视觉测量技术(一)-视觉系统构成知识讲解

视觉测量技术(一)_视觉系统构成2.机器视觉应用目标识别与定位2.机器视觉应用质量检测2.机器视觉应用几何量测量高速检测连续冲孔的冲压零部件。滚轴的外观检测可使用2台线型相机高精度检测长尺的金属滚轴表面缺陷零件外观检测轴承的外观检测曲面外观检测Rocky7火星车2.机器视觉应用导航

Rocky7视觉系统获取的立体图象对(a)深度图象

(b)障碍物探测示意图Rocky7视觉系统对场景的深度恢复

2.机器视觉应用导航2.机器视觉应用其他应用智能交通监控三维重建

遥感图像分析（植被分析、考古发掘)

医学图像分析（骨骼定位)

安全鉴别、监视与跟踪（门禁系统、视频监控)

国防系统（目标自动识别与目标跟踪)

文物保护（数字博物馆)

其他（游戏、动画、体育、人机交互)…………机器视觉的一些基本概念1.平面视觉（PlanarVision)：被测对象处在平面内，只对目标在平面的信息进行测量的视觉测量与控制。2.立体视觉（StereoVision)：对目标在三维笛卡尔空间内的信息进行测量的视觉测量与控制。3.结构光视觉（StructuredLightVision)：利用特定光源照射目标，形成人工特性，由摄像机采集这些特征进行测量。结构光视觉可简化图像处理中的特征提取，大幅度提高图像处理速度。4.主动视觉（ActiveVision)：对目标主动照明或者主动改变摄像机参数的视觉系统。5.被动视觉（PassiveVision)：如双目视觉。

被动视觉采用自然测量,机器视觉的一些基本概念6.视觉测量（VisionMeasure/VisualMeasure)：根据摄像机获得的视觉信息对目标的位置和姿态进行的测量。7.手眼系统（Hand-EyeSystem)：摄像机和机械手构成的机器人视觉系统。.Eye-in-Hand：摄像机安装在机械手末端并随机械手一起运动

的视觉系统。Eye-to-Hand：摄像机不安装在机械手末端，不随机械手运动

的视觉系统。8.视觉控制（VisionControl/VisualControl)：根据视觉测量获得目标的位置和姿态，将其作为给定或者反馈对机器人的位置和姿态进行的控制。9.视觉伺服（VisualServo/VisualServoing)：利用视觉信息对机器人进行的伺服控制，是视觉控制的一种。

3.机器视觉检测系统的构成1被测物体4光照系统2摄像机5摄像机-计算机接口3计算机6控制机构3.1摄像机镜头Lens（工业）摄像机Camera聚焦光线生成图像3.1摄像机-Sensor摄像机的作用：将通过镜头聚焦于像平面的光

线生产图像。摄像机最重要的部件：数字传感器CCD（charge-coupleddevice)电荷耦合元件CMOS（complementarymetal-oxidesemiconductor)互补金属氧化物半导体CCD（charge-coupleddevice)电荷耦合元件

也称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel)。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的图像分辨率也就越高。

面阵线阵3.1摄像机-Sensor

CMOS（complementarymetal-oxidesemiconductor)互补金属氧化物半导体3.1摄像机-Sensor

CCDVsCMOSCCDCMOS灵敏度

高低成本高低分辨率高低抗噪声好一般功耗高低速度低高3.1摄像机-Sensor

3.1摄像机-CCD传感器-尺寸CCD的尺寸，是说感光器件的面积大小。

主要有2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。2/3英寸的300万像素相机效果通常好于1/2英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的53%)。

而相同尺寸的CCD，像素越多，图像质量越好。价格越高。

3.1摄像机-CCD传感器-尺寸

3.1摄像机-镜头-Lens镜头是一种光学设备,用于聚焦光线在摄像机内部成像。镜头的作用是收集光线,产生锐利的图像,以得到被测物体的细节。

通常由一块或者多块光学玻璃或塑料组成的透镜组,基本单元为凹透镜、凸透镜,或其组合瞳孔视网膜晶状体虹膜虹膜调节瞳孔的大小,对光线大小进行控制。光线通过焦距20的晶状体,在视网膜上成像。

3.1摄像机-镜头Vs.人眼保证通光量Lens尺寸≥Sensor尺寸3.1摄像机-镜头–型号控制进光量F2.2、F2.8、F4…..光圈F值愈小，在同一单位时间内的进光量便愈多由于光学原理和制造成本的限制，摄影镜头在全开光圈时的像质并不是最佳的，通常在收缩光圈后，像质有明显的改善。每个摄影镜头都有一个或者多个最佳光圈，在这些最佳光圈下，画面的质量达到最好，分辨率高、反差均衡等。3.1摄像机-镜头–型号3.1摄像机-镜头–型号3.1摄像机-镜头–型号薄透镜原理f:透镜焦距长度F:透镜焦点z’:摄像机常数3.1摄像机-镜头–焦距3.1摄像机-镜头–焦距3.1摄像机–几种专业术语①分辨率Resolution:被检测物体的最小特征尺寸⑦像素Pixel⑧像素分辨率

Pixelresolution:图像上需要表达被测物体所需的最小像素个数②

视野Fieldofview物体可被检测到的区域,换言之,它是物体填满传感器图象的区域③工作距离Workingdistance从镜头前端到被检测物体表面的距离3.1摄像机–几种专业术语⑤景深Depthoffield:在整个聚焦范围内，能够维持清楚成像对应的最大物体的深度;也可定义为在允许聚焦的范围内，允许物体移动的范围。

⑥图像Image④传感器尺寸

Sensorsize传感器的有效面积,典型的指标是水平尺寸3.1摄像机–选型步骤1明确被测物体的测量精度要求,选择适合的CCD尺寸和像素数目关注的要素:视野CCD尺寸像素分辨率基本要求:被测物体在某一方向上尽量充满摄像机的视野3.1摄像机–选型步骤基本要求:被测物体在某一方向上尽量充满摄像机的视野wfov是摄像机视野在X方向的尺寸,hfov是Y方向的尺寸w是物体X方向上的最小特征,h是Y方向上的最小特征则所需最小像素分辨率为3.1摄像机–选型步骤根据被测物体尺寸确定视野大小,进而确定所需CCD的尺寸CCD上的像素数目≥最小像素分辨率数目3.1摄像机–选型步骤1明确被测物体的测量精度要求,选择适合的CCD尺寸和像素数目2确定相机的接口类型3确定镜头的焦距关注的要素：工作距离CCD尺寸视野景深CorCSorF3.1摄像机–选型步骤焦距=（CCD尺寸×工作距离)/视野如果工作距离不变,可选择定焦镜头如果工作距离时变,可选择变焦镜头如果被测物体本身高度变化大,即需要测量的景深大,根据最大、最小距离都可清晰成像选择焦距范围3.2照明1光源类型2光照技术目的:使被测物体的重要特征显现，抑制不重要的特征名称成本亮度稳定性寿命温度荧光灯低低低一般一般卤素灯高高一般低高LED光源一般一般高高低光源类型光照技术利用有效照明使被测特征对比度最大化用环型光照皱折物体失败用连续漫射光照皱折物体成功光照技术-反射类型镜面反射对角直接反射光线

漫射反射所有方向漫射光线光照技术-照明的方向背光照射入射光照射光源在摄像机对面

光源在摄像机一方

光照技术-背光照射形状测量半透明物体测量增强被测工件的边缘轮廓

看到半透明物体的透光性（相对障碍物光的通过特性)观察出物体表面的光洁度、颜色、发射光和不明显的高度变化光照技术-背光照射的效果用环型光照的灯丝Lampfilamentwithringlight用背光光照的灯丝Lampfilamentwithbacklight光照技术-背光照射图像比较

通过塑料连接器的金属针Metalpinsthroughplasticconnector光照技术-背光照射图像比较光照技术-入射光照入射光照射光源在摄像机一方

1、普通用途的光照(明场或暗场)GeneralPurpose-BrightorDarkField2、关于光轴的漫射光照（区域照射）

DOAL-DiffusedOn-AxisLight

3.均匀光的漫（散）射

（同轴照射）DOME入射光照-明场、暗场了解"W”反射光与光源角度相同。明场:光线反射后进入摄像机。暗场:光线反射后未进入摄像机。

入射光照-明场、暗场对形成高对比度有益,但反光表面会生成镜面反射

光源范围应在照相机透镜视野的两倍处漫射光被反射进入照相机但镜面反射光线被反射离开

光源在“W”之外

除有纹理的表面和凸高变化的表面之外，光线被反射而不进入照相机入射光照-明场、暗场入射光照-明场、暗场入射光照-明场、暗场入射光照-明场、暗场入射光照-明场、暗场入射光照-均匀光的漫（散)射ObjectLightsource(off-axis)入射光照-均匀光的漫（散)射用区域光照的加工表面用DOME光照的加工表面入射光照-均匀光的漫（散)射入射光照-关于光轴的漫射光照光源Lightsource物体Object漫散射器Diffuser光分束器BeamSplitter入射光照-关于光轴的漫射光照CourtesyofRVSI/NER突出光洁表面与纹理表面反射光的不同EmphasizeFinish/Texture(reflection)Differences纹理表面光照入射光照-关于光轴的漫射光照缺针的连接器入射光照-关于光轴的漫射光照CourtesyofRVSI/NER金属轴上的激光码入射光照-关于光轴的漫射光照倾角光照突出倾角的变化90%机器视觉应用的成功案例来自于恰当的照明.摄像机并不能看到物体；只能看到从物体表面反射过来的光。

如果摄像机无法看到部件和标记，也就无法读取和检测。

你应该知道:摄像机-计算机接口图像采集卡是将模拟摄像机的图像信号经过A/D转换，或将数字摄像机的输出信号，通过计算机总线传输到计算机内存或显存，使计算机能对摄像机拍摄到的现场图像进行实时处理、存储和显示的硬件设备。摄像机-计算机接口模拟信号经A/D转换,传输至内存的图像相机“看”到的图像摄像机-计算机接口传统数字信号(RS-422,LVDS)CameraLinkIEEE1394(Firewire)USBGigabitEthernet数字接口-LVDS优点:高速，可靠性高，传输距离远，支持多相机连接。缺点:管脚定义不统一，兼容性差，电缆成本高。

LVDS是一个低波动、差分I/O技术的高速接口。每线对最大传输率为655Mb/s。数字接口-CameraLink13对线（其中有6线对数据线)，使得接插件的尺寸更加的小巧。允许相机设计的体积更小。更高的传输速率。采用ChannelLink芯片组(支持速率达2.3Gb/s)满足对数据传输速率越来越高的要求。集成有串口通讯协议。

数字接口-USB接口是4芯，其中2根为电源线、2根为信号线，接口体积小，可热拔插，可真正实现即插即用，适合传送多媒体数据的传送模式，连接方便。USB2.0向下兼容USB1.1.USB1.0，数据的传

输率可以达到120Mbps～480Mbps。传输距离短，0.6米。

数字接口-IEEE1394两种接口标准,一种是6针接口,另一种是4针接口。6针接口可以从端口获得电源,以给那些无法自己供电的产品提供电源。1394A传输速率为400Mb/s,1394B可达800Mb/s。不需要控制器,可以实现对等传输,最大连线4.5米,大于4.5米可采用中继设备。支持即插即用。它是目前唯一支持数字摄录机的总线。

数字接口-GigabitEthernet带宽可达到1000Mbps,图像可以无损失实时传输。最远可传输100米。标准的网络连接器,电缆线成本低。带宽易于升级,包括10M,100M,1000M等,在工业机器视觉中将被广泛应用。

数字接口-

比较GigE1394USBCameraLink带宽<1000Mb/s125MBytes<400Mb/s50MBytes<12Mb/sUSB1<480Mb/sUSB260MBytes<2380Mb/s(base)<7140Mb/s(full)890MBytes距离<100m(无中继)NoLimit(有中继)<4.5m(无中继)72m(有中继)200m/1394B(有中继的情况下）<5