第九章 视觉检测技术

1、视觉检测技术综合运用了电子学、光电探 测、图象处理和计算机技术，将机器视觉 引入到工业检测中，实现对物体尺寸或位 引入到工业检测中 实现对物体尺寸或位 置的快速测量，具有非接触、速度快、柔 性好等突出优点。 性好等突出优点 视觉检测技术 一、应用领域 应用领域 工业、农业、 航天、 军事等 1、工业检测 (1 零件的识别与定位 自动连接引线、对准 芯片和封装； 芯片和封装 自动安装部件，自动焊 接或自动切割加工、自 接或自动切割加工 自 动浇注系统等。 例：双目立体视觉检测系统 芯片定位 芯片管脚检测 (2 零件尺寸的在线测量 钢板厚度的在线测量 (3 零件外观及内部缺陷检测 例：木料检测：缺

2、陷、体积 例 木料检测 缺陷 体积 (4 产品分类、分组 苹果分级、分色、配色 (5 产品标识、编码识别 商品条码、印鉴、标签 木料检测原理 2、机器人导航 “手-眼”定位： 两个摄像机 - 两幅平面图像 - 三维场景信息 用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航 无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人 实例：美国Sojourner系列和Rocky系列火星探测移动机器人 美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人 “勇气”号火星车 勇气 号火星车 发回的彩色照片 “机遇”号火星车拍摄 机遇 号火星车拍摄 火星土壤的显微照片 3、生物医学图像分析射线超核磁共振（1）医学临

3、床诊断：X 射线、B 超、CT 、核磁共振（MRI ） 医学影像融合分析CT 图像自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象 细胞个数统计 三维人体扫描 ）生物图像分析：形状组织切片染色体配对细菌病毒（2）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析例水果分类发芽土豆杂草识别例：水果分类；发芽土豆；杂草识别 叶片细胞显微放大图片转基因大豆孢子 4、遥感图像分析：卫星遥感图像-气象卫星（红外成象-云图-气象状况） 资源卫星（多光谱成象-地质、矿藏、森林、灾害）SAR 海洋海浪海滩）海洋卫星（合成孔径雷达成象SAR-海洋、海浪、海滩

4、）航空摄影图像-（多目成象-大地测量、测绘）监控安防交通管理交通-车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测指纹判别与面孔与底别安全检查机海关5、监控、安防、交通管理：安全-指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）监视-超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视6、军事与国防：超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象7、办公与家电：办备数复机扫描仪传真机绘仪 办公设备-数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器-数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃二、视觉系统的一般构成 典型视觉系统工作原理：光 敏感元件

5、电（光电元件）光光电电传感器光源光通路光电元件测量电路y x 1x 2传感器： 光源输出场景镜头摄像机图像存储体计算机镜头摄像机电缆镜头摄像机控制系图像采集部分、图像处理部分、通信和I/O部分以及输出和执行机构视觉系统流程图图像采集系统：可视化图像或特征数据由光源、镜头、摄像机、图像采集卡等构成单目视觉：一个摄像组件（镜头+摄像机）光源镜头摄像机图像采集卡等构成多目视觉：多个摄像组件（镜头+摄像机）图像质量好图像处理简单、结果理想图像质量差图象处理麻烦、结果不理想 1、眼睛的结构及成像 人类视觉眼睛计算机视觉图像输入系统 晶状体镜头；视网膜像敏面； 远物体晶状体扁平屈光能力小距离大（最大17m

6、m 近物体晶状体厚屈光能力大距离小（最小14mm 2、电磁波谱 可见光谱 光谱-紫外 可见光 红外 三、图像采集系统1、光源 (光源的作用(1光源的作用：使视场具有足够照度-整体亮度、突出特征量满足定的投影关系位置变化成像质量满足一定的投影关系-位置变化、成像质量满足一定的滤光要求-区别、对比度选择：几何形状、照明亮度、均匀度、光谱特性，发光效率、使用寿命选择几何形状、照明亮度、均匀度、光谱特性，发光效率、使用寿命(2光源的种类：自然光源-天体（地球、太阳、星体）、大气 a. 按发光机理：荧光灯、卤素灯、气体放电灯、发光二极管（LED ）、 人工光源：激光二极管 LD白炽光源：器件：白炽灯-钨

7、丝（熔点3600K ）特点：谱线丰富（可见光+红外光）应用：滤色片 窄带频率光，避免杂光干扰 仪器卤钨灯-改进的白炽灯（碘、溴）亮度高发光效率高体积小成本低气体放电光源：原理：气体分子激发放电（电弧灯）器件：碳弧灯钠弧灯氙弧灯水银弧灯特点- 亮度高、发光效率高、体积小、成本低器件：碳弧灯、钠弧灯、氙弧灯、水银弧灯特点：功率大，光色接近日光，紫外线丰富应用：强光、色温要求接近日光 发光二极管：原理：半导体，电致发光器件：LED ，可见光、红外光体积小、功耗低、寿命长、响应快、易于数字控制、 比普通光源单色性好、亮度高特点：激光光源：应用：电路（信号）、仪器面板（提示、报警、状态显示）原理：外界光

8、光原子能级跃迁受激辐射光放大谐振特点：辐射激光方向性好-发散角很小(约0.18º，比普通光小23数量级 亮度高-能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍光谱范围极小频率单 单色性好-光谱范围极小，频率单一；（He-Ne 激光:=632.8nm,=10-6nm）相干性好-受激辐射，传播方向/振动方向/频率/相位一致时间相干性、空间相干性均好 其中LED光源凭借其诸多的优点在现代视觉系统中得到越来越多的应用。LED光源的种类（形状）： 面光源-专用线光源b. 按安装方式：点光源-发光二极管b. 按安装方式：被测物在光源和摄像机之间-对比度好背向照明：前向照明光源放在物体的后面便于安装 结构光

9、照明：前向照明：光源有特定的方向，光束有精确的形状。频闪光照明：-光栅或线光源畸变三维形状 高频率的光脉冲-高速运动物体2、光学系统成像物镜+ 光电器件组成：成像物镜 光电器件1 照相摄影系统：组成： 2 投影系统数字式测量投影仪 a、摄影镜头(1作用：相当于人眼的晶状体没有镜头，摄像机不能采集到任何图像。输出被噪声淹没成像：(1 作用：聚焦：当镜头成像平面不在摄像机像面上时，输出图像模糊不清-调整镜头的位置，改变CCD 与镜头基准面的距离变焦：-曝光：改变光积分时间/曝光量-改变灰度（人眼所不具备的功能）改变镜头的焦距改变成象大小（人眼所不具备的功能） b、光电器件(1 外光电效应及其器件

10、外光电效应特点：速度快-9原理：光 物体表面 光电子发射 从光照射到释放电子时间不超过10秒。需足够光能-光子能力> 表面溢出功 应用：足够的光强，高速-光电开关 原理：光 阴极 光电子 阳极空间电流外接电降光电管空间电子流外接电阻 压降U=f(I 特点：简单，灵敏度低（充入惰性气体气体轰击自由电子） 光电倍增管 原理：光 阴极 光电倍增极 阳极 电流特点：光电流大，灵敏度高 =n , -单极倍增率（36） 应用：开关测量 光电开关，计数倍增率, 单极倍增率n-倍增极数（414）(2 内光电效应 原理：光 半导体 电子吸收能量 跃迁 电子-空穴对导带禁带价带原理：光 电子-空穴对 导电性

11、 电阻体收跃穴半导体能带图器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管 :原理：光PN 结（无偏置） 电子N, 空穴P 电动势器件光电池（硅锗）器件：光电池（硅，锗） 光敏电阻：原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照-电子-空穴对很少-电阻大(暗电阻 有光照-电子-空穴对增多-导电性增强特点灵敏度高体积小重量轻性能稳定特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定 批量生产，价格便宜 特性：光照特性为非线性光谱特性存在单峰动态特性好特性：光照特性为非线性，光谱特性存在单峰，动态特性好光照特性光谱特性动态特性 应用：工业自动化-结构：金属封装-防潮开关元件，快速响应家电-(感应式节能灯：判断照度 光敏二

12、极管（光电二极管） 原理：半导体PN 结-高阻特性微弱电流暗电流P N 无光时-高阻特性，微弱电流暗电流，A ；光照时-电子N, 空穴P 光电流-光照愈强光电流愈大 特性：光照特性-灵敏度和线性好，光谱特性-单峰性光照特性应用：线性转换元件，开关元件。光谱特性 光敏三极管（光电三极管, PT: Photo-Triode） 原理：光敏二极管（bc 结）+ 三极管 特点：灵敏度高于光敏二极管， 特性：光照特性-灵敏度高于光敏二极管，线性好光谱特性-单峰性 动态特性-响应速度低于光敏二极管 应用线性转换元件开关元件光谱特性动态特性应用：线性转换元件，开关元件 (1CCD的种类：3、CCD摄像机 (1

13、 CCD的种类：按成象器件分类：线阵CCD 、面阵CCD 线阵：一行扫描；按颜色分类：黑白摄像机、彩色摄像机CCD ：行，扫描；体积小，价格低；面阵CCD:整幅图像；直观；价格高，体积大；黑白摄像机：信息量小，时间、空间少 彩色摄像机：信息量大，时间、空间多按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描逐行扫描：高速运动避免边缘模糊按输出信号分类：模拟式、数字式逐行扫描：高速运动，避免边缘模糊 数字摄像机-电子快门 曝光时间: 1/50s、1/125s、1/250s、 1/500s、1/1000s、1/2000s、1/4000s、 1/8000s、1/16000s、1/32000s按形状分类：长形、短形、

14、方块形、半球形、单板形分辨率是CC的主要性能指标它决定了显示图像的清晰程度CCD分辨率：是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。-CCD每一个元素像素越多图像越清晰 像素CCD每个元素，像素越多，图像越清晰44万（768*576）、100万（1024*1024）200万（1600*1200）、600万（2832*2128）200万（16001200）、600万（28322128）电视线-简称线(TV LINES，彩色摄像头一般330500线， 黑白可以达到600线。电视线与CCD和镜头有关，还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关，通 常规律是1MHz的

15、频带宽度相当于清晰度为80线。频带越宽，图像越清晰，线数值相对越大。 灰度级-灰度分辨率、色彩分辨率，1/2n位数8位（bit）10位11位12位位数：8位（bit）、10位、11位、12位、 位数越多，图像越清晰。 4、图像存储体 (1图像存储体的作用： 接收来自摄像机的图像信号：-模拟摄像机标准电视信号数字摄像机-数字信号 存储图像数据：容量大、速度高、存取方便图像处理：简单预处理-滤波、二值化 图像叠加-直线、圆、数字、符号图像输出：输出到监视器-监视、观察输出到计算机-图像处理、模式识别(2图像存储体的种类：外置式：独立单元、单独供电、功能全面、容易构成视觉系统视觉传感器模块 图像卡式

16、：插入计算机扩展槽内-使用方便、速度快、成本低传输式数字摄像机视觉传感器光源、摄像头、图像处理器、控制与通讯接口传输式：数字摄像机-计算机接口/网络传输 （串行、并行、USB ） 四、信号处理系统 光电元件信号处理图像处理光电电图像1.信号处理电路 1）信号放大信号淹没在噪声中电压（mV/V ）；电流（A/mA ）-运算放大电路（运算放大器） 2）噪声抑制-信号淹没在噪声中；相敏检波：同步整流电路模拟滤波低通（）高通（）带通（） 需要电流输出时模拟滤波：低通（LPF ）、高通（HPF ）、带通（BPF ）、带阻（BEF ）、全通（APF ）滤波器 3）电压/电流（V/A）转换-需要电流输出时；4）模拟/数字（A/D）转换-需要输出数字信号时 2.图像处理技术预处理+提取、识别、计算 成像干扰等图像降质图像预处理灰度校正-突出特征-图像增强（锐化）目的：滤波降噪-去除噪声-图像滤波（平滑化） 感兴趣特征突出不需要衰减不逼近1 图像增强 灰度修正：改变灰度分布-直方图修正-突出；不需要衰减；不逼近目标（前景）：黑的更黑、白的更白直方图拉伸干扰（背景）：灰度模糊-直方图压缩 直方图修正： 2图像滤波-滤波器图像噪声：强度随机信号 Salt &pepper 椒盐（Salt & pepper噪声：随机出现黑白亮度值高斯噪声：高斯/正态分布传感器噪声模型（摄像机电子