机器视觉及其应用技术 第3版 课件 02-机器视觉基础-陈东

机器视觉基础Copyright@苏州中科行智智能科技有限公司公司官网：中科行智产品培训之INTRODUCTION1相

机2镜头3光源CONTENTS目录相机1相机类型相机参数与选型相机采图和接线方式1.相机类型CCD相机

CCD（电耦合元件）是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。以其构成的CCD相机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。CMOS相机采用CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器的相机。CCD造价贵，且基本已停产，市面上主流是CMOS芯片2d相机芯片——CCDvsCMOS1.相机类型2d相机颜色——黑白vs彩色黑白相机

黑白相机直接将光强信号转换成图像灰度值，生成的是灰度图像。彩色相机

彩色相机能获得景物中红、绿、蓝三个分量的光信号，输出彩色图像。彩色相机能够提供比黑白相机更多的图像信息。1.彩色相机一般会有滤光片，滤除近红外光。2.彩色相机在算法处理时也是分通道转灰度图进行处理。1.相机类型2d相机像素排列——面阵vs线扫面阵相机

阵列排列，阵列中的每个感光单元对应一个像素，被拍摄的目标的一个

面被成像，目标与相机之间可以是静止的，也可以是相对运动的。

可以在短时间内曝光、一次性获取完整的目标图像，具有测量图像直观

的优势，常应用于测量目标物体的形状、尺寸与缺陷等信息。线阵相机感光单元排列是一维的，每次曝光仅是目标上的一条线被成像，形成一行图像，随着目标物体与相机之间的相对运动，相机连续曝光，最后形成一幅二维图像。

幅面宽，像元尺寸较灵活，行频高，常应用于一维动态目标的测量，如需要极大的视野或极高的精度或被测视野为细长的带状，多用于滚筒上检测的问题。面阵相机拍整幅视野，线扫相机需搭配平移、旋转机构使用1.相机类型3d相机——结构光vs线激光结构光相机

3D结构光相机获取物体被结构光条纹调制的二维图像，再从包含变形条纹的二维像中通过数字重建方法得到物体的三维数字像，如下图1-3所示。高精度、多角度还原3D数据模型，高速准确的3D点云重建。线激光相机线激光技术和结构光技术都是基于三角测量原理，区别在于线激光需要配合高精度运动平台才能获得完整的点云数据，结构光可以一次性获得整个被测物体的点云数据，不需要其它的运动装置，效率更高。缺点是Z轴的精度没有线激光高。结构光相机拍整幅视野，线激光相机需搭配运动机构使用2.相机参数分辨率•

定义：相机能够捕捉到的细节度称为分辨率，用像素来衡量。相机的像素越多，能够拍摄的细节也就越多，照片也就可以越大而不变得产生模糊。•

面阵相机常见的分辨率有：30万—640x480，130万—1280x1024，500万—2448x2048，1200万—4096x3000，2000万—5472x3648等等•

线阵相机常见的分辨率有：1K—1024,2K—2048,4K—4096,8K—8192,16K—16384&16352等等面阵相机分辨率常用nMP（millionpixel）表示，线阵相机分辨率常用nK表示。2.相机参数•

定义：像元是相机芯片的最小组成单位，像元尺寸就是每个像元的面积。•

单个像素面积小，单位面积内的像素数量多，相机的分辨率增加，利于对细小缺陷的检测和增大检测视场。•

数字相机像元尺寸为3μm~10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。1.像元尺寸越小，对镜头分辨率要求越高。2.像元尺寸越小，芯片感光效果越差。像元尺寸2.相机参数靶面尺寸•

定义：指相机芯片对角线尺寸，又称靶面尺寸，单位为英寸（“）。1英寸——靶面尺寸为宽12.7mm*高9.6mm，对角线16mm。（3:4:5)2/3英寸——靶面尺寸为宽8.8mm*高6.6mm，对角线11mm。1/2英寸——靶面尺寸为宽6.4mm*高4.8mm，对角线8mm。1/3英寸——靶面尺寸为宽4.8mm*高3.6mm，对角线6mm。1/4英寸——靶面尺寸为宽3.2mm*高2.4mm，对角线4mm。1”2/3”1/1.8”1/2”1/3”1/4”不同于正常的单位换算，在工业相机领域中1“=16mm。2.相机参数曝光方式•

全局快门（Global）：光圈打开后，整个图像芯片同时曝光。曝光时间与机械的开关速度有关，适合拍动态物体。•

卷帘快门（Rolling）：同一行上的像素同时曝光，不同行的曝光起始时间不同，每行的曝光时间是相同的，行间的延迟不变，适用于拍摄静态物体。1.在飞拍项目中，由于产品处于运动状态，相机曝光时间如果过大，也会造成图像拖影，此时可用以下公式计算：最大曝光时间*运动速度<像素精度（视野/分辨率）。当最大曝光时间很小时，镜头通光量也会很小，这时需要考虑增大镜头光圈或提升光源亮度的方式进行增亮。全局快门卷帘快门2.相机参数帧率&像素深度•

帧率定义：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数，对于线阵相机为每秒采集的行数。•

帧率属性见于面阵相机（单位fps），行频属性见于线扫相机（单位Hz）。•

像素深度定义：每位像素数据的位数，单位为bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。例如对于像素深度为32bit的500万像素，则整张图片应该有500W*32/8/1024/1024=19M。增加像素深度可以增强测量的精度，但同时也降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度。(注：1MB=1024KB、1KB=1024Byte、1Byte=8bit)使用ROI可以适当提升帧率2.相机参数放大倍率&像素精度•

放大倍率定义：靶面/视野。如10mmx7.5mm的视野，使用5MP卷帘相机，其靶面尺寸为5.7mmx4.3mm，则放大倍率=5.7/10=4.3/7.5=0.57X。•

像素精度定义：视野/分辨率。如10mmx7.5mm的视野，使用5MP卷帘相机，其分辨率为2592x1944，则像素精度=10/2592=7.5/1944=3.86μm。•

由于芯片尺寸=分辨率x像元尺寸，故像素精度计算公式还可以为：像元尺寸/放大倍率。如使用5MP卷帘相机，其像元尺寸为2.2μm，当放大倍率为0.57X时，其像素精度=2.2/0.57=3.86μm。1、使用远心镜头时，由于其放大倍率固定，常用像元尺寸/放大倍率来计算像素精度。2、一般项目中遇到AI缺陷检测，比如最小缺陷检测标准0.2mm，那么像素精度需要降一个数量级，即至少达到0.02mm；尺寸检测，比如产品长宽公差0.1mm，如果没有其他指标的情况下，一般精度也按照1/10公差来选型，即0.01mm。2.相机参数数据接口2.相机参数相机选型3.相机采图和接线方式采图打开电脑上的控制面板，依次点击网络和Internet>网络和共享中心>更改适配器配置，选择对应的网卡，建议将PC的网口配置成使用静态IP地址，相较动态IP可缩短设备搜索时间。为保证客户端的正常运行以及数据传输的稳定性，在使用客户端软件前，需要对PC环境进行设置。一般都需要关闭防火墙；开启网卡巨帧3.相机采图和接线方式采图完成相机和客户端的安装后，在设备列表中，若相机为不可达状态，则需要手动设置相机IP。具体如下：1.双击状态为不可达的相机名称，界面将弹出“修改IP地址”对话框。2.在“修改IP地址”对话框中，选择“静态IP”，参照相机可达的网段（图2-6红框所示），设置相机的“IP地址”、“子网掩码”以及“默认网关”，单击“确定”，如图2-6所示。3.相机采图和接线方式1、以海康相机CA050-10GM为例，接电源对应管脚1和6，触发输入对应管脚2和5，不同家买的电源线序颜色可能不同，可看具体对应管脚说明。接线方式3.相机采图和接线方式1、以海康相机CA050-10GM为例接线方式3.相机采图和接线方式接线方式3.相机采图和接线方式1、一般海康相机软件，触发源默认line0，触发极性默认上升沿，因此触发设置只需将Mode改为On。接线方式镜头2镜头参数镜头类型与选型镜头调试方式镜头配件1.镜头参数接口镜头和摄像机之间的接口有许多不同的类型，工业摄像机常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。C接口和CS接口是工业摄像机最常见的国际标准接口，区别在于C型接口的后截距为17.5mm，CS型接口的后截距为12.5mm。1.镜头参数接口CS型接口的摄像机可以和C口及CS口的镜头连接使用，只是使用C口镜头时需要加一个5mm的接圈；镜头与相机的安装如果缺少或者多加了5mm的延长管，将有可能出现图像模糊，成不了清晰的图像。C型接口的摄像机不能用CS口的镜头。1.镜头参数工作距离定焦镜头：需要自己计算或者实际测量出所需要的工作距离远心镜头：固定工作距离，查看产品手册即可，一般镜头标签上会注明工作距离（WorkingDistance）：一般指镜头前端到被测物体的距离，小于最小工作距离一般不能清晰成像。1.镜头参数焦距和视场角定焦镜头：按照焦距选型远心镜头：按照倍率来选型焦距：指主点到焦点的距离，决定了像与实际物体之间的比例。视场角：镜头的视场角决定了能够被覆盖拍摄景物的范围，视场角越大，视野就越大。1.镜头参数光圈相对孔径：指镜头的入射光孔直径（D）与焦距（f）之比，即

D/f，主要影响像面的照度；最大相对孔径：一般标示在镜头上，如1:1.2或f/1.2

；光圈系数：相对孔径的倒数称为光圈系数，用Ｆ表示，F

=f

/D。1.镜头参数景深景深（DepthOf

Fied）:景深是指在摄影机镜头或其他成像器前沿着能够取得清晰图像的成像器轴线所测定的物体距离范围。1.镜头参数景深主要参数-景深景深的影响因素

镜头光圈• 光圈越大，景深越小；• 光圈越小，景深越大。镜头焦距• 镜头焦距越长，景深越小；• 焦距越短，景深越大。拍摄距离• 距离越远，景深越大；• 距离越近，景深越小。图：不同光圈下的景深示意图1.镜头参数分辨率指在像面处镜头在单位毫米内能够分辨的黑白相间的条纹对数，分辨率为1/2d，d为线宽，单位是”线对/毫米”（lp/mm）；理想镜头的分辨率完全由相对孔径所决定，相对孔径越大，F越小，分辨率就越高；在视场边缘，由于成像光束的孔径角比轴上点小，因此分辨率有所降低。1.镜头参数支持CCD尺寸2.镜头类型定焦镜头指只有一个固定焦距的镜头；随着工作高度的变化，视野会发生变化；光圈可调，可手动控制进光量；存在一定的畸变。2.镜头类型定焦镜头——畸变短焦距镜头一般表现为桶形失真，长焦距镜头一般表现为枕形失真。人眼感觉不到小于2%的畸变。在进行精度较高的测量时，需要校正畸变。无畸变图像桶形畸变枕形畸变2.镜头类型远心镜头远心指的是一种光学的设计模式：系统的出瞳或入瞳的位置在无限远处。目的就是消除由于被测物体（或CCD芯片）离镜头距离的远近不一致而造成放大倍率不一样的情况。远心镜头纠正了传统镜头的误差，它可以在一定距离内，使所成的像的尺寸不会因为距离的变化而改变。2.镜头类型普通镜头与远心镜头对比左图：某圆柱体上的同一内齿槽，上图采用远心镜头拍摄，下图采用普通镜头拍摄。右图：相隔100mm的两个相同的螺丝，上图采用的是远心镜头拍摄，下图采用普通镜头拍摄。普通镜头远心镜头2.镜头类型远心镜头——物方、双远心物方远心镜头：只是物方主光线与镜头主轴平行工件上下变化，图像的大小基本不会变化，使用同轴落射照明时的必要条件，小型化亦可对应。双侧远心镜头：物方，像方均为主光线与光轴平行，光圈可变，可以得到高的景深，比物方远心镜头更能得到稳定的像最适合于测量用图像处理光学系统，但是大型化成本高2.镜头类型镜头选型定焦镜头如何选取合适焦距的镜头？计算公式：焦距f＝WD（镜头工作距离）×CCD芯片尺寸(长or宽)/FOV(长or宽)如何计算出合适倍率的远心镜头？计算公式：放大倍率＝CCD芯片尺寸(长or宽)/FOV(长or宽)2.镜头类型镜头选型Step1：确定CCD芯片大小Step

2

：

确定视场大

小Step

3：计算

光学放大倍率Step

4：确定工作距

离Step

5：查找目录

找出接近的型号Step

6：察看景深

、分辨率是否满足要求Step

7：确定镜头接口和最大兼容

CCD无问题3.镜头调试方式FA镜头远心镜头调焦：对焦调节顺时针或者逆时针旋转，直至图像清晰光圈：光阑调节顺时针或者逆时针旋转，改变进光量，增加或减少图像亮度，一般设置在中间区域记录参数：一般实验中图像确认OK后，记录下镜头工作距离，方便设备还原工作距离固定，光圈固定，因此常规款只需要按照说明书固定工作距离来放置镜头4.镜头配件

偏振镜也叫偏光镜，简称PL镜，是一种滤色镜。偏振镜的出色功用是能有选择地让某个方向振动的光线通过，在彩色和黑白摄影中常用来消除或减弱非金属表面的强反光，从而消除或减轻光斑。偏振镜偏振原理4.镜头配件

偏振镜一般应用：镜头前加装偏振镜，光源前加偏振片，旋转偏振镜，直至合适的角度停止旋紧。4.镜头配件

接圈（延长管）接圈（延长管）：改变相机工作距离，视场大小。延长管规格：1mm，2mm，5mm，10mm，15mm，20mm。延长管可以组合应用，但是要注意不同焦距的镜头所能接的延长管的长度是不一样，如果过长，可能会成不了清晰的图像4.镜头配件扩倍镜增倍镜（扩倍镜）是用另外的镜组，增加到原镜头上，对视场进行相应倍率的放大光学倍率规格：1.5X,2.0X,2.5X,3.0X,4.0X,5.0X4.镜头配件棱镜棱镜常用来转折光路或者将光学系统所成的像偏转90°。根据棱镜的方位不同，成像可为左右一致而上下颠倒与左右不一上下一致。光源3光源特性常见光源类型光源选型频闪光源使用方法1.光源特性光源的作用①强化特征，弱化背景②突出测量特征③提高图像信息④简化算法⑤减低系统设计的复杂度⑥提高系统的检查精度、速度1.光源特性波长（wavelength）是指波在一个振动周期内传播的距离。也就是沿着波的传播方向，相邻两个振动位相相差2π的点之间的距离。波长λ等于波速u和周期T的乘积，即λ=uT。同一频率的波在不同介质中以不同速度传播，所以波长也不同机器视觉上常用的光源颜色有：红、绿、白、蓝、UV、IR波长1.光源特性色温是表示光线中包含颜色成分的一个计量单位。•从理论上说，色温指绝对黑体从绝对零度（－273℃）开始加温后所呈现的颜色。黑体在受热后，逐渐由黑变红，转黄，发白，最后发出蓝色光。当加热到一定的温度，黑体发出的光所含的光谱成分，就称为这一温度下的色温，计量单位为“K”（开尔文）。•如100W灯泡发出的光的颜色，与绝对黑体在2527℃时的颜色相同，那么这只灯泡发出的光的色温就是：（2527+273）K=2800K色温1.光源特性光颜色的合成与互补光的三原色R–红G–绿B–蓝光的三原色：红，绿，蓝红、绿、蓝三色为互补色。光照在物体上，物体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。如红光照在红色物体上，黑白相机成像物体成白色；红光照在绿色物体，黑白相机成像物体为黑色。2.常见光源类型环形光源产品特点•角度覆盖全，0-90度均有覆盖•可与漫射板配合使用，使得发光更加均匀•针对特定项目，可多个角度光源组合使用环形光源：光照均匀、图像字符清晰条形光源：光线方向单一、字符成像不全2.常见光源类型条形光源产品特点•长度定制化，兼容各种大小不同的视野•使用灵活性强，可灵活调节角度，组合使用，左右距离调整，高低摆放等条形光源：可以消除表面反光影响、图像字符清晰环形光源：受表面反光影响、字符成像不全2.常见光源类型同轴光源产品特点•可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰。•采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。同轴光源：可抑制表面凹凸影响，使印刻字符清晰成像条形光源：字符与背景对比不明显难以读取2.常见光源类型碗状光源产品特点•半球型发光面，发光角度覆盖360°•均匀性超高，适宜表面高度信息复杂的均匀打光碗状光源：光照均匀，消除曲面反光影响，表面压伤成像清晰环形光源：由于表面曲面反光，光照不均匀2.常见光源类型开孔光源产品特点•灯珠均匀分布在四周经过导光板形成扩散的光线，大面积高均匀性照射，用于定位，测量等多种场景l•定制化程度高，发光尺寸，开孔大小以及位置皆可结合项目实际开发电路板检测2.常见光源类型背光源产品特点•大幅面均匀照明，主要用于透视轮廓成像2.常见光源类型平行背光源产品特点•光线具有更好的方向性，均匀性更好•采用特殊平行膜设计，视觉效果更好2.常见光源类型漫射背光与平行背光区别2.常见光源类型点光源产品特点•大功率LED，体积小，发光强度高。•适合作为远心镜头的同轴光源等表面Mark点定位2.常见光源类型AOI光源产品特点•多色多角度照射，能准确反映产品表面层次信息•产品外加漫射板导光，减少强反光•不同角度的三色光照明，照射凸显焊锡的三维信息焊锡检测2.常见光源类型线形光源产品特点•采用柱面聚光棒，超高亮度适用于各种流水线连续工作场合瓷砖缺损检测2.常见光源类型隧道光源产品特点•隧道光源采用独特的照射结构，LED底部照射通过圆拱形反光涂层均匀扩散照射光源采用顶级大功率LED和独特的光学设计，亮度高、照射面积大，光线均匀散热好尼龙布检测2.常见光源类型隧道光源产品特点•隧道光源采用独特的照射结构，LED底部照射通过圆拱形反光涂层均匀扩散照射光源采用顶级大功率LED和独特的光学设计，亮度高、照射面积大，光线均匀散热好瓷砖缺损检测3.光源选型光源选型一幅好的图像应该具备如下条件：•对比度明显，目标与背景的边界清晰•背景尽量淡化