选型考虑系统硬件成本,三、例题（2）：提示,机器视觉系统综合基础知识,四、项目评估的基本步骤（1）,第二节,客户需求,系统精度要求,系统速度要求,检测项目条款,检测项目条款条款名称及详细说明,系统工作空间要求初步了解视觉系统允许的工作空间,系统速度要求清楚了解整个系统的速度要求对于设备制造商，还需要了解整个设备的工作流程,系统工作空间要求,系统精度要求详细记录每项条款的精度要求,机器视觉系统综合基础知识,四、项目评估的基本步骤（2）,第二节,灯源选型根据项目的检测条款，选用适合的灯源,镜头的选型系统精度要求系统工作空间要求,相机选型系统精度要求系统速度要求,项目评估,镜头选型,相机选型,灯源选型,项目试验,项目试验系统搭建，灯源、镜头、相机建立检测程序原型记录试验结果，精度、检测时间,机器视觉系统综合基础知识,四、项目评估的基本步骤（3）,第二节,条款回顾根据项目的检测条款，逐条确定是否可以检测,精度回顾根据项目的检测条款，逐条列出试验完成精度,系统运行速度记录试验中系统运行速度,评估报告,精度回顾,系统运行速度,条款回顾,系统硬件配置,系统硬件配置记录系统硬件配置。灯源、镜头、工作距离、光圈、相机、快门速度、电脑配置等,机器视觉系统综合基础知识,如何选用板卡PC式系统概述智能相机概述视觉系统选型视觉系统未来发展趋势,第三节,第三节,内容提要,机器视觉系统综合基础知识,第三节,一、如何选用板卡（1）,什么是视觉板卡的软件包由视觉厂家开发出的与其板卡产品相配套的视觉软件工具包软件包的基本构成图像处理工具。如边缘寻找、模版匹配等图像预处理工具。如直方图、图像二直化等其他工具。如图像缓冲区、画图工具等为什么要使用软件包安全的软硬件匹配节省开发周期底层图像处理工具稳定可靠,机器视觉系统综合基础知识,一、如何选用板卡（2）,第三节,什么样视觉板卡是“好”板卡,板卡硬件功能的对比,板卡软件包功能的对比,应用系统开发时限及功能,公司市场定位及经营方向,机器视觉系统综合基础知识,一、如何选用板卡（3）,第三节,硬件功能对比图像格式支持分辨率支持相机特殊功能支持灯源控制图像缓冲其他,机器视觉系统综合基础知识,一、如何选用板卡（4）,第三节,软件功能对比（1）是否易于使用硬件开发环境开发环境的操作系统开发语言,软件功能对比（2）软件功能优劣边缘寻找功能目标定位功能图像预处理功能字符读取功能（OCR）数据读取功能图像缓冲功能实际应用功能接口功能其他辅助功能,机器视觉系统综合基础知识,应用系统开发时限及功能,一、如何选用板卡（5）：,第三节,机器视觉系统综合基础知识,第三节,一、如何选用板卡（6）,公司市场定位及经营方向系统开发成本开发硬件成本开发人力资源成本系统销售价格系统市场前景未来几年内的整体市场预测年销售额预测市场竞争状况板卡及软件包技术优势与竞争对手相比，各自的技术优劣软件包更新换代,机器视觉系统综合基础知识,二、PC式系统概述,第三节,机器视觉系统综合基础知识,三、智能相机的概述,第三节,智能相机（SmartCamera）嵌入式视觉系统（EmbeddedVisionSystem），或叫视觉传感器（VisionSensor）。大约于十年前出现在市场上,机器视觉系统综合基础知识,四、视觉系统选型,第三节,机器视觉系统综合基础知识,五、机器视觉未来发展趋势,第三节,嵌入式视觉系统代表着机器视觉未来发展的主流嵌入式视觉系统=数码相机+处理器+视觉软件包新的通讯方式，USB、FIREWIRE1394、TCP/IP/等，使嵌入式视觉系统的通讯越来越简单方便。最终使嵌入式视觉系统克服难以支持多相机的缺陷体积小巧、设计灵活，使得嵌入式视觉系统可以以多种产品形式出现随着无线网络技术的普及，嵌入式视觉系统终将发展成为完全的脱机系统由电池提供动力，通过无线网络转送信号。PC式视觉系统随着微行计算机硬件水平的飞速成发展，或许将来PC式视觉系统可以在PDA上运行随着网络数据传输速度的提高，及CPU处理器的性能飞速发展，目前视觉系统独立工作模式，或会演变成为一种中心控制模式。相机与网络中的一台中心视觉系统相联，中心系统根据每个相机的具体情况分别发出指令。,机器视觉系统综合基础知识,应用系统软件模块通讯接口检测模块程序基本流程电脑硬件,第四节,第四节,内容提要,机器视觉系统综合基础知识,第四节,用户主界面：相机实时拍照图像系统实时分析情况图像,一、应用系统软件模块（1）,机器视觉系统综合基础知识,第四节,一、应用系统软件模块（2）,用户主界面：检测结果被测产品批量信息检测结果统计,PASS/FAIL,BGA_90*90,机器视觉系统综合基础知识,第四节,一、应用系统软件模块（3）,基本功能模块,机器视觉系统综合基础知识,第四节,二、通讯接口（1）,输入信号1（SOT）（控制中心视觉系统）,输出信号1(Busy)（视觉系统控制中心）,输出信号2(Result)（视觉系统控制中心）,输入信号1（SOT）：设备将待测物放置在视觉系统的检测视野下，发出此信号通知系统可以开始检测。输出信号1(Busy)：视觉系统收到SOT信号后对等测物进行拍照，之后向设备发出此信号，通知设备拍照完毕输出信号2(Result)：当视觉系统完成检测后向设备发出此信号，通知设备此被测物的检测结果（Pass/Fail）,基本I/O通讯,机器视觉系统综合基础知识,第四节,二、通讯接口（2）,RS232普遍应用于电脑与电脑、电脑与PLC或与其他设备之间的数据通讯稳定、速度可被接受TCP/IP适用于远距离数据通讯速度实时性不强,机器视