机器人视觉基础

1、.,中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技术分公司,机器人视觉系统,QQ: 14367682 Tel:.,提纲,机器视觉系统概述 照明光源 镜头 工业摄像机 机器人视觉系统 应用,.,机器视觉系统,机器视觉是一门技术，该技术被广泛应用在生产制造等行业。可用来保证产品质量、控制生产流程、感知环境等。 机器视觉系统是基于机器视觉技术为机器或自动化生产线建立的一套视觉系统。,.,机器视觉 vs 人类视觉,.,机器视觉 vs 人类视觉,.,机器视觉系统作用,机器视觉技术 功能,缩短产品 进入市场时间,100%检测,100%质量保证,提高产量,集成化生产,精确测量,改进生产流程

2、,及时过程监控,.,机器视觉应用领域,高速检测 精确机器人导航 定位及配准 装配检测 PCB检测 表面检测 纹理分析 遥感,医学图像分析 测量 一维码读取 OCR&OCV 匹配 印刷检测 Blob分析,.,机器视觉应用领域,光学行业 纸制品 药物 照相学和遥感 印刷 铁路运输 监控 航空宇航 造船 无线通信 交通 木材 等等,半导体 汽车制造 制陶业 化学业 电子部件及设备 食品业 玻璃业 生命科学 医学 钢铁 矿业,.,机器视觉系统构成模拟相机,光源,CCD/CMOS图像传感器,镜头,被测物体,模拟视频流,摄像机,图像采集卡,图像,内存中,数字图像,应用,结果,孔,半径,1,2,3,3.14

3、7 mm,3.052 mm,2.785 mm,机器视觉软件,FG I/O,.,机器视觉系统构成数字摄像机,光源,CCD/CMOS图像传感器,镜头,被测物体,图像数据,数字摄像机 （USB/1394a/1394b/GigE/CameraLink）,图像,内存中,数字图像,应用,结果,孔,半径,1,2,3,3.147 mm,3.052 mm,2.785 mm,机器视觉软件,FG I/O,.,机器视觉系统构成智能摄像机,光源,CCD/CMOS图像传感器,镜头,被测物体,模拟图像数据,智能摄像机,图像,内存中,数字图像,应用,结果,孔,半径,1,2,3,3.147 mm,3.052 mm,2.785

4、mm,机器视觉软件,FG I/O,.,机器视觉市场,机器视觉系统中部件包括： 光源、工业摄像机、图像采集卡、镜头、图像处理设备等。 机器视觉市场包括: 部件生产商 代理商 系统集成商,.,机器视觉系统组件照明光源,照明光源,.,机器视觉系统照明光源分类,高频荧光灯,卤素灯,LED灯,.,机器视觉系统照明光源对比,.,LED光源特点,可制成各种形状、尺寸及各种照射角度； 可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度； 通过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定； 使用寿命长（约3万小时，间断使用寿命更长）； 反应快捷，可在10us或更短的时间内达到最大亮度； 电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动

5、速度快，可以用作频闪灯； 运行成本低、寿命长的LED，会在综合成本和性能方面体现出更大的优势； 可根据客户的需要，进行特殊设计。,.,光源选型对成像影响实例,.,照明技术：亮视野与暗视野,暗视野,亮视野,杂散光,杂散光,直射光,直射光,.,照明技术：低角度照明,常应用于检测平滑表面上变化的部分如：划痕、刀痕、边缘,.,低角度照明应用实例,.,照明技术：前向光直射照明,.,前向光直射照明示例,.,照明技术：前向光漫射照明,.,前向光漫射照明示例,.,前向光漫射照明示例,.,照明技术：背光照明,.,背光照明示例,.,照明技术：颜色与补色,.,颜色与补色示例,.,照明技术：偏光技术应用,.,偏光技术

6、应用实例,.,照明技术：防外乱光技术应用,.,机器视觉系统组件镜头,镜头,.,成像尺寸,.,焦距与视场角,.,焦距与视场角,例如： 使用HV1303UM 拍摄视野为440mm*330mm 拍摄距离为2500mm,.,常用公式,放大率 物距 像距 焦距 物高 像高,.,镜头分辨率,分辨率单位：lp/mm 影响因素： 镜头结构、材质、加工精度 镜头的相对孔径越大，分辨率越高 光波长度，波长越短分辨率越高 视场中心较边缘分辨率高 同档次的固定焦距镜头较变焦镜头分辨率高短焦镜头一般边缘分辨率较中心低，长焦镜头一般中心较边缘分辨率低。 理想光学系统的最小分辨距离 b = (0.61)/nsinmax 其

7、中，为光的波长 n为像空间介质折射率 max为像方孔径角 当镜头对无限远成像，且像方为空气时（近似计算公式） b = 1.22 F 其中，F为光圈数,.,远心镜头,.,镜头选型,分辨率 焦距 光圈 景深 成像尺寸 视场角 远心 畸变,.,机器视觉系统组件工业摄像机,工业摄像机,.,工业摄像机分类,按不同芯片类型划分： 1、CCD摄像机 2、CMOS摄像机,.,CCD SensorFull Frame Array Sensor,优点：填充因子(fill factor)可以达到非常高，甚至达到100%。 这样Sensor灵敏度非常大。 缺点：由于传输和读出使用的时钟相同，因此Sensor上面的部分

8、 曝光时间比下面的长，这会造成Smear现象。为了解决这个问题， 必须使用机械快门或闪光灯。,.,CCD SensorFrame Transfer Sensor,解决了Full Frame Array Sensor发生Smear现象的问题 从感光部分转移到屏蔽存储区域的时间约为500us 优点：在曝光时间较长的情况下，Smear现象比Full Frame Array Sensor小很多 缺点：由于需要两个Sensor，因此成本非常高,.,CCD SensorInterline Transfer Sensors,转移时间约为1us，因此完全不存在Smear现象。 优点：由于转移时间非常短，因此不

9、需要使用机械快门或闪光灯 缺点：由于屏蔽区占用了Sensor的部分面积，因此使得此种传感器填充因子只能在20%70% 添加微镜头可以增加填充因子,.,Electronic shutter & Micro Lenses,Overflow Drain主要用来消除 CCD Sensor的Blooming现象 它也被用来实现电子快门 通过Micro Lenses可以将传感器 的填充因子提高。 CCD可以从80%提高到约100% CMOS可以从30%提高到约80%,.,CMOS Sensor,.,AOI,由于CMOS可直接访问单个像素， 因此在AOI非常小的情况下，CMOS 与CCD相比，帧率上有较大的

10、优势。 CMOS Sensor甚至可以将A/D转换集成 到每个像素中去，在不使用AOI时帧率 上也有优势,.,CCD vs CMOS,.,CCD vs CMOS,.,Interlaced Scan vs Progressive Scan,Interlaced Scan,Progressive Scan,.,Rolling Shutter vs Global Shutter,Rolling Shutter,Global Shutter,.,彩色摄像机,1.Bayer 2.3CCD 3.3Lines 4. ,.,彩色摄像机效果对比,3CCD,Raw Image,Bayer,Difference,.

11、,工业摄像机接口类型,模拟接口 CameraLink 1394a 1394b Usb2.0 GigE Ethernet ,.,工业摄像机接口类型,.,PCI vs PCI-E,PCI Express采用的是点对点通信机制，各个插槽都将通过各自 独享的通道发送和接受数据，这样就可以避免出现不同设备同 时争抢系统和CPU资 源的情况。,.,同步采集 vs 异步采集,.,工业摄像机选型,1.根据摄像机拍摄的视野以及系统需要达到的精度选择分辨率 2.根据拍摄对象运动与否选择合适相机 3.根据生产线速度选择合适帧率 4.根据相机接口类型以及相机数量选择合适的采集卡,例如： 某视觉检测系统需要两个检测工位 拍摄过程中工件不停止。 两个工位视野相同，均为400mm*300mm。 要求检测精度达到0.4mm以上。 检测速度大于每分钟1000工件。,.,回顾,简单介绍了机器视觉系统以及机器视觉系统中几个重要的组成部分，包括光源、镜头和摄像机。 后面的培训中将按照产品类型进行详细介绍。并且将细致地介绍与某产品类型相关的技术细节。如模拟相机、1394传