机器视觉测量系统

机器视觉测量系统第一页，共61页。图像传感器图像测量系统视觉检测的主要应用CCD照明、镜头、图像传感器、图像采集、图像处理尺寸测量、模式识别、目标检测、三维重构…第二页，共61页。灵敏度分辨率信噪比光电转换特性光谱响应暗电流7-1图像传感器第三页，共61页。7-1图像传感器第四页，共61页。7-1图像传感器第五页，共61页。7-1图像传感器第六页，共61页。控制中枢、图像处理照明镜头、图像传感器图像采集视频信号第七页，共61页。

光源照明技术不同光源与照明技术效果举例第八页，共61页。

方向

直射光：入射光基本上来自一个方向，入射角小，被照射物体有阴影；散射光：入射光来自多个方向，不会投射出明显阴影。7-2-1照明第九页，共61页。

光谱光的组成成份，如日光由从紫外到红外的所有光谱组成。取决于光源的类型和光学滤色镜。可见光光谱如图所示：7-2-1照明

第十页，共61页。

强度光照强度会影响摄像头的曝光，光线不足会造成对比度降低，噪声过大；光线过强会造成图像饱和，能量浪费以及散热等问题。

均匀性在所有机器视觉应用中，都要求均匀的光照。照射强度会随距离和角度偏离而减小，需要特别考虑。7-2-1照明第十一页，共61页。

光源的种类按发光器件：卤素等、荧光等、LED灯、氙（xian）灯等；按几何形状：环形、方形、长条型灯；按发光特性：点光源、线光源、面光源等；按照射角度：直射、间接、同轴、平行等。LED灯：颜色丰富、发光效率高、响应速度快、体积小、发热小、功耗低、发光稳定、寿命长、易于组成不同形状的光源，是重要的光源发展趋势。7-2-1照明

第十二页，共61页。7-2-1照明

第十三页，共61页。LED光源（CCS公司）7-2-1照明

第十四页，共61页。7-2-1照明第十五页，共61页。

正向照明镜面：光线直接反射进入镜头；离轴照明：光源在镜头轴线侧面、避开了镜面反射；半漫射照明：光照较均匀，如环形光；漫射照明：光线来自所有方向，镜面反射最少；黑场：光线与镜头视线方向垂直。

背光照明漫射式：光源+平板，背面照射；凝聚式：使用镜头将光线集中于一个方向；黑场：适用于检测透明物体中的裂痕、气泡等。7-2-1照明第十六页，共61页。

高角度亮场与低角度暗场光照强、较均匀光滑表面的文字、伤痕等纹理检测7-2-1照明

第十七页，共61页。

从边上的黑场照明最适合凹凸不平表面及表面缺陷，缺点是阴影太大。7-2-1照明

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用明视野和暗视野照明对比7-2-1照明

第十九页，共61页。

用碗状照明消除晕眩光7-2-1照明

第二十页，共61页。

用透射光检查物体的有无7-2-1照明

第二十一页，共61页。

光源的颜色差异中心部有银色涂层的铜框架7-2-1照明第二十二页，共61页。

红外线照明7-2-1照明

第二十三页，共61页。

红外线照明7-2-1照明

第二十四页，共61页。

紫外线照明7-2-1照明

第二十五页，共61页。

偏振光照明7-2-1照明

第二十六页，共61页。

偏振光照明图②镜子上灰尘指印；图③镜子上油脂指印；图④光盘上油脂指印7-2-1照明

第二十七页，共61页。

偏振光照明8-2-27-2-1照明

第二十八页，共61页。1一个典型的机器视觉图像测量系统包括哪些环节？2光源的种类有哪些？为了得到更适合于测量目的的图像，光源的投射方式分别有哪些？第二十九页，共61页。

镜头的视野、景深和焦距示意图第三十页，共61页。

基本概念成像面：被测物及其背景通过镜头投影到二维图像传感器平面，一般是长宽比为4:3的矩形；视野（FieldofView，FOV）：与成像面对应的景物平面范围；工作距离（WorkDistance，WD）：被测物到物镜的距离；景深：以镜头最佳聚焦WD为中心，前后存在一个范围，在此范围内的物体能够清晰成像，这个范围被称为景深（DepthofView，DOV）焦距第三十一页，共61页。

物镜的焦距ff可以短到几毫米，长达数十米；变焦距镜头可以通过调节焦距获得不同的放大倍数。

相对孔径F=D/f（光圈）D是镜头中光线能通过的有效圆孔直径,即入瞳，D越大，收集的光线越多；如f=50mm，D=8.9mm，则相对孔径F=8.9/50=1/5.6；镜头上以1/F表示光圈值，光圈每增加一档，光照度增加一倍；光圈越小，景深越长。为了获得较大景深的清晰图像，可以采取加大光强，减小光圈的方法。8-2-27-2-2镜头

第三十二页，共61页。

PMAG：镜头的放大倍数7-2-2镜头第三十三页，共61页。

如何选择焦距WD：工作距离Ho：视野的高度Hi：相机有效成像面高度PMAG：镜头的放大倍数7-2-2镜头第三十四页，共61页。

物距WD、放大倍数PMAG和焦距f的关系

利用上式可通过被测物尺寸（Ho）、物距（WD）和像平面高度（Hi）计算出所需镜头的焦距f。7-2-2镜头第三十五页，共61页。

普通镜头选择步骤：获得物体至镜头的距离WD，如果是一个范围，取中间值；计算图像放大倍数PMAG；利用公式计算所需的焦距；选取与计算值最接近的标准镜头产品，并取其焦距值；根据所选镜头焦距重新核算镜头到物体的距离WD。举例：物体至镜头的距离在10cm~30cm范围内，取WD=20cm。设视场高度为6cm，传感器成像面高度为6.6mm，则镜头放大倍数为：7-2-2镜头

第三十六页，共61页。计算所需镜头焦距：标准镜头焦距：8mm、12.5mm、16mm、25mm和50mm16mm镜头的焦距最接近计算值，使用该值重新计算WD：7-2-2镜头

第三十七页，共61页。按等效焦距广角镜头：景深大，WD短，视角大，易出现桶形失真；长焦距镜头：WD大，放大倍数大，易出现枕形失真；中焦距镜头：f约在50mm和200mm之间，最常用镜头；按镜头所具有的功能变焦距镜头（自动调焦）变光圈镜头（自动光圈）远心镜头：可以产生正交投影拍摄效果；微距镜头：拍摄微小物体，放大倍数在0.25~2之间。显微镜头：成像比例大于10倍。紫外镜头、红外镜头：专门针对紫外光或红外光折射特性设计的镜头。7-2-2镜头第三十八页，共61页。视频信号是机器视觉系统的关键，关系到摄像机和采集卡的配合、视频系统的设计和调试等。分为黑/白和彩色两大类，又分为模拟和数字视频。模拟视频分为标准和非标准视频，数字视频包含多种数字格式。标准视频信号的周期、时间间隔、幅度等有明确规定，又称为闭路电视CCTV（ClosedCircuitTelevision）。非标准视频信号多用于工业、医学、仪器等领域的视觉系统。黑/白彩色使用地区RS-170NTSC北美、日本、台湾等CCIRPAL欧洲、中国等7-2-3视频

第三十九页，共61页。

信号扫描方式：逐行扫描和隔行扫描

隔行扫描隔行的帧图像和奇偶场图像之间的关系7-2-3视频第四十页，共61页。

图像采集卡（ImageGrabber）又称为图像卡，将传感器输出的图像视频信号以帧为单位传送到计算机进行处理、存储或显示。7-2-3视频

第四十一页，共61页。滤波技术图像增强边缘检测特征提取图像压缩图像编码……第四十二页，共61页。二、模式识别技术五、缺陷检测技术一、尺寸测量技术六、图像融合技术四、三维重构技术三、目标检测与跟踪技术第四十三页，共61页。长度面积圆线弧角度…测量对象最小二乘Hough变换区域标记轮廓矢量曲率识别Harris角点…测量方法第四十四页，共61页。

长度测量——齿长测量1,在工件图中设置待测齿长区域；2,对区域内的图像进行边缘提取；3,对提取到的边缘进行逐行扫描，分别获得其上、下两条边的边缘点；4,根据得到的边缘点分别拟合出上、下两条边的直线；5,计算两条直线间的距离作为齿长结果。第四十五页，共61页。

长度测量——线段测量

通过Harris角点法确定角点；通过轮廓提取法得到边缘；结合轮廓信息对角点精确定位；计算线段长度。

第四十六页，共61页。

圆测量单圆测量：最小二乘法、Hough变换法和加速算法（首先通过圆面积测量求出圆半径）。方法半径像素值误差测量时间最小二乘法68.50.48%30msHough变换法68.90.18%18328ms改进Hough变换法68.90.18%531ms圆的拟合第四十七页，共61页。角度测量——根据前述方法得到每段直线段方程，根据斜率即可得到夹角。

第四十八页，共61页。指对图像中各种物理对象的分类与描述技术，包括字符识别、条码识别、车牌识别、工件识别和医学图像识别等。字符识别：印刷体① 扫描输入文本图像；② 图像的预处理，包括倾斜校正和滤除干扰噪声等；③ 图像版面的分析和理解；④ 图像的行切分和字切分；⑤ 基于单字图像的特征选择和提取；⑥ 基于单字图像特征的模式分类；⑦ 将被分类的模式赋予识别结果。第四十九页，共61页。第五十页，共61页。目标跟踪技术——指对图像序列中的运动目标进行检测、提取、识别和跟踪，获得运动目标的运动参数，如位置、速度、加速度以及运动轨迹等，从而进行下一步的处理与分析，实现对运动目标的行为理解。主要应用：行人跟踪、车辆跟踪、智能交通和安全监控等；分类：静态背景下运动目标检测、动态背景下运动目标检测；第五十一页，共61页。静态背景下运动目标检测：相邻帧间差分法：取相邻两帧图像间灰度差异较大的区域背景差分法：预先建立背景模型，需要经常更新背景。常用的非回归型背景建模法包括中值滤波和基于统计理论背景恢复，常用的回归型背景建模法包括近似中值滤波、卡尔曼滤波和混合高斯滤波。第五十二页，共61页。检测实例

（a）图像序列第187帧（b）187帧时的背景图（c）差分图像二值化

（d）腐蚀运算结果（e）膨胀运算结果（f）目标标定结果第五十三页，共61页。接触式与非接触式三维测量（a）三坐标测量机 （b）机械测量臂第五十四页，共6