机器视觉创新综合试验.doc

机器视觉创新综合实验一、介绍：机器视觉系统的特点是提高生产的自动化程度。在一些不适合人工作的危险环境下或者人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量生产过程中，人工视觉检测产品效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和自动化程度。在现代化生产中，人们广泛的将机器视觉系统广泛地用于工况监测、成品检验和质量控制等领域。本实验模拟机器视觉系统在生产实践中的多种应用，深化同学对机器视觉系统的认识。二、涉及内容：光电检测、信息光学、数字图像处理三、实验原理（1）机器视觉系统的基本构成及工作原理：一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、 相机（包括CCD 相机和COMS相机）、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、通讯 / 输入输出单元等。1)照明系统照明是影响机器视觉系统输入的重要因素,它直接影响输入数据的质量和应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。2）图像传感系统机器视觉的图像传感器一般包括三个部分：镜头，摄像机，图形采集卡。一般来说，图像传感器实施对景物图像的采集；图形采集卡承担着对摄像机所采集图像的前置处理任务，是图像传感器与主处理器之间的链接“桥梁”。3）图像处理系统机器视觉系统的图像处理系统软件主要包括计算机操作系统及其应用软件、图像处理算法软件、控制软件等。其中，图像处理算法软件是机器视觉系统中最为关键的软件，因为它反映出对不同被测对象图像特征检测的核心思想（数学模型）。实际上图像处理算法的涉及范围十分广阔，根据应用目的的不同，可包括摄像机标定算法、图像输入处理、图像滤波、边缘检测、特征提取、图像匹配、深度识别。（2）图像采集设备的研究1）、远心光路远心光路就是孔径光阑位于光学系统焦点处的光路。ABB1A1A1B1ABMN图7-1 非远心光路在测量仪器中，远心光路的作用是非常明显的，因为它大大降低了因系统离焦而引起的测量误差。远心光路中按照光阑位置的不同，又分为物方远心光路和像方远心光路，光阑在像方焦点处的为物方远心光路，光阑在物方焦点处的为像方远心光路。在图7-1中，光阑在物镜上，为非远心光路。按照测量要求，被测物AB的像AB应与分划板MN重合。但在实际测量中往往因调试误差而产生离焦，物面位置实际位于A1B1处，它的像与MN不重合，在MN上的投影为CD，这样就导致了测量误差。在图7-2中，在像方焦点上加上孔径光阑，成为物方远心光路。由于调焦不准，物面由AB移动至A1B1，同时像面也由AB移动至A1B1处，但由于是远心光路，主光线平行于光轴，出射主光线通过焦点，主光线方向没有任何改变，A1B1的像A1B1在分划板上的投影仍为AB，因此没有引起测量误差。当然，由于离焦，像在分划板上的投影有一些弥散，但投影中心没有变化，虽然也会造成判读误差，但是相比投影误差会小得多。ABA1B1ABA1B1MN图7-2 物方远心光路ff在图7-3中，把光阑放在物镜的前焦面处。由于轴外主光线在像方是平行的，即使调焦有误差，其主光线在分划板上的位置也没有变化，读数还是相同的。综上所述，因主光线平行于光轴，造成的结果是物体前后移动时，在像面上的像点只会模糊而位置中心不变。2）、景深在实际测量中，被测物都是有一定空间深度的，也就是说，需要将一定深度范围的物空间成像在一个平面上。ABABffMN图7-3 像方远心光路物空间所成的像，在像平面上除了与其共轭的物平面的像之外，同时还映出了位于共轭物平面前后的空间点的像，这些非共轭点在像平面上所成的像不再是点像，而是一些相应光束的截面弥散斑。这些弥散斑尺寸足够小时，可以将其等效地视为空间物点的共轭像，并认为所成的由弥散斑组成的像是清晰的。能在像平面上获得清晰像的空间深度称为景深。DZ2Z1B1B2Z2Z1B1B2AB-l-l2-l-l1图7-4如图7-4所示，因为理想像面B上的弥散斑Z1和Z2分别与物空间对准面A上的弥散斑Z1Z2相共轭，则有， （1）（1） 式中，是共轭面A和A的垂轴放大率。由图中相似三角形得， （2）于是有， (3) ， （4）设，代入(3)、 (4)式，可得，景深。综上所述，景深与光瞳（光圈）口径，对准距离，垂轴放大率，允许弥散斑直径等诸多因素有关。当、固定时，景深随光瞳（孔径光阑）口径D的加大而减小。远心光路的孔径光阑一般不大，且由于主光线的特性使得系统在一定离焦范围内成像倍率不变，所以其景深比非远心光路要大。3）、畸变在理想光学系统中，一对共轭的物像平面上，放大率是常数。但是对于实际光学系统只有视场较小时有这个性质。当视场较大或很大时，像的放大率随视场而异，这就使像相对于物会失去相似性。这种使像变形的成像缺陷称为畸变。设某一视场实际放大率为，它与理想放大率之差与之比的百分数就作为该视场的畸变，以表示， 即，式中为像高与物高之比，设为实际像高，为理想像高。则，因此。四、实验内容及步骤 本实验的内容包括让用户通过实验对远心镜头有个实践上的认识，并对远心镜头的重要参数景深和畸变进行测量。实验步骤如下：1)、远心镜头景深测量CMOS摄像机光源分辨率板物象双远镜头图7-5 景深测量光路图（1）按照图7-5建好实验光路，并将各部件的光轴调至同轴等高。（2）将CMOS摄像机拧上镜头，USB插头连接上计算机。在计算机上打开该摄像机（如果计算机事先没有安装驱动程序，需用光盘安装相应的CMOS摄像机的驱动程序）。（3）将分辨率板数字朝上，正面（刻字面）面对镜头，稳定的置于干板架上，不得遮挡刻有条纹和数字的有效区域，调整干板架支杆的高度，使图形区的中心与镜头中心等高。（4）在计算机上观察分辨率板的成像是否正立，旋转镜头使屏幕上成像正立，微调干板架支杆高度使分辨率板的像位于窗口正中央。（5）将分辨率板与镜头第一光学面的距离调整至GCO-2301镜头Re设计值，并微调一维平移台使成像清晰。（6）使分辨率板滑块远离镜头，观察显示屏上的图像，直至图像出现明显模糊现象，记下此时分辨率板滑块在光学导轨上的位置。再使分辨率板滑块靠近镜头，直至图像再次出现明显模糊现象，记下此时分辨率板滑块在光学导轨上的位置（本实验所使用的镜头，这两个位置的距离约为70mm）。（7）利用分辨率板滑块在光学导轨上的读数粗调分辨率板到镜头第一光学面的距离，利用一维平移台微调这个距离。使分辨率板在步骤（3）所得出的成像区间中每2mm成像一次，点击单帧采集并保存每次成像的图像。由于一维平移台的调整范围有限，所以采用粗调微调结合的方式来使位移的变化能够覆盖0-70mm范围。（8）读取上一步中所得到的各组数据，作出分辨率-物距曲线。（9）本实验以分辨率在12lp/mm及其以上，为可接受的分辨率，由此得到成像清晰的物距范围，最大物距和最小物距的差值即为景深。（10）将远心镜头替换为非远心镜头，重复上述实验步骤，测得非远心镜头的景深之后，与远心镜头的景深相比较。（得到远心镜头具有能够三维大景深成像）。2）、远心镜头畸变的测量光源光源物象双远镜头畸变测量光路图俯视图目标靶板CMOS摄像机图7-6利用已知的标准长度（例如：刻度白屏）对DHC图像测量软件进行标定（1）按照图7-6建好实验光路，将目标物更换为刻度白屏。（2）打开DHC图像测量软件，点击菜单栏“设备-大恒HV摄像机（若采集设备为CCD摄像机则选择大恒SV摄像机）”。（3）点击工具栏“开始采集图像”，在软件的成像窗口内呈现白屏的图像。适当调整刻度尺的位置。使其成像的位置尽量靠近下面所用的滑动标尺且与窗口的上边缘平行。（加一张显示屏的实景图）（4）调整两个滑块的相对位置，使刻度尺在成像窗口中成像清晰。（5）点击菜单栏“系统-标定”或者直接点击工具栏“校正工具图表”，这时系统弹出红色的滑动标尺（有水平方向和竖直方向两个）和校正窗口，反选校正窗口内的“X=Y选项”。（6）鼠标放在滑动标尺水平方向和竖直方向的交点处，拖动滑动标尺，使滑动标尺左端与图像中的刻度尺0刻度线重合，将鼠标放到水平滑动标尺的右端拖动调整滑动标尺长度，使滑动标尺右端与白屏的10mm位置重合。这时在校正窗口内有X和Y方向上长度和像素之比的详细信息。点击确定，即完成了实验所用图像测量软件的标定。3）利用DHC图像测量软件测量远心镜头的畸变（1）将目标物滑块上的实验仪器更换为剪式升降台。（2）将待测目标靶板正对镜头横向竖直放置与剪式升降台上（3）调整升降台的高度，使目标靶板的像占满测量软件的成像区域，并且测量软件成像区域正中心有一条黑色粗刻线，调整物距使靶板在摄像机上成像清晰。（4）在成像窗口中镜头的中央位置选择一条黑色粗刻线，测量其宽度，作为镜头成像的近轴理想像高。具体测量方法如下，点击测量软件界面菜单栏“测量-画线”，鼠标移至所选黑色粗刻线的上边缘，单击鼠标选定直线第一点，向下拖动鼠标，利用软件自动产生的水平辅助线使所画直线与黑色粗刻线的边缘垂直，鼠标移至黑色粗刻线的下边缘，单击鼠标选定直线第二点，这时软件会在所画直线上直接给出直线的长度，测得黑色粗刻线的宽度，从而得到镜头成像的近轴理想像高。测量多组数据取平均值，以消除像差和人为因素所带来的误差。（5）在成像窗口中的待测点位置选择一条黑色粗刻线，按照步骤（3）中的方法测量其宽度，作为该点处的镜头成像的偏轴实际像高。同样测量多组数据取平均值。