工业机器人视觉技术及行业应用 课件 蒋正炎 第2章 机器视觉的系统构成

机器视觉的系统构成机器视觉的系统构成机器视觉系统的主要工作由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。因此机器视觉系统的主要组件包括光源、相机、镜头、图像处理软件和输入输出单元。光源用于对待检测的元件进行照明，让元件的关键特征能够突显出来，确保相机能够清楚地看到这些特征。镜头用于采集图像，并将图像以光线的形式呈现给传感器。然后，机器视觉相机中的传感器将该光线转换成数字图像，然后将该数字图像发送至处理器进行分析。图像采集卡是重要的输入输出单元，用于图像的高速传输及数字化处理。1/3机器视觉的系统构成下图中列出了机器视觉系统的各个关键组件，包括：光源、镜头、相机、视觉系统控制器和输入输出单元等。本章将重点介绍系统中的重要组成部分：光源、相机和图像采集卡。2/3THANKS!华航科技致真唯实3/3不同的照明方式一、LED光源二、不同的光源形式2.1

背光照明2.2环形光源

2.3同轴光源

2.4条形光源

2.5圆顶光源5/13一LED光源

正在发光的物体叫做光源，而“正在”这个条件必须具备。光源可以是天然的或人造的，如今采用在机器视觉系统中的光源通常是LED光源。LED光源由多颗LED排列而成，可以设计成复杂的结构，实现不同的光源照射角度。LED光源使用寿命长且反应快捷，能在10ms或更短时间内达到最大亮度。6/13背光照明环形光源同轴光源条形光源圆顶光源二不同的光源形式

本节中将介绍以下几种机器视觉系统中常用的照明形式：7/132.1背光照明

背光照明的说法是相对于入射光照明而言的。入射光照明是光源在相机和被检测物之间，而背光照明使用从工件背面照射的照明方式，被检测物在相机与光源之间，如下图所示。本节中除背光照明外介绍的均为入射光照明。背光照明入射光照明8/132.1背光照明

背光照明与别的照明方式有很大不同，因为图像分析的不是反射光而是入射光，使用这种方式可以获得稳定的高对比度图像。环形光照明下的灯丝背光照明下的灯丝9/132.1背光照明

背光源照明可强烈凸显物体的轮廓特征，却无法辨别物体的表面特征，十分适合物体的形状检测和半透明物体的检测，通常可以用于以下情况的视觉检测：机械零件的外形尺寸测量，电子零件、IC芯片形状检测，胶片的污迹检测，透明物体的划痕检测等。缺金属针的塑料连接头背光照明下的图像10/132.2环形光源

环形光源是指LED阵列成圆锥状以斜角照射在被测物体表面，通过漫反射方式照亮一小片区域。与检测目标的距离恰当时，环形光源可以突出显示被测物体的边缘和高度变化，突出原本难以看清的部分，适合用于边缘检测、金属表面的刻字和损伤检测，也可用于电子零件、塑胶成型零件上的文字检查，可有效去除因小型工件表面的局部反射造成的影响。11/132.3同轴光源

同轴光源（也叫漫射同轴灯、金属平面漫反射照明光源）从侧面将光线发射到半反射镜上，反射镜再将光线反射到工件上，提供了几近垂直角度的光线，从而获得比传统光源更均匀、更明亮的照明，提高了机器视觉的准确性。同轴光源同轴光源工作原理12/132.3同轴光源

使用同轴光源照明时，光线照射到工件后进入相机，在工件表面凹凸不平的部分产生漫反射，可以从被测物的不光滑表面上获得带有少量阴影的稳定图像。同轴光源能够凸显物体表面不平整，克服表面反光造成的干扰，主要用于检测物体平整光滑表面的碰伤、划伤、裂纹和异物。同轴光源最适宜用于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、镜片等表面的划痕检测，芯片和硅晶片的破损检测，条码包装识别等。冲压部件的检测螺丝头的检测13/132.4条形光源

使用条形光源可以均匀照射宽广区域，其方向性好，尺寸灵活多变，结构可自由组合，角度也可自由调整。可应用于金属表面的检测、表面裂纹的检测以及LCD面板检测等。条形光源条形光源的自由组合14/132.5圆顶光源

圆顶光源（又叫穹顶光源、DOME光源、连续漫反射光源）是指LED环形光源安装在碗状表面内且向圆顶内照射，来自环形光源的光通过高反射率的扩散圆顶进行漫反射，实现均匀照明的照明方式，如图2-11。对于形状复杂的工件，圆顶光源可以将工件各个角度照亮，从而消除了反光不均匀的地方，可获得工件整体的无影图像。15/132.5圆顶光源

圆顶光源适用于各种形状复杂的工件，通常可用于以下情况：饮料罐上的日期文字检查；手机按键上的文字检查；金属、玻璃等反射较强的物体表面的检测；弹簧表面的裂缝检测等。罐头底部文字的检测铝箔包装上的文字检测16/13THANKS!华航科技致真唯实17/13常见的光源颜色一、不同光源颜色的成像特征1.1白色光成像1.2红色光成像1.3绿色光成像1.4蓝色光成像二、不同颜色光源的适用范围19/8一不同光源颜色的成像特征

光源的颜色也对图像的成像有影响。LED光源有多种颜色可以选择，包括红、绿、篮、白，还有红外、紫外。针对不同的检测物体的表面特征和材质，选用不同颜色，也就是不同波长的光源，能够达到更加理想的拍摄效果。每一种光源都有自己的光谱，而相机的图像都会受到光谱的影响。不同的波长，对物质的穿透力（穿透率）不同，波长越长，光对物体的穿透力愈强；波长越短，光在物质表面的扩散率愈大。下面以白色光、红色光、绿色光和蓝色光举例说明在单色相机成像时，光源颜色对成像结果的影响。20/81.1白色光成像21/81.1红色光成像22/81.1绿色光成像23/81.2蓝色光成像24/8二不同颜色光源的适用范围

从上面不同颜色光源的特征我们可以发现，某种颜色的光源照射在同种颜色的物体是，视野中的物体就是发亮的。应用此点特征可以过滤掉检测中的无用信息，比如使用红色的光源可以过滤掉红色的文字。同时可以应用互补色增加图像的对比度，例如红色背景使用绿色光源等等。光源颜色适用范围白色适用性广，亮度高，拍摄彩色图像时使用较多。红色可以透过一些比较暗的物体，如：底材黑色的透明软板孔、绿色电路板线路检测、透光膜厚度监测。绿色红色背景产品，银色背景产品。蓝色银色背景产品（钣金，车加工件等）、薄膜上金属印制品。表1.1不同颜色光源的适用范围25/8THANKS!华航科技致真唯实26/8CCD图像传感器CCD图像传感器CCD（charge-coupleddevice）电荷耦合元件，也称为CCD图像传感器、CCD感光芯片，是一种半导体器件。可以将它看作一种集成电路，感光元件整齐地排列在半导体材料上面，能感应光线。CCD的作用就像传统的胶片一样，用来承载图像，但它能够把光学影像转换成数字信号。28/3CCD图像传感器CCD的成像点为XY纵横矩阵排列，每个成像点由一个光电二极管和其控制的一个邻近电荷存储区组成。光电二极管将光线转换为电荷，聚集的电荷数量与光线的强度成正比。在读取这些电荷时，各行数据被移动到缓存器中。每行的电荷信息被连续读出，再通过电荷/电压转换器和放大器传至图像采集卡。29/3THANKS!华航科技致真唯实30/3光圈和景深一、光圈1.1光圈值1.2不同的光圈大小二、景深

2.1

景深的定义

2.2决定景深的因素

2.3调节光圈和景深32/8一光圈值对于已经制造好的镜头，不能随意改变镜头的直径，但是可以通过在镜头内部加入多边形或者圆形，并且面积可变的孔状光栅来达到控制镜头进光量的目的，这个装置就是光圈。光圈是照相机上用来控制镜头孔径大小的部件，用以控制景深、镜头成像质量，同时可以和快门速度协同控制进光量，光圈的大小（或称光圈系数、光圈值）用f值表示。

从上面的公式能够看出，在焦距不变的情况下，f值越小，光圈孔径越大，进光量越多，画面比较亮，主体背景虚化越大；f值越大，光圈孔径越小，进光量越少，画面比较暗，主体前后越清晰。33/8一不同的光圈大小用于调节光圈大小的光圈环位于镜头上：事实上，我们在图中看到的光圈值是通过一定规律排列的，光圈系数序列中相邻两个光圈系数的平方比约为1：2。例如，2×2^2≈（2.8）^2，2×（2.8）^2≈4^2……光圈孔径和f值成反比，进光量和光圈孔径的平方成正比，也就是和f值的平方成反比。34/8一不同的光圈大小因此，光圈环转动一格，进光量相差一倍。35/8二景深的定义前面介绍光圈时提到的“主体背景虚化”“主体前后清晰”，其实还有一个更加专业的名词来形容这种图像效果——景深。在光学中，尤其是录影或是摄影，景深是一个描述在空间中可以清楚成像的距离范围的术语。虽然镜头只能够将光聚集到某一固定的距离（即焦距），远离此点则会逐渐模糊，但是在某一段特定的距离内，影像模糊的程度是肉眼无法察觉的，这段距离就是景深。在景深之内的影像比较清楚，在这个范围之前或是之后的影像则比较模糊。36/8二决定景深的因素景深通常由物距、镜头焦距，以及镜头的光圈值所决定。固定光圈值时，增加放大率，不论是更靠近拍摄物或是使用更长焦距的镜头，都会减少景深的距离；减少放大率时，则会增加景深。如果固定放大率时，增加光圈值则会增加景深；减小光圈值则会减少景深。f/32，小光圈，景深深f/8，大光圈，景深浅37/8二调节光圈和景深在此图中，调节光圈的光圈环下面有光圈值，对焦环上有对应的景深刻度，光圈值的颜色对应对焦环上的景深刻度颜色。例如把光圈调为黄色的11，对应的景深就是上方黄色刻线指示的数值位置，用米和英尺两种单位表示。在工业生产中，需要根据检测需求设定不同的光圈和景深。38/8THANKS!华航科技致真唯实39/8图像采集卡图像采集卡早期的工业摄像机多数使用CCD的线阵TTL工艺传感器，这种传感器成像后输出的是模拟信号，想要传输到计算机进行处理和存储，就需要通过图像采集卡进行A/D转换，再通过计算机总线实时传送到内存和显存。现今使用的CCD相机能够直接采集到数字图像，这时图像采集卡的作用就仅是将数字信号通过计算机总线传输到计算机内存或显存，方便计算机对现场采集的图像进行实时处理和存储。图像采集卡实际上是一块板卡，可以链接在PC的PCI扩展槽上（就是显卡旁边的插槽），其主要功能就是图像数字化处理与传输。41/3图像采集卡不同型号图像卡的区别主要表现在输入信号、图像质量、总线形式、处理功能等方面。在选择图像采集卡时，首先需要考虑的就是上文中提到的相机的输出信号（模拟信号还是数字信号），据此来选择不同的图像采集卡。图像质量由于不同板卡使用的芯片及设计的不同有较大差异。同时，不同用途的图像卡图像质量及价格也有很大的差别。目前使用较多的总线有PCI、PC/104-Plus、PCI-E、MiniPCI及笔记本所用的PCMCIA总线。