工业视觉系统应用技术 课件 第1-4章 工业视觉技术-视觉成像

工业视觉系统应用技术

第一章工业视觉技术

学习目标掌握工业视觉技术定义、视觉系统的架构和核心组成了解工业视觉技术的发展趋势及其工业应用工业视觉驱动智能制造1在当今汹涌澎湃的科技浪潮中，工业视觉技术以前所未有的态势推动着智能制造蓬勃发展，成为驱动制造业革新升级、迈向高质量发展的核心引擎。工业视觉技术是多种先进技术的集成，涉及了光学工程、电子技术、计算机科学等多个领域，融合了图像采集技术、图像处理算法、模式识别技术、深度学习算法、自动化控制技术等多种关键技术。工业视觉技术以其卓越的性能和广泛的应用场景，正引领着制造业迈向一个全新的智能化时代。它不仅使企业实现了生产效率提升、产品质量保障和成本的降低，更在推动产业升级、促进就业结构调整以及增强国家制造业竞争力等方面发挥着不可替代的重要作用。2工业视觉技术概念工业视觉技术（IndustrialVisionTechnology），又称为机器视觉（MachineVision），是一种利用镜头、相机等硬件和计算机视觉处理软件等技术实现人的视觉功能，对各类工业生产过程中的产品进行图像采集、处理和分析，从而实现检测、识别、测量和控制的技术。工业视觉技术的核心部分主要包括图像采集和图像的分析处理。其中，图像采集是指通过镜头、相机和传感器等设备捕捉并记录图像信息的过程。图像采集需要根据实际应用场景，合理选择布局相机镜头和光源，确保采集设备能够覆盖目标区域，光线均匀照射确保能够清晰获取目标的关键特征。图像处理通常是指对数字图像进行各种操作和转换，从图像数据中提取有价值的信息，支持各种决策和应用。图像处理操作一般利用专业的图像处理软件实现，也可以在硬件设备上完成，如图像处理器和智能读码器等。近年来兴起的深度学习和人工智能技术，大大拓展和增强了图像处理的能力，使得过去许多复杂的图像处理任务变得可能和高效。工业视觉融入深度学习和机器学习技术，实现基于规则的机器视觉和基于深度学习的图像分析之间的互补，可以更加智能化的识别和分类对象特征，真正实现制造业数字化转型的智慧制造。3工业视觉技术发展历程工业视觉技术的产生及发展是一个涵盖了多个学科、多种技术不断进步和融合的过程。工业视觉技术起源于计算机视觉，随着工业应用需求的增加，逐渐发展为一个相对独立的应用领域。20世纪60年代，麻省理工学院（MIT）的DavidMarr提出了系统化的机器视觉理论，研究主要集中在基础算法的开发，如边缘检测、特征提取和模式识别等，利用计算机从数字图像或视频中获取信息。此后，计算机技术和图像处理算法飞速进步，视觉技术方法和理论概念开始不断的完善和发展。在工业视觉技术的发展历程中，有两次显著的技术飞跃，从视觉硬件系统基础组件的更新和计算能力的提升、以及图形图像算法突破和智能技术的引入，驱动工业视觉技术从实验室走向实际的工业应用，并使其成为智能制造和工业4.0的核心技术之一。国内工业视觉研究及应用起步于80年代，进入20世纪90年代后期，随着中国制造业的快速发展，对质量控制和自动化生产的需求增加，工业视觉技术一直处于高速发展阶段，并在汽车制造和电子制造等更多行业和领域得到应用。涌现出一批专注于工业视觉的初创公司和高科技企业，出现了多家在该领域具备国际竞争力的公司，国产设备和解决方案开始在市场上占据一席之地。中国已成为世界工业视觉发展最有潜力和最为活跃的地区之一，同时，借助深度学习和人工智能技术，并与其他智能系统集成，可以实现全面的智能化生产管理，视觉技术的应用领域也将不断扩展和深化。4工业视觉系统应用工业视觉技术经历了从简单的定位测量如今高速智能化的发展演进，从模板匹配到机器学习和深度学习的转变。随着数字图像传感器、高性能计算机和深度学习等技术的不断发展，以及视觉应用场景的复杂多样化，工业视觉技术开始与深度学习算法、3D传感技术、互联互通标准等技术进行深度融合，工业视觉系统进入了数字化和智能化的时代。工业视觉典型应用应用领域典型应用汽车制造业气缸盖监测，汽车车身检测，金属铸件检测，装配线上检测，尺寸测量。电子、半导体行业PCB板钻孔定位及测量，BGA锡珠检测，手机平板装配，零部件外观检测，航天电池片检测。烟草行业油封质量检测，在线包装质量检测，烟支外观检测，铝箔纸检测，杂物剔除。金属加工行业表面质量在线检测，工件识别测量定位，圆孔直径测量，齿轮缺陷检测，钢材尺寸检测，螺丝流水线检测，缺陷检测，金属球表面二维码在线识别系统。包装行业证件配页装订在线检测，票据号码印刷质量在线检测，啤酒瓶盖高速检测，卷烟盒包装质量检测，硬币边缘字符在线，包装带缺陷高速自动检测。（1）定位和测量通过边缘检测和识别等基础算法，对获取的图像进行分析，实现对对象的位置和形状的基本判断，或是利用图像中的像素数和已知的比例关系，对工件进行尺寸测量和分析等。（2）模板匹配建立一组标准模板，使用不同的相似度度量标准，如相关系数、平方差和互相关等计算模板和图像各区域的“相似度”，来寻找与预定义模板相似的区域，来识别图像中的特定模式或对象。（3）字符识别和读码字符识别是一种利用视觉系统识别图像中的文字和字符的技术，通过图像处理和模式识别算法，识别印刷或刻蚀在产品上的信息，如零部件上的序列号、批次号、生产日期等。（4）缺陷检测工业视觉缺陷检测是指利用视觉技术来自动识别和分析产品或材料表面的各类加工制造缺陷。如划痕、孔洞、腐蚀，焊点、走线和电容等元件安装的完整性及准确性等。（5）3D视觉检测3D视觉检测技术是现代工业视觉的重要分支，是利用三维数据来进行对象检测、识别和分析，在处理复杂几何形状、检测产品缺陷以及精确测量等任务中，3D视觉系统具有独特的优势。（6）深度学习工业视觉融合深度学习是当前智能制造和工业自动化领域中的一个热门话题，深度学习技术可以自动提取特征，高效地处理图像数据，通过对大规模数据的训练，深度学习可以提供更加全面的环境理解和复杂场景分析，帮助优化控制决策，深度学习技术与工业视觉的融合正在推动工业自动化和智能制造的前沿发展。中国作为全球最大的制造业大国之一，拥有庞大的制造业规模和产业基础，这为工业视觉技术的应用提供了广阔的市场和需求基础。AI、深度学习和5G通讯的发展，工业视觉系统将更为智能和高效。中国的工业基础、市场需求以及政策支持共同促进了这一领域的快速扩张，有望在全球工业数字化转型浪潮中继续保持领先地位。习题1.怎么理解工业视觉技术？请列举几个工业视觉系统的典型应用加以说明。2.工业视觉系统的主要组成是什么，有哪些关键技术？3.请简单分析总结工业视觉技术未来的发展趋势和方向。Thankyou

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第二章工业视觉系统

学习目标掌握工业视觉系统的基本组成及各部件的功能；理解工业视觉系统的工作原理，熟悉工业视觉技术应用的典型工作流程；认识图像处理软件与视觉硬件，了解光源、镜头、相机的技术原理。视觉硬件系统发展的机遇与挑战1工业视觉硬件行业是随着计算机视觉技术的快速发展而兴起的，涵盖了相机、图像传感器、光学镜头、图像处理器等一系列硬件设备。我国拥有完备的工业体系和庞大的制造业规模，形成了多个与工业视觉硬件相关的产业集群，但是在高性能图像传感器、高端光学镜头等关键零部件的制造技术上与国际先进水平仍有一定差距，给相关产业带来了诸多严峻且复杂的问题，对产业的自主发展形成了严重制约。工业视觉技术以其卓越的性能和广泛的应用场景，正引领着制造业迈向一个全新的智能化时代。它不仅使企业实现了生产效率提升、产品质量保障和成本的降低，更在推动产业升级、促进就业结构调整以及增强国家制造业竞争力等方面发挥着不可替代的重要作用。随着人工智能、大数据、量子光学等前沿技术的飞速发展，工业视觉硬件领域将迎来前所未有的变革契机。在这一科技浪潮的推动下，前沿技术与工业视觉硬件的深度交融，必将在半导体制造、高端装备制造等领域掀起一场革新风暴，推动这些关键产业实现从量变到质变的飞跃。2视觉系统工作原理工业视觉系统原理主要包括图像采集、图像信息处理、特征提取、图像识别分析、信息传输和反馈控制等，其核心在于将物理世界的视觉信息转化为可操作的反馈。视觉系统需要根据具体的应用环境和任务要求来配置合适的图像采集设备和技术，例如：适当的分辨率确保捕捉到足够的细节精度、合适的帧率保证实时检测配置合适的光源环境，能获取清晰、对比度良好的图像；合理的镜头焦距和光圈，能适应不同的工业现场视野范围和景深要求等。图像信息处理是图像分析和理解的基础步骤，主要目的是改善图像质量，增强相关特征，使后续的特征提取和图像分析更有效。常用的处理技术包括采用各种滤波技术来减少随机噪声，提高图像的清晰度；利用直方图均衡化或自适应对比度增强调整图像的对比度，强化图像细节；阈值分割和图像几何校正等方法。图像特征提取是指从图像中提取出能够代表图像信息的关键属性或特征，常用的方法包括：使用Sobel、Canny等边缘检测算子来识别并提取图像中的边缘检测图像中显著变化的焦点或特征点图像纹理特征、颜色特征利用傅里叶变换或Hough变换分析图像中对象的边界特征，如直线、圆弧、曲线等图像识别分析是计算机视觉的一个核心应用领域，主要涉及对图像进行中获取的特征进行识别、分类和评估。图像识别分析可以为各类应用提供可靠的视觉数据解读，例如完整性判断、类别识别、位置定位、姿态分析、图像理解等，以实现决策处理和自动化控制等。3工业视觉硬件系统视觉硬件系统由多个组件组成，包括光源、镜头、相机和视觉控制器等，它们协同工作以捕捉、传输、处理和显示图像或视频数据。工业视觉系统光源工业中常用的光源类型有LED光源、荧光灯光源、卤素灯光源、红外光、紫外光、激光光源和同轴光等。工业视觉系统光源LED（发光二极管，LightEmittingDiode）是一种利用电致发光现象将电能转换为光能的半导体光源，因其高效节能、长寿命、响应快、低热量和灵活调整等优点，已成为工业视觉系统中最常用的光源之一。工业视觉系统光源在工业视觉系统之中，光源的作用可以概括为以下几个方面：1）照亮目标物，提高图像的对比度，凸显待检测物体与背景之间的差异；2）形成最有利与图像处理的成像效果，突出物体的边缘和轮廓，或是表面缺陷提高图像处理算法的效率；3）克服干扰，减少反射和阴影，提高图像的可用性，增强视觉系统精度和效率；4）提供稳定和一致的照明条件，确保成像结果的一致性工业视觉系统光源荧光灯的工作原理基于气体放电和荧光粉发光。当电流通过灯管内的汞蒸气时，汞原子被激发并释放出紫外光，这些紫外光激发涂在灯管内部的荧光粉层，荧光粉吸收紫外光后发出可见光。工业视觉系统光源卤素灯的工作原理基于热辐射，内含有钨丝，并充有微量的卤素气体（如碘或溴），通电后这些卤素气体在高温下与钨原子发生化学反应，形成可挥发的钨卤化物气体，在接触到高温钨丝时又分解为钨和卤素气体。工业视觉系统光源紫外光是通过特定材料在电子激发状态下发射出紫外线（UV），工业视觉紫外光源通常具有高光强和精确波长控制，能够揭示在可见光下无法检测到的微小的缺陷和特征。工业视觉系统光源红外光源是工业视觉系统中一种较为独特的光源，红外光源具有独特的穿透能力和对高反射背景的抑制能力，能够穿透某些非透明材料，如塑料和薄膜，使其成为许多特殊检测场合的理想光源。工业视觉系统光源同轴光使用反射镜或棱镜组成特殊装置，使光沿着与相机镜头同轴的路径照向待测物体，可以极大地减少阴影和反射干扰。在一些精密检测应用中，能够准确识别印刷图案和文字的缺陷等特征。工业视觉系统光源确定光源类型要基于具体的检测需求和工业现场环境，应根据具体的检测需求、被检测物体的特性以及工业现场的环境进行综合考虑。例如：物体的表面纹理、反射光泽、特征形状的复杂程度、色彩颜色和透明性、外部光源的干扰等因素。光学镜头镜头在成像系统中的主要功能包括光束调制以及光信号的传递。工业视觉镜头有多种类型，常用的镜头类型有定焦镜头、变焦镜头、微距镜头、广角镜头、线扫描镜头和远心镜头等。光学镜头光束调制是一种改变光束特性以实现特定功能的技术。在成像系统中，光束调制的主要目的是通过光学镜头和其他光学元件来调整光束的路径、聚焦、散射和其他光学特性，从而形成所需的图像。光学镜头不同材料制成的镜头由于其光学特性各异，对光的散射特性会存在显著差异。这些光学特性主要包括材料的折射率、色散（色光不同波长的折射率差异）、吸收系数和表面粗糙度等。折射率决定了光在材料中的传播速度，折射率越高的材料往往能更好地聚焦光线，可以制造出更薄的透镜，但也容易导致更强的折射和散射。光学镜头色散指的是光线通过镜头材料时不同波长的光会出现不同程度地折射，导致产生色散效应。光学镜头镜头表面粗糙度是指镜头表面微观峰谷不平度的程度，是衡量镜头表面微观细节的一个重要参数，通常以纳米或微米为单位进行度量。粗糙度较大的镜头表面会导致光线的散射，产生杂散光和眩光，增加图像噪声，减低图像的信噪比，并使图像亮度降低；表面粗糙度越低，镜头的表面越光滑，光散射现象越少，成像质量越佳。工业相机相机是获取图像的前端采集设备，以CCD或CMOS图像传感器为核心部件，集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。工业相机根据传感器类型、接口、成像模式、分辨率以及适用环境等方面的不同，工业相机有着多样化的选择，以便适应不同的工业应用场景。按照相机的图像传感器类型，工业相机可以分为CCD相机和CMOS相机两大类，二者的区别主要在于电荷的转移、转换和信号传递方式的不同。工业相机按照成像模式工业相机可以分为线阵相机和面阵相机。线阵相机适合检测连续运动的物体，常见于印刷品检测、纺织品检测等；而面阵相机是采用拍摄全幅图面像素矩阵的方式取像，适合工业检测和监控领域对物体表面进行全面检测的场景。工业相机按照分辨率大小可以分为中低分辨率相机和高分辨率相机。低分辨率相机采集速度快、数据处理简单且成本低，适用于要求不高的基础监控和简单的工业检测；4K（3840x2160像素）及更高的分辨率相机能提供非常细致的图像，用于需要更多细节的工业检测和显微成像等应用。工业相机按照接口类型工业相机有USB、GigE、CameraLink和CoaXPress等几种常用类型：USB接口是一种具有较强的兼容性的通用且标准化的接口GigE（GigabitEthernet）相机利用千兆以太网作为数据传输接口CameraLink由自动化成像协会（AIA,AutomatedImagingAssociation）推出的一种用于工业相机的高速传输接口标准CoaXPress是由日本JIIA（JapanIndustrialImagingAssociation）提出一种高性能的图像数据传输接口标准工业相机在设计和选择工业相机时，除了上述分类标准外，还必须充分考虑其耐用性、抗干扰能力和可靠性，以确保其在各种工业环境中能够稳定、长时间地工作。视觉控制器工业视觉控制器是用于管理和控制工业视觉系统中不同组件之间数据通信的设备，主要作用可以确保数据的高效和可靠传输，以支持实时图像处理和控制任务。视觉控制器视觉光源控制器是机器视觉系统中一个重要的组件，主要用于控制光源设备、管理和优化照明条件，以确保相机能够捕捉到高质量的图像。4视觉图像处理软件工业视觉软件是专门设计用于工业环境下能够执行图像处理、分析应用的系统化软件。软件涵盖全套的视觉分析工具和检测方案，如边缘检测、模板匹配、缺陷检测等工具模块，支持多种图像格式和相机设备，具备实时图像处理能力，能够在短时间内完成图像采集、处理和分析。目前，市场上有多种类型的视觉软件，大多集成了强大的图像处理和分析能力，能够满足各种工业需求。CognexVisionPro：VisionPro是Cognex公司开发的一款工业视觉软件，广泛应用于各种工业检测、自动化、质量控制和机器人引导等领域。NIVision：NIVision是由美国国家仪器（NationalInstruments，NI）开发用于LabVIEW，CVI和其他图像处理及分析环境的工业视觉解决方案，与NI硬件及LabVIEW软件生态系统高度兼容，提供了图像采集硬件、图像处理软件和丰富的分析工具库。HALCON：HALCON是德国MVTecSoftware公司开发的一款机器视觉软件，支持2D和3D视觉处理应用，同时包括HDevelop集成开发环境（IDE），提供了强大的开发和调试工具。OpenCV（OpenSourceComputerVisionLibrary）：是一个开源的计算机视觉和机器学习软件库，由英特尔公司于1999年发起。OpenCV具有

、Python、Java和MATLAB等编程语言接口，满足不同开发者的需求；同时内置多种经典的机器学习算法，并支持深度学习模型的导入和推理。Visionmaster（VISIONMASTER）：VisionMaster是海康机器人自主开发的机器视觉软件算法工具。算法开发平台提供了千余个自主研发的图像处理算子与多种交互式开发工具，内部集成了机器人工业相机、智能相机、视觉控制器等设备各个接口的SDK，提供了易于使用的界面和强大的图像分析工具，能满足视觉定位、尺寸测量、缺陷检测以及信息识别等各种工业视觉应用。随着工业4.0和智能制造的推进，全球工业视觉软件市场呈现高速增长的态势，工业视觉技术正引领着工业领域的数字化转型。未来，随着全球市场需求的不断增长和技术的进一步突破，工业视觉软件将会在更多领域中发挥其潜力，推动工业智能化进程。Thankyou

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第三章视觉光源方案设计

学习目标掌握光的本质特性，理解不同材质的光学反射特性及其对成像的影响；了解光源控制技术，掌握触发、调光和频闪等关键控制参数及其工程意义；理解不同照明方式的工作原理、效果特性及适用场景；掌握光源方案设计方法，具备根据检测需求设计针对性照明方案的能力。国内工业视觉光源行业的发展状况1国内企业进军视觉光源领域时间较早，国产化产品占据市场主导地位，以奥普特为代表的一批具有一定规模和技术实力的企业，通过技术创新、产品差异化和市场拓展等手段，不断提升自身的市场份额和品牌影响力。结合人工智能技术，视觉光源将具备更多的智能化功能，以适应不同的检测需求和环境变化，并与其他工业设备和自动化生产线实现更好的集成。2光的反射特性及参数光的反射特性光的反射是一个基本的光学现象，指的是光线碰到一个界面时返回到原介质的过程。反射光会表现出正反射、扩散反射和混合反射等不同类型的反射特性，并遵循特定的物理定律。光的反射特性正反射（也称为镜面反射），是指光线碰到光滑、均匀的表面（如镜面、高精度加工或抛光的金属表面）时，以等角度反射的现象。光的扩散反射又称漫射或漫反射，是指当光线照射到粗糙或不均匀的表面时，反射光线会向各个方向散射。扩散反射会使得照射到物体表面的光线更加均匀，观察到的表面通常没有亮斑或高光，会呈现出一种哑光或无光泽的感觉。光的折射光在不同介质中的速度是不同的，这主要受到介质的光学性质、即介质的折射率影响。折射率是介质中光速相对于真空中光速的比值，当光从一种介质进入另一种介质时，由于折射率不同，光速发生变化，导致光线方向发生改变，这种现象就称为折射现象。光的反射和折射在科学和技术中有着广泛的应用，这些现象被利用在各种设备和系统中，从基本的视觉效应到复杂的光学器件和通信系统，都是基于对反射和折射现象的理解和利用。在自动化和检测系统中，各类视觉检测系统通过反射和折射光线，能准确分析物体表面的缺陷和特征，广泛用于质量控制。光的偏振一般情况下，光波的振动方向是随机分布的。但通过特定的手段，可以使光波的振动方向变得有规律，这种光就是偏振光。光的偏振偏振片是一种可以过滤光的特定振动方向的材料，通过偏振片的光只有一个特定方向的电场振动成分，这样就得到了偏振光。偏振光的这种独特的特性使其在许多领域中具有重要应用，例如利用光的偏振特性来观察矿物晶体结构和生物样品中的微细结构、表面的粗糙度和微观结构、判断材质类型和成分等。光的颜色光是电磁波的一种，它的颜色主要由波长决定，可见光的波长范围大致在400到700纳米(nm)之间，不同波长的光给人类视觉带来不同的颜色感知。光的颜色在计算机科学和数字图像处理中，通常使用三基色颜色模型来对颜色进行编码和处理。RGB模型，即红、绿、蓝三色模型。RGB是目前显示技术（如电视屏幕、计算机显示器和手机屏幕）以及数字图像处理中应用最为广泛的三基色模型。光的颜色CMY模型（青、品红、黄）,CMY是基于三种基色墨（水）的减色混合，通过吸收某些波长的光来反射出其他颜色。HSI模型（色调、饱和度、亮度），HIS是将颜色分解为色调（Hue）、饱和度（Saturation）和亮度（Intensity）。HSV模型（色调、饱和度、明度），HSV模型与HSI模型类似，同样是将颜色分为色调（Hue）、饱和度（Saturation）和明度（Value）。YUV模型（亮度、蓝色差、红色差），YUV是将图像信息分为亮度（Luminance，Y）和色度（Chrominance，U和V）。光强光强，也称为光辐射强度，是指单位立体角内单位时间从点光源辐射出的光通量。光强可以理解为采集设备接收到的光源在空间发射的辐射功率，光强直接影响到成像质量、精度和一致性。光强高光强的光源能在低光情况下提高图像对比度，有助于检测细微的缺陷或特征。但是，光强过大也会对工业视觉系统的成像质量和检测精度带来负面影响。在过曝的图像中，亮区和暗区之间的对比度会降低，难以区分微小的特征和缺陷。与此同时，过曝区域的细节会丢失，图像中的亮区变成纯白色，无法进行有效的图像处理和分析。3光源照射角度和布置光源的照射角度和布置在视觉或影像检测系统中是确保准确度和清晰度的关键因素。正确的光源布置可以减少反射、阴影和过曝等问题，从而提高图像的清晰度和细节表现。正面照射是指光源直接从相机方向照射到被检测物体，这种方式可以减少图像中的阴影，适用于表面平整、反射率低的物体表面打光。侧面照射，顾名思义就是将光源和相机放置在被测物的同一侧，并将光源设置在镜头轴线的侧面，得到投射在物体表面后的正面反射光。根据不同被测表面反光特性和光源的角度位置，侧面照射可以分为低角度照射和高角度照射，分别对应图像明视场和暗视场两种模式。在一些复杂的工业应用中，可以结合使用明视场和暗视场成像，以获得更全面的检测结果，覆盖更广泛的缺陷类型和产品特征。背光照射是光源从物体的背面照射，光线通过物体或在物体边缘形成轮廓。背光照射能够清晰地捕捉到物体的边界，特别适用于测量和检测透明或半透明物体的轮廓、形状、尺寸，以及不透明物体的轮廓和边缘。背光照射常用于识别和分析物体的边缘特征，如裂缝、缺口和毛刺等，还常用于透明或半透明物体的轮廓和内部结构，如用于检测玻璃、塑料等透明或半透明材料的内部结构检测。视觉光源设计视觉光源设计是一个综合考虑多方面因素的过程，需要从光源类型、颜色和波长、照明角度和布置、光强和均匀度、环境适应性、成本效益等多方面进行细致考虑和权衡。视觉光源设计确定光源类型适配需要以应用需求和材料特性为指南，根据检测对象的表面特性和检测任务类型来选择合适的光源类型，如环形光源、条形光源、穹顶光源、背光源等。不同材质有不同的反射特性和检测需求，在项目评估阶段可以灵活选择不同颜色和波长的光源。视觉光源设计红光的波长较长，在很多材质表面上有更好的穿透性和反射特性，常用于金属和非金属表面检测光源；蓝光波长较短，相对于红光和绿光有更好的衍射效应和更高的分辨率，特别适合用于高反光、细节丰富的表面；红外光和紫外光因其独特的波长特性，各自在材料内部检测和特殊标记检测领域中发挥重要作用；白光优势在于光谱范围宽，可以在多种应用场景下提供足够的照明和对比度，白光的丰富频谱能提供充分的细节呈现；此外，白光的均匀照明和完整光谱能够为图像处理算法提供良好的基础数据，在图像分析和后期处理上更有利于后续图像处理和分析。4光源控制器光源控制器可以精确控制光源的亮度、频闪频率、同步等参数，从而优化照明效果，提高系统检测性能。光源控制器的主要功能包括亮度调节、频闪控制、同步控制和光通道控制等。（1）调节亮度利用光源控制器动态调整光源的亮度，可以灵活地控制被拍摄物体的光照强度，适应不同照明条件、场景要求或被测对象的特性，从而获得合适的图像对比度和清晰度。（2）频闪控制频闪控制是指使用电子控制技术来快速切换光源的开关状态，目的是通过控制光源的开启和关闭时间，实现对光照强度和持续时间的精确控制。（3）控制触发和同步同步控制的目的是将光源的频闪或亮暗变化与相机快门等设备的工作过程精确匹配，确保光源在特定时刻能够进行触发，或者与工业相机以及其他传感或伺服设备进行同步操作。（4）通信功能工业视觉光源控制器通常提供了多种通信接口，如以太网、USB、RS232串口通信、WIFI或蓝牙无线通信等，以便与其他设备进行连接和通信。除此以外，工业视觉光源控制器还要具备一定的电气安全和防护设计，配备过载保护、热管理、电源稳定等功能，以确保光源的正常运行和长时间稳定的照明性能。光源控制器通常集成多个功能模块，以实现其复杂而全面的控制功能。微控制器—微控制器是光源控制器的大脑，负责执行所有控制逻辑和运算任务；通信模块—包括RS232、以太网、Wi-Fi、蓝牙等，用于与其他设备或中央控制系统进行数据通信和网络连接控制；传感器接口—用于连接各种类型的传感器，监控工业环境和设备情况，实现自动控制；电源管理模块—转换控制器和传感器所需的电压，通常兼具电源保护功能；驱动模块—包括LED驱动器、调光电路和功率驱动等，可实现稳定的光输出和PWM调光和DC调光等功能，确保光源在不同亮度和色温下的稳定运行；散热模组—控制器和光源在高负载下的温度控制，防止过热损坏。光源控制器可以通过多种方式对光源进行控制，以满足不同应用场景的需求。这些控制方式涉及调节亮度、颜色、频闪模式等多个方面。包括：脉宽调制、电压/电流调节、恒流控制、传感器反馈控制和无线控制等。Thankyou

工业视觉系统应用技术

第四章视觉成像

学习目标掌握镜头成像原理，理解焦距、光圈、景深、视场角等工业镜头的关键技术参数；掌握工业相机的基本结构和工作原理，理解CCD和CMOS传感器的成像机制；能够根据应用需求，进行核心成像参数的计算与选型。自主创新是民族企业发展的必由之路1建设制造强国，必须牢牢把握战略机遇，坚持创新驱动发展，勇立时代潮头。大疆创新以自主创新为引领，主导制定消费级无人机国际标准，首创飞行视觉系统安全规范，用颠覆性视觉技术重塑行业格局。实践深刻证明，唯有将自主创新融入发展基因，将产业报国铸就精神内核，民族企业才能实现从“追赶者”到“领跑者”的历史性跨越。我们要汇聚全社会创新合力，加快推动中国制造向中国创造转型、中国速度向中国质量升级、中国产品向中国品牌跃迁，奋力谱写制造强国建设的崭新篇章。2光学镜头及其参数工业镜头一般是由多个不同的光学元件组成的复杂系统，包括透镜组、光圈与焦距调节机构、固定部件和连接机构等，通过特定的排列和光路设计完成对光线的处理，聚焦光线并形成图像。对焦装置用于调整透镜组中的光学元件的位置，从而改变焦点的位置，以便在不同距离上实现清晰聚焦，确保物体在图像传感器上形成清晰的成像。光圈环是用于控制镜头光圈开口大小的一个可旋转环，光圈的大小直接影响镜头的曝光量和成像景深。镜头接环是镜头连接到相机机身的连接件，镜头接环的主要作用是机械连接、光学对准和兼容扩展。镜头滤光片是安装在镜头前端或内部，可以精确控制进入相机的光线波长，旨在控制和优化通过镜头到达图像传感器的光线的光学元件。常见的滤光片类型有：UV滤光片（紫外线滤光片），能够阻挡紫外线光，减少紫外线造成的图像质量下降；IR滤光片（红外线滤光片），能阻挡红外线光，防止红外线干扰图像传感器，导致成像失真；偏振光滤光片，仅允许特定方向的偏振光通过，减少反光面（如金属、玻璃、水面等）的散射光和反射光，提高图像对比度和清晰度。镜头外壳和框架等支撑部件在镜头的整体结构中也发挥着至关重要的作用。它们不仅提供机械稳定性和耐久性，还能起到保护内部的光学元件和电子组件的作用。镜头类型镜头通常是使用折射率不同的各种硝材经研磨、抛光和镀膜等工艺，加工成高精度的曲面镜片，并把这些镜片进行组合。（1）标准工业镜头工业镜头是专门设计用于工业应用中的光学成像和检测任务的镜头，通常具有较高的光学精度和分辨率，旨在确保在复杂、多变和高要求的工业环境中提供高精度、高可靠性和高质量的成像和检测服务。（2）长焦镜头工业长焦镜头是专门为满足工业领域中远距离、高精度成像需求而设计的。长焦镜头具有高放大倍率，支持较长的工作距离（WD），能在不干扰目标物体的前提下进行远距离成像。（3）广角镜头广角镜头是指具有较大的视角（视场角），通常具有90度以上的视角，一些甚至能达到180度，可以覆盖更大的工作区域，减少盲点，特别适用于需要大范围监控和检测的场景。（4）微距镜头微距镜头专为近距离拍摄设计，能够在非常近的距离拍摄对象，捕捉微小细节，适合于微小物体的高精度成像。（5）鱼眼镜头工业鱼眼镜头是一种特殊用途的广角镜头，能够提供极宽广的视角，在需要广域监控和全景成像的工业领域应用中发挥着重要作用。镜头参数（1）工业镜头接口类型镜头的接口也称镜头安装规格，是指镜头与摄像设备（如相机、摄像机等）之间的连接方式和物理接口标准。常见的工业视觉标准接口包括C接口（C-Mount）、CS接口（CS-Mount）、F接口（F-Mount）、M42/12接口（M42/12-Mount）等多种安装类型等。镜头接口不仅是机械连接，现代镜头接口有些还提供电子接点，可用于实现电子光圈控制、自动对焦和镜头数据传输等功能。（2）焦距工业镜头的焦距是指从镜头主光学中心到成像平面的距离，是衡量光学系统汇聚或发散光线能力强弱程度的度量方式。短焦镜头视场角大，适合大范围的监控、需要涵盖大面积或多个目标的检测任务；长焦镜头适合于拍摄远距离场景或特定细节，可以对远距离的物体进行细致、高分辨率的观察和分析。（3）工作距离工业视觉领域一般将镜头组中心到被测对象的距离称为工作距离（WD）。不同的镜头在不同工作距离上的成像效果不同，正确的工作距离能够确保光线通过镜头后正确会聚在成像传感器上，从而形成清晰的图像。镜头的工作距离、视野、焦距和适配的相机CCD尺寸是成像系统中的关键参数，它们之间彼此关联，共同影响成像质量和系统性能。工作距离、视野、焦距和适配的相机CCD尺寸符合以下比例公式：（4）视野视野是镜头可以捕捉到的实际空间范围，工业视觉应用中常用视场角或视角来描述视野范围。（5）镜头倍率镜头倍率也称为镜头光学倍率，是指被测对象的实际大小（通常也指拍摄的视野范围）与光学系统的成像大小（所使用相机的传感器尺寸）的比值。（6）光圈光圈用于控制照射光线透过镜头进入相机感光面的总体光通量，调节光圈可以控制光路系统能够接收的光线能量，影响成像的明暗效果；同时，光圈也是决定镜头景深的关键参数。3工业相机成像工业相机是一种专门为工业检测和监控应用而设计及的高性能相机，以CCD或CMOS图像传感器为核心部件，集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。相机成像原理相机是获取图像的前端采集设备，主要依赖于CCD（电荷耦合器件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）图像传感器。（1）像元像元，或称为像素（Pixel），有时也称为光敏元，是组成图像传感器的最小感光图像单元。（2）CCD与COMSCCD（ChargeCoupledDevice，电荷耦合器件）和CMOS（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，互补金属氧化物半导体）是两种主要的图像传感器技术，集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD通过光电二极管将光转换为电荷，通过电荷耦合方式将这些电荷逐行传输到一个读出放大器进行信号处理。CMOS传感器同样通过光电二极管将光转换为电荷，但每个像素内包含一个单独的放大器，允许直接访问和读取每个像素的电压信号。CCD传感器由于采用的是电荷逐行传输的方式，色彩一致性较好，噪声水平较低；CMOS传感器能够支持高帧率拍摄，而且CMOS传感器可以集成更多的功能，如图像处理电路和模数转换器（ADC），这也减少了外部组件的需求，简化了设计并降低了成本。相机参数（1）分辨率分辨率又称为解析度或解像度，主要用于描述相机对被摄物的分辨能力，通常以