（检测技术与自动化装置专业论文）屏板精密定位平台中视觉检测系统的设计研究.pdf

摘要 等离子显示技术的发展不仅推动着等离子显示器市场需求量的快速增长，同时也促进 了等离子显示器生产制造工序向自动化、流水线化方向发展。 论文课题基于国内外计算机视觉检测技术已有的研究成果，对将计算机视觉检测技术 应用于等离子显示器显示屏三层板的精密位置检测与自动定位进行探讨研究，开发针对自 动化屏板精密定位装配机中视觉检测系统的图像采集图像识别算法，系统设计结合理论 探索，论文内容主要包括以下几个方面： 首先，对计算机视觉检测技术的发展历史，国内外应用现状进行了介绍与总结，并给 出工业视觉检测系统的一般组成，探讨视觉检测技术在工业检测领域的应用价值，展望视 觉检测技术的未来发展方向 在此基础上，完整叙述了自动化屏板精密定位装配机中视觉检测系统的软，硬件设计 方案，设计步骤，进而探讨w i n d o w s 3 2 下的实时图像采集处理方法，实现多线程的图像采 集处理，并比较了这种方法与普通方法的优缺点 针对系统检测精度高、实时性要求好的特点，对图像闽值分割，边缘检测，电极线， 十字线及网孔的识别算法、上下基板与荫罩板之间的定位流程进行了一一探讨并给出了解 决方案与试验结果，论文最后展望了课题进一步的研究方向 关键词：等离子显示器，荫罩，计算机视觉检测技术，图像识别，模式匹配 a b s t r a c t t h er e q u i r e m e n to f p l a s m ad i s p l a yp a n e li nt h ec o n s u m e re l e c t r o n i cm a r k e th a sb e e n g r o w i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ep l a s m ad i s p l a yt e c h o n o l o g yd a yb yd a y , a tt h es a m et 觑n e , t h i sc o n t i n u i n gi n c r e a s e m e n ta l s ob r o u g h tan e we x p e c t a t i o nt ot h em a n u f a c t u r i n go f p l a s m a d i s p l a y p a n e l ：t h ea u t o m a t i z a t i o na n d p i p e l i n i n go f t h ep r o d u c t p r o c e s sh a sb e c o m eat r e n d b a s e do nt h er e s e a r c h f i n d i n g so f t h ea u t o m a t wv i s u a li n s p e c t i o n ( a 阳t e c h n o l o g y f r o m d o m e s t i ca n d f o r e i g n ，p r o b e di n t ot h ea p p l i c a t i o no f a u t o m a t i cv i s u a li n s p e c t i o ni nt h ep r e c i s e p o s i t i o n i n g o f t h e t h r e e p a n e l o f t h e p d ps c r e e n d e v e l o p e d t h e i m a g er e c o g n i z i n g m e t h o d a i m e d t ot h ea o t o m a t i cp r e c i s ep o s i t o n i n ge q u i p m e n t p r o j e c t , c o m b i n e dt h es y s t e md e s i g nw i t ht h e e x p l o r eo f t h e o r y t h em a i nc o n t e n ti sd e p i c t e da s f o l l o w s ： f i r s a y , ag e n e r a li n t r o d u c t i o ni sg i v e no nt h er e s e a r c ho f t h eh i s t o r ya n da p p l i c a t i o no f a v l t e c h n o l o g y 加d o m e s t i ca n d f o r e i g n , f o r e c a s t e dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do f a v it e c h n o l o t yi nt h e n e a r f u t u r e , p r o b e di nt ot h ea p p l i c a t i o nv a l u eo f a v 1t h c h n o l o g yi nt h ei n d u s t yd e t e c t i n g 讲。e n a n di n t r o d u c e dt h eg e n e r a lc o m p o s i t i o no f ai n d u s t r yv i s u a ld e t e c t i n gs y s 耙m s e c o n d l y , i n t r o d u c e d t h ee n t i r ed e s i g n p l a n , t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ec o m p o s i t i o no f t h e v i s u a li n s p e c t i n gs y s t e mi nt h ea u t o m a t i cp r e c i s ep o s i t i o n i n ge q u i p m e n t , i n t r o d u c e dt h em a t t e r s n e e da t t e n t i o nw h i l ed e s i g n i n gai n d u s t yv i s u a li n s p e c t i n gs y s t e m b a s e do nt h e s e ，ar e a l - t i m e i m a g ec a p t u r ea n d p r o c e s sm e t h o d i nw i n d o w si sg i v e n , t h i sm e t h o du s e dt h em u l t i t h r e a d i n g p r o g r a m i n g c o m p a r e dt h em e t h o dw i t ho r d i n a r yo n e & f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h eh i g hd e t e c t i n g p r e c i ea n dg o o dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo f t h e i n d u s t r yv i s u a li n s p e c t i o ns y s t e m , ad e t a i l e dd i s s e r t a t i o na b o u ti m a g es e g m e n t a t i o n , e d g e d e t e c t i o n , e l e c t r o d e l i n ea n dm e s hr e c o g n i t i o n 拈g i v e nw i t ht h ee x p e r i m e n t f o l l o w e dt h e n , d i s c u s s e dt h e f u t u r er e s e a r c ho f t h ep r o j e c t s h a d o wm a s k , a u t o m a t i ch s u a li n s p e c t i o n ，i m a g e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：塑逸 日期：，缨! ：多 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：丛厶导师签名： 日期： 川弓 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 等离子体显示器( p l a s m a d i s p l a y p a n e l ，简称p d p ) 是采用了近年来高速发展的等离子平面屏幕技 术的新一代显示设备“。p d p 的工作机理类似日光灯。显示屏彩色图像由各个独立的荧光粉像素发光 综合而成。与传统的显像管和l c d 液晶显示屏相比，p d p 显示屏的体积更小、重量更轻，显示图像的 亮度、对比度更高，色彩的还原性也更好。p d p 不仅能够提供格外亮丽、均匀平滑的画面，而且没有x 射线辐射，其视角高达1 6 0 。，远超过液晶显示屏。p d p 最突出的一个特点是超薄，能轻易做到4 0 英 寸以上的完全平面大屏幕，而厚度不到1 0 0 毫米。p d p 的以上种种优点使得其在4 0 英寸以上大信息容 量的全色平板显示器件中取得了巨大成功。 但是成本过高仍然是目前制约p d p 发展的最突出问题pj ，其中材料成本、制造过程和成品率又 是影响p d p 显示屏成本的最为关键的几个因素1 4j 。由东南大学自主研制开发的新型荫罩式等离子体显 示器( s m p d p ) ，改进了传统交流等离子体显示器( a c p d p ) 中障壁的材料和制作工艺，大大降低了成本 并提高了器件的均匀性和使用寿命1 4 j 。目前，s m p d p 研制课题在理论研究、结构设计优化、制造工艺 等方面都已取得了重大突破。 s m p d p 显示屏主要由三块板( 上基板、下基板和荫罩板) 构成，如图1 “a ) 所示： 图1 1s m - p d p 显示屏三层板示意图 上基板和下基板是玻璃板，上面分别布满了水平方向和竖直方向的金属电极线：荫罩板是一块薄铁 片，上面则布满了等间隔的碗状网孔。显示屏的生产工艺要求上基板的电极线和下基扳的电极线两两垂 直交叉于荫罩板上的相应网孔，如图1 1 ( b ) 和( c ) 所示。 目前显示屏生产过程中三层板的定位与对准采用人工方法进行：用透射光照射荫罩板与上、下基板， 通过显微镜放大并用人眼观测上、下基板与荫罩板，根据人眼观测得到的三块板之间的位置偏差使用 人工手动调节来实现对准。这种方法不仅效率低下，而且浪费人力物力，三层板的最终对准精度也很难 得到保证。新型显示器的实用化研究和产业化发展要求开发出一套全自动精密定位装配台来代替人的手 动操作。 国家8 6 3 重点项目自动化屏板精密定位装配机( 也称屏扳精密定位平台) 的设计研究课题就是 针对手动定位效果差、精确度低的缺点而设立的。由于显示屏上、下基扳材质的限制，基板上所刻光栅 的光栅常数为4 4 4 u n l ，光栅衍射检测定位的范围只能在+ 2 2 2 u m 范围内。一般手动对板的精度只能达 到几个毫米- 无法满足光栅定位检测范围的要求。考虑到计算机视觉检测捕捉范围大，足以保证在几个 毫米范围内实现+ 2 2 2 u m 的定位精度，因而设计实现荫罩板与上、下基板的精密自动对准分初定位和精 定位两步进行：第一步，使用本课题设计的基于计算机视觉检测技术的视觉检测系统，通过图像采集、 计算机处理与识别实现网孔与电极线的初步( 精度为+ 2 2 2 u m ) 对准；第二步，使用基于光栅衍射信号 东南大学硕士学位论文 的精密检测装置实现微米级( 5 u r n ) 的精密定位与对准。 1 2 计算机视觉检测技术概述 计算机视觉检测( a u t o m a t e dv i s u a li n s p e c t i o n ，简称a v i ) 技术是一种以计算机视觉方法为基础， 综合运用图像处理、精密测量、模式识别与人工智能等技术的非接触式自动检测方法【“，它涉及计算机、 电子、光学、机械和热学等学科领域是一门多学科的交叉技术。a v i 技术的基本原理是通过图像摄取 装置将目标的影像转换成数字图像信号，然后将数字图像信号传给计算机专用处理系统，系统则进行各 种运算并抽取目标特征，进而根据得到的特征进行判别并控制设备的动作。图1 - 2 所示是一个典型的 计算机视觉检测系统的功能模块示意图： 图像信息处理模块k 爿图像信息获取模块 机电执行模块人机交互模块 之弓彳f彳f 系统控制模块 图1 2 计算机视觉检测系统功能模块图 系统控制模块处于整个视觉检测系统的核心位置，从获取被检测物体的图像信息出发，到得出机电 执行模块所需要的检测结果信息进而控制机电执行模块做出相应动作，每一步都需要系统控制模块的 参与才能完成。人机交互模块更是需要直接和系统控制模块相互通信，完成操作者对检测系统的实时参 数设置和实时指令执行等工作。 1 2 1 典型的a v i 系统构成 a v i 技术主要由计算机来模拟人的视觉功能，实现从客观物体图像中提取信息进行处理并加以理 解，最终用于实际测量、控制。一个典型的工业计算机视觉检测系统主要包括光源、光学成像系统、图 像捕捉系统、图像采集与数字化模块、图像处理与智能识别模块、机械执行模块等参见图1 - 3 所示【6 l i ”。 图1 3 典型的计算机视觉检测系统组成 首先利用各种光源和图像传感器进行数据采集，获取被测目标的l 芏l 像信号，然后通过a d 转换变 成数字信号传送给专用的图像处理系统，根据像素的分布、亮度和颜色等信息进行各种数据处理、分析 及特征提取，最后根据预设的判别准则输出判别结果，去控制驱动执行机构进行相应的处理。 1 2 2a v i 技术的发展 a v i 技术的研究到现在为止已经走过了4 0 多年，作为一种新型的检测技术，它具有直观、非接触、 敏捷、精度高以及自动化等优点。计算机视觉不会疲劳，有着比人眼更高的分辨精度借助红外线、紫 外线、x 射线、超声波等高新探测技术，在探测不可视物体和高危险场景时更是具有突出的优点。工业 领域的很多方面如零件尺寸测量、缺陷检查、识别，以及机器人的引导等，都可以应用a v i 技术。 根据2 0 0 4 年美国计算机协会图形图像分会年会报告的统计，2 0 0 4 年度全球视觉检测市场估计总量 1 0 8 7 亿美元，与2 0 0 3 年相比以9 的速度在增长。可以预见随着加工制造业和自动化产业的发展， 2 第一章绪论 国内对于a v ! 产品的需求也将呈快速上升趋势【s j o 但是，a v l 技术的发展目前仍面临着许多困难，主要因为视觉是一个涉及生理、心理的复杂过程。 而且计算机视觉检测技术是多学科的交叉技术。研究计算机视觉的目的是要实现对人类视觉的模拟与延 伸。对于人类而言，视觉一个轻而易举的功能，对机器则不同，视觉过程很难用类似于问题求解的方法 符号化，而这还有待于计算定量技术模型和标定方法的进一步发展和完善。 1 2 3a v i 技术的应用现状 上世纪8 0 年代，a v i 系统在美国、日本等发达国家制造业中开始获得广泛应用【9 l 。初期主要应用 于那些需要重复性检测相同部件或产品的场合pj ，其中又以电子工业中的应用最活跃、最为成功。进入 2 1 世纪，a v i 系统在工业在线检测的各个领域中的应用已经十分活跃 1 7 1 ，如：印刷电路板和集成电路 芯片的自动视觉检测p j i lu j “”j 、钢板表面的自动探伤、大型工件平行度和垂直度测量i 、容器容积和杂 质检测、机械零件的自动识别分类和几何尺寸测量，【“i 等。其他如汽车制造、木材加工，、纺 织制造、包装检测和不停车自动收费“等工业生产过程中也有着广泛的应用。 此外，在许多其他精密检测方法难以奏效的工业场合，利用a v i 系统却可以有效地实现。计算机 视觉在工业领域中的应用正越来越多地代替人去完成原本复杂而枯燥的工作，这无疑在很大程度上提高 了生产自动化水平和检测系统的智能水平。 推动a v i 技术日益广泛地应用于工业检测领域的原因主要有两个：一方面，图像处理技术的不断 完善和成熟，图像处理软硬件成本大幅度降低，使得a v i 系统能更有效地代替人的工作；另一方面， 随着工业生产过程的高度自动化和产品质量的日益提高要求有更有效、更精确和高速度的检测手段。 利用图像处理及计算机视觉技术进行检测的最大特点是能进行无损检测和测量，这对生产中的成品质量 检查尤为重要。 a v i 技术具有非接触、获得信息量大、作用距离远等特点使得它在工业，农业、科学研究、军事 等方面都获得了十分广泛的应用。a v i 技术的应用主要包括【1 7 】： 工业生产领域：图像识别技术在工业检测领域的应用主要用于能够代替人眼的计算机系统。在高 速、大批量、连续自动化生产流水线，往往需要视觉系统进行质量检查、零件辨识和尺寸测量：实际上， 在发达国家，几乎任何产品的生产，从半导体芯片到食品饮料，甚至人工钻石，都越发依赖视觉系统的 应用可以用于基于图像处理技术的非接触精密测量、产品表面质量检测与监控、基于计算机视觉的工 业自动化闭环控制、流水线产品外观质量检测设备、复杂形状非接触精密测量设备。 医疗、制药领域：b 超、c t 、x 光、e c t 、内窥镜、病理分析、医学影像、血管造影，细胞图像 分析系统等。采用医疗图像分析系统，可对血液细胞自动分类计数、染色体分析、癌症细胞识别等。在 制药生产线上，a v i 技术还可以对药品包装进行检测，以确定是否装入正确数量的药粒。 公安、海关领域：指纹识别、痕迹辨认、电子警察、图像自动跟踪、安全监控等。在海关，应用x 射线和计算机视觉技术的不开箱货物通关检验。 石油生产领域：岩石图像分析系统，能够分析含油数量等信息。 金融应用领域：印章支票真伪判别、票证处理、柜员机自动检测、金库监控、运超车现场自动检测 与传输等。其中纸币印刷质量检测系统利用图像处理技术，通过对纸币生产流水线上的纸币2 0 多项特 征( 号码、盲文、颜色、图案等) 进行比较分析，检测纸币的质量，替代传统的人眼辨别的方法。 交通领域：汽车车牌识别、高速公路收费、违章闯红灯检测、交通管制系统等。采用智能交通管理 系统，通过在交通要道放置摄像头，当有违章车辆( 如闯红灯) 时，摄像头将车辆的牌照拍摄下来，传 输给中央管理系统系统利用图像处理技术，对拍摄的图片进行分析，提取出车牌号码，存储车牌号码 到数据库中，可以供管理员进行检索。 体育领域：足球越位及出界报警、保龄球道计分、运动人体动作分析等方面。 商标管理：可以建立商标图像库，利用图像检索技术对新申请的商标与图像库中注册商标进行分 析，检查是否设计相似或雷同。 数字图书馆应用领域：数字多媒体内容的发布和管理。 金相分析领域：金相图像分析系统能对金属或其它材料的基体组织、杂质含量、组织成分等进行精 东南大学硕士学位论文 确、客观地分析，为产品质量提供可靠的依据。 瓶装啤酒生产流水线检测系统：可以检测啤酒是否达到标准的容量、啤酒标签是否完整等。 a v i 技术在工业检测领域中的成功应用大幅度提高了工业产品的质量和可靠性提高了工业生产的 速度和自动化水平。 1 2 4a v i 技术的未来展望 a v 技术是一种很有发展前途的精密自动检测技术，可以实现智能化、柔性，快速和低成本的检测 目标。a v i 技术在工业应用领域中的发展主要集中在以下几个方面p 】： 实现在线实时检测，使系统可以1 0 0 地检测产品。视觉检测执行时间在很大程度上取决于底 层的图像处理( 图像平滑、滤波、分割等) 速度，采用快速的图像处理算法、高速的c p u 和并行处理 器是实现在线视觉检测的有效途径。 实现智能化检测，从c a d 系统中提取零件视觉模型与检测信息( 包括工件位置与方向、摄像 机视角等) 选定检测项目、检测点和检测路径，建立智能检测规划，并控制工业机器人抓取零件并放 置到合适的位置进行检测，为在c a d 系统和检测系统之间进行有效的数据传递，必须建立一种面向视 觉系统的尺寸测量接口规范。由于基于c m m ( 坐标测量机) 的检测规划目前正趋于成熟，这对a v i 规划的生成也很有借鉴意义。 实现高精度检测，c c d 摄像机的分辨率和系统误差制约了视觉检测精度的进一步提高，无法 适应大尺寸零件的检测。与视觉系统相比，c m m 在检测精度和测量空间范围上占有很大优势。可以预 见，计算机视觉系统与c m m 的集成必将成为视觉检测发展的一种新方向。 随着计算机视觉技术自身的成熟和发展，a v i 技术必将在现代和未来制造企业中得到越来越广泛的 应用。 1 3 课题主要工作及研究意义 本课题的研究目的是设计开发基于计算机视觉检测技术的精密检测装置，解决荫罩扳和上、下基板 - 4 - 2 2 2 u m 精度的自动对准问题。 荫罩板与上、下基板的初定位是整个显示屏自动化生产装配台的一个重要环节，如果没有初定位将 光栅移动到正负一个光栅常数的位置误差内的保证，后续的基于光栅衍射信号的精密检测装置将无法工 作。另外，基于光栅衍射信号的精密定位装置虽然能够实现微米级的检测与定位，但是实际生产过程中 的干扰因素很多，如果两个光栅之间偏出一个光栅常数，基于光栅衍射的精密检测与定位装置是没法区 分出来的，工业生产过程中不能仅依赖于这种可能存在误差的检测与定位装置。使用两种检测与定位装 置不仅可以相互弥补定位精度上的差别，而且可以通过视觉检测来验证光栅衍射定位的精度因而本课 题的研究对于整个显示屏自动化装配台的设计开发有着不可替代的重要意义。 计算机视觉检测技术在国内工业领域中的应用还属于起步阶段i l ，自主研制开发的应用于工业生 产中的视觉检测装置更是不多l j 2 0 l , 本课题的设计与研究完全具有自主知识产权，作为国家8 6 3 重点 项目，对于提升国内的科研应用水平以及自主开发能力都具有很大的影响意义。 根据课题目的，本课题的工作主要包括以下几个方面内容： 设计自动化屏板精密定位装配机中的视觉检测系统完成视觉检测系统硬件结构及工作流程的 完整设计完成系统硬件安装与调试： 设计多线程实时图像采集处理的算法完成算法软件实现与调试： 开发、改进图像预处理算法以适合本系统图像预处理需要，完成算法软件实现与调试： 开发图像识别算法，实现荫罩板网孔与上、下基板电极线的识别完成算法软件实现与调试： 设计整个视觉检测系统工作流程以及三层板的初定位方案。 4 第二章系统总体设计方案 第二章系统总体设计方案 本课题的任务是设计上、下基板与荫罩板之间的视觉检测与定位装置。根据需求，系统结构的设计 分软件和硬件两个部分： 2 1 系统硬件结构设计 通用的工业计算机视觉的检测系统一般以工业控制计算机为中心，主要由视觉传感器、高速图像采 集系统以及专用的图像处理设备等模块构成。 视频信号的获取是进行图像序列处理的基础和前提目前使用计算机对视频信号进行实时采集方法 主要有两种：使用c c d 摄像头配合图像采集卡采集和使用u s b 摄像头采集。这两种方法都可以用来进 行视频信号的实时采集和处理，但是使用起来有很大的区别：采用c c d 摄像头和图像采集卡进行视频 信号实时采集可以使用图像采集卡提供的a p i 函数，也可以使用微软公司提供的v f w ( v i d e of o r w i n d o w s ) 软件包和动态连接库a v i c a p 3 2 d l l 编写自己的应用程序；而利用u s b 口摄像头的方法虽然 价格比较低廉，但是需要使用i n t e l 公司提供的i p l 和o p e n c v 软件包开发难度较大，并且不如视频 采集卡的采集分辨率高。因而本课题选择使用c c d 摄像头配合图像采集卡进行图像的实时采集。 图2 1 所示为设计的视觉检测系统硬件结构： 图2 1 系统总体硬件结构示意图 本系统中的视觉传感器由放大镜头和c c d 摄像机构成，图像采集卡构成图像采集系统专用图像 处理设备则由工业控制计算机软件模块实现。 2 1 1 照明光源 光源是图像采集中很重要的一环，图像采集系统中使用光源的目的是为了突出拍摄目标物体的特 征，使拍摄图像中不同物体之间有足够的光学差异。光源设计的好坏直接关系到采集图像的质量从而 影响了图像处理、识别算法的复杂度与精度。设计光源的最主要标准就是确定需区分各部分间的不同， 从光学角度讲，这些不同主要体现在： 目标物体表面反射系数的不同是镜面反射还是漫反射； 目标物体表面呈现颜色的区别，吸收和反射不同波长的光线会显示出各种不同的颜色； 1 v f w 是m i c r o s o t t 公司为开发w i n d o w s 平台下的视频应用程序提供的软件工具包它提供了一系列应用程序编程 接口( a p i ) ，用户可以通过这些接口方便地实现视频捕获、编辑以及播放等通用功能，还可利用回调函敷开发更复杂的 视频应用程序。w i n d o w s 操作系统自身就携带了v f w ，系统安装时会自动安装v f w 的相关组件m i c r o s o 酽v i s u a l c + + 自4 0 以来就支持v f w 大大简化了w i n d o w s 环境下视频应用程序的开发 东南大学硕士学位论文 光在传播过程中通过的介质以及介质折射率的不同： 目标物体表面的材质、三维高度、轮廓朝向等的不同。 根据以上各种差异，可以设计采用不同颜色、强度、方向、直射或漫射等光源使各部分间的区别在 所采集的图像中明显的表现出来。 光源按其照射方法又可分为：背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。背向照明是被测物放 在光源和摄像机之间，其优点是能获得高对比度的图像：前向照明是光源和摄像机位于被测物体的同侧 这种方式的优点是便于安装；结构光照明是将光栅或线光源等投射到被测物上，根据它们所产生的畸变， 解调出被测物的三维信息：频闪光照明是将高频率的光脉冲照射到物体上，照相机拍摄要求与光源同步， 这样能有效地拍摄高速运动物体的图像。 a v i 系统中常用光源类型有卤素灯、荧光灯和l e d 光源等，其主要性能的比较见表2 1 t 7 】： 表2 1 常见光源性能比较 性能 鬟。”卤素灯。，”， 。荧光灯。二。二三二。纽d 光源、_ 。：墨 使用寿命! i 0 0 0 7 0 0 0 0 小时5 0 0 0 7 0 0 0 小时 6 0 0 0 01 0 00 0 0 小时 亮度亮较亮使用多个l e d 到达很亮 响应速度慢慢 快 特性发热大，几乎没有光亮发热少，扩散性好，适合发热少，波长可以根据用途选择，制 度和色温的变化，便宜大面积均匀照射，较便宜作形状方便，运行成本低，耗电小 具体设计时可以根据要求选择光源本系统中设计使用的是荧光灯直射背向照射式光源。 2 1 2 放大镜头 本系统要捕获的目标图像大小是毫米级的，因此必须使用高倍光学放大镜头来放大目标，光学放大 镜头在计算机视觉检测系统中的重要性相当于晶状体对于人的眼睛。已知摄像机的拍摄对象和取景范围 后，可选择合适的镜头。理论上薄镜头的光学成像原理图如图2 - 2 所示： 了k 三。二二捐、 一道二、_ 二 汰、。暨 图2 2 薄镜头成像示意图 实际应用中通常使用镜头组，镜头组的成像原理与波镜头虽然有偏差，但基本上接近。选择镜头时 可直接考虑薄镜头的成像原理。选择镜头的计算公式如下： m j ：坠：坠 j h 。d 。 f ：盟 ( 2 1 ) i + 肘- e = n f 式( 2 1 ) 中m l 为镜头放大倍数，f 为焦距，l e 是镜头范围，h i 是像高，h 。是物高，d i 是像距，d 。 是物距。 。 一个光学镜头的成像质量优劣，即其对像差校正的优良与否，可通过像差大小来衡量常见的像差 由球差、彗差、像散、场曲、畸变、色差等六种i ”。对定焦镜头和变焦镜头来讲，同一档次的定焦镜头 的像差肯定比变焦镜头的小，因为变焦镜头必须折衷考虑，使各种不同焦距下的成像质量都相对较好， 不允许出现某个焦距( 在变焦范围内) 下成像质量很差的情况。所以在计算机视觉应用系统中，根据被 - 6 - 第二章系统总体设计方案 测目标的状态应优先选用定焦镜头 2 8 1 。 光学放大镜头的选取应综合考虑图像的放大倍率、视场大小、光圈大小、焦距，视角大小等因素。 本系统使用定焦镜头的参数如下： 表2 2 系统所用放大镜头参数 型：垒：三q ：! 三生星三! z 巴里 2 1 3 摄像机 ( 一) 视觉检测系统中摄像机的选取方法1 2 摄像机和放大镜头共同组成了计算机视觉检测系统中的视觉传感器，负责摄取目标物体图像。视觉 检测系统中一般都采用数字摄像机，通过放大镜头将被摄物体的图像聚焦在光电传感器上，使图像信号 转变为光电信号。选择摄像机要注意以下几个问题： ( 1 ) 确定摄像机的类型 摄像机类型的选择由需处理的对象决定。从摄像机输出的颜色来分，有彩色摄像机和黑白摄像机。 彩色摄像机提供了更多的目标信息，也正因为如此，在处理时需要主要考虑对目标的处理是否需要色彩 信息。从扫描的类型来分，有面扫描和线扫描摄像机。处于下列情况时，应考虑使用线扫描摄像机。 对固定物体做一维的测量； 目标物体处于运动状态； 需处理可旋转圆柱体的边缘图像： 需要目标物体的高分辨率图像，而又要考虑价格因素。 其他情况可宜考虑使用面扫描摄像机。本系统中由于只需要获取被测物体的灰度图像信息，因而选 择黑白面扫描摄像机。 ( 2 ) 计算摄像机的取景范围 先根据对物体上需要处理的部分确定摄像机的拍摄目标然后计算摄像机的取景范围。某个方向上 取景范围的计算方式如下： f o v = ( d d + l v ) ( 1 + p 。) 其中f o v 是取景范围，d 。是拍摄目标在这个方向上的大小。l 是在这个方向上目标可能的移动，p a 是一个百分数或分数是工程上为保证目标图像不会正好处在边缘上而取的一个放大系数，可由设计者 根据情况自行设定，一般设为1 0 。 本系统中被摄物体水平方向的大小为3 1 m m ，垂直方向上的大小为2 3 m m 由此得到摄像机的取 景范围为：3 7 r a m ( h ) 2 8 m m ( 。 ( 3 ) 评估分辨率 计算机视觉中的分辨率一般有5 种类型：图像分辨率指的是行和列上像素的点数，由摄像机上传感 元件决定；空间分辨率指的是在图像上每个像素代表的在实际中的大小，般用c m p i x e l 这样的形式作 单位它由图像分辨率和取景范围决定；特征分辨率代表的是能可靠表示一个物体特征的最小尺寸，一 般用长度单位在实际中，图像上的3 4 个像素可以被认为能可靠的表示一个物体的特征；测量分辨 率表示对象所能被检测出的最小位置和尺寸变化，使用长度单位；像素分辨率指的是每个像素的灰度和 颜色的位数。在实际应用中，应根据情况来决定采用其中的哪些类型的分辨率。 分辨率的计算公式如下：= f o v r 、r 。= r 。+ m p 、r f = f p 。其中r 。是某方向上的空间分辨率， f o v 是某方向上的摄像机取景范围，r 是图像分辨率，r 。是期望的测量分辨率，m 。是图像中像素的测 2 数值孔径州u m 州c a l a p e r t u r e ) ：对于调节到有限远的透镜或透镜组( 如显微镜物镜) 其入射或出射光线所在空间 的折射率和相应的孔径角正弦值的乘积。用n a 表示。物方媒质折射率n 和物方孔径角u 的正弦之乘积称物方数值孔径 简称数值孔径。象方空间媒质折射车f l , 与象方孔径角u 的正弦之乘积称为象方数值孔径数值孔径不仅是仪器集光本领 的量度也是仪器分辨本领的量度。 1 东南大学硕士学位论文 量分辨率能力，毗是特征分辨率f 。是表示一个特征所需的最少像素。 ( 4 ) 其他 在选择摄像机时还需要根据实际情况考虑一些其他因素。例如对象是运动物体时，需计算扫描速度。 公式是：t i = r j s 。( t ，是扫描速度，凡是空间分辨率。s 。是对象经过摄像机时的速度) 。当需要精确控 制摄像机的拍摄时间时摄像机需要异步重置能力这样只要系统发出拍照命令摄像机马上就能重新 开始曝光并送出图像。在拍摄高速运动的物体时，要考虑快门的速度。对于拍摄高速运动的物体，曝 光时间应尽量短，否则会出现图像拖尾模糊现象。可以通过下面的公式计算出这种模糊现象的程度：b = u xt e n f o v ( 其中b 为产生模糊现象的像素，v p 是物体的速率，t c 是曝光时间，n p 是物体运动 方向上的图像分辨率) 。为了减少这种现象，需要减少曝光时间，提高快门速度。工程上为了把模糊现 象控制在一个像素内，常用下式估计曝光时间，t e = f o v ( v ，xn 。) 。目前数字摄像机一般采用电子快门， 其快门时间有1 5 0 s 、l 1 2 5 s 、1 2 5 0 s 、1 5 0 0 s 、1 1 0 0 0 s 、1 2 0 0 0 s 、1 4 0 0 0 s 、1 8 0 0 0 s 、1 1 6 0 0 0 s 、1 3 2 0 0 0 s 等。 ( 二) c c d 摄像机简介 c c d 的全称是c h a r g e - c o u p l e d d e v i c e ，即我们通常所说的电荷耦合器件。这种感光器件与日常使 用的半导体集成电路相似，它是利用微电子技术制成的表面光电器件。在一片硅单晶上集成了几千到几 万个光电三极管这些光电三极管分为三列，分别用红绿蓝三色的滤色镜罩住，从而实现彩色扫描。光 电三极管在受到光线照射时产生电流经放大后输出，然后可以通过模数转换器芯片转换成数字信号， 数字信号压缩以后再传输给计算机，借助计算机的处理手段就可以根据需要和想像来修改图像。c c d 具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗震动、抗磁场、体积小、无残影等特点。 ( 1 ) c c d 的一般结构 c c d 摄像机一般由三层组成：微型透镜层、分色滤色片层和感光片层j 。 微型透镜层：c c d 摄像机成像的关键是在于感光层，为了扩展c c d 的采光率，必须扩展单一像素 的受光面积。但是提高采光率的办法也容易使画质下降。这一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上 一副眼镜。因此感光面积不再因为传感器的开口面积而决定而改由微型镜片的表面积来决定。 分色滤色片层：目前有两种分色方式：r g b 原色分色法和c m y k 补色分色法。r g b 即三原色分 色法，几乎所有人类眼睛可以识别的颜色，都可以通过红、绿和蓝来组成，r g b 分色法是通过这三个 通道的颜色调节而成。c m y k 补色分色法是由四个通道的颜色配合而成：分别是青( c ) 、洋红( m ) 、黄 ( y ) 、黑( k ) 。在印刷业中，c m y k 更为适用但其调节出来的颜色不及r g b 的多。原色c c d 的优势 在于画质锐利色彩真实，但缺点则是噪声问鹿。因此一般原色c c d 的数码相机，其i s o 感光度多半 不会超过4 0 0 。相对的，补色c c d 多了一个y 黄色滤色器，在色彩的分辨上比较仔细，但却牺牲了部 分影像的分辨率，而在i s o 值上，补色c c d 可以容忍较高的感光度一般都可设定在8 0 0 以上。 感光片层：感光片层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子信号，并将信号传送到影像处理芯 片，将影像还原。 ( 2 ) c c d 的尺寸与分类” c c d 的尺寸用对角线长度表示有时也用“英寸”代替“型”，不过这种情况下“l 英寸不等 于2 5 4 m m ”。业界通用的规范就是l 英寸c c ds i z e = ( 长) 1 2 8 m m x ( 宽) 9 6 m m = 对角线为1 6 m m 之对应面积。该三角行三边比例为4 ：3 ：5 。例如：1 2 “c c ds i z e 的对角线就是l ”的一半为8 m m ，面积 约为1 4 ，1 4 ”就是l 的1 4 ，对角线长度即为4 m m ，如图2 3 所示： - 8 第二章系统总体设计方案 l 2 7 英寸4 0 0 万像素c c d 1 1 8 英寸4 0 0 万像素：c c d 1 2 7 团英寸 i 18 英寸 尺寸= 对角线长度 与1 2 7 英寸的c c d ：旧比，1 1 8 英寸的c c d 像素面积约相当于其两倍 图2 3 c c d 尺寸示意图 c c d 尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。图2 3 中，1 1 8 英寸的4 0 0 万像素相机效果通常 好于l 2 7 英寸的4 0 0 万像素相机( 后者的感光面积只有前者的5 5 ) 。而相同尺寸的c c d 像素增加固然 是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。但如果在增加c c d 像素的同 时想维持现有的图像质量就必须在至少维持单个像素面积不减小的基础上增大c c d 的总面积。目前 更大尺寸c c d 加工制造比较困难，成本也非常高。 目前主要有两种类型的c c d 光敏元件，分别是线阵式c c d 和面阵式c c d 。线性c c d 用于高分辨 率的静态照相机它每次只拍摄图像的一条线，这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种c c d 精度 高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪光灯。面阵式c c d 的每一个光敏元件代表图像 中的一个像素，当快门打开时，整个图像一次同时曝光。本系统采用的是面阵式c c d 。 ( 三) 本系统所用c c d 摄像机参数 本系统综合考虑所有因素以后决定采用的摄像机为日本w a t e c ( 沃泰克) 超低照度黑白0 摄 像机，其各项参数如下表 m o d e l，a t 9 0 2 h p i c k - u pe l e m e n t 图像采集 1 2 ”i n t e r l i n et r a n s f e rc c di m a g es e n s o r n u m b e ro f e f f e c t i v ep i x e l s n t s c ：7 6 8 ( h ) 4 9 4 ( v ) p a l ：7 5 2 ( h ) x5 8 2 ( v ) u n i tc e l ls i z e e i a 3 ：8 4 u r n ( h ) x9 s u m ( v ) c c i r 4 ：8 6 u m ( h ) x8 3 u m ( v ) s c a n n i n gs y s t e m 扫描方式 2 ：1 i l n t e d a c e s y n c h r o n i z i n gs y s t e m 同步方式 m t e m a l v i d e oo u t p u t 视频输出 c o m p o s i t ev i d e o , ，1 0 v p - p ，7 5 欧姆u n b a l a n c e d r e s o l u t i o n ( h o r i z o n t a l ) 线素 5 7 0 l i n e m i n i m u ml u m i n a t i o n 最低照度o 0 0 0 3l “，f 1 a ( a g ch i g i ) o 0 0 2l x ，f 1 4 ( a g cl o w ，) g a m m ac o r r e c t i o n 伽马校正 0 4 5 a g c 自动增益控制 h 砂：5 5 0 d b ，l o w ：5 - 3 2 d b s nr a t i o 信噪比 4 6 d b ( a g co f f ) a em o d e 自动电子快门 e i a ：o f f = i 6 0 ，1 6 0 1 1 0 0 ，0 0 0 s e e c c i r ：o t f f = 1 5 0 1 5 0 l ，1 0 0 0 0 0 s e c e i ae i e c u o n i ci n d 哪一嚣a s 蚰c i a t i 呲电子工业联合会。 c c i ri n t e r n a t i o n a lr a d i o c o n s u l a t i v e c o m m i t t e c 国际无线电咨询委员会。 5 照度( l u m i n o s i c y ) 指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的光通量来表示，表示单位为勒【克斯1 ( l u x , l x ) ，即i m m 2 1 勒【克斯】等于1 流【明1 ( 1 u m e n ，i r a ) 的光通量均匀分布于l m 2 面积上的光照度照度是以垂直面所接受的光通量为 标准，若倾斜照射则照度下降。一般书房中的照度为1 0 0 l u x 左右 - 9 东南大学硕士学位论文 b a c kl i g h tc o m p e n s a t i o n 背光补偿o n l