机器视觉测量系统教学课件

1、现代检测技术 机器视觉测量系统精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事Xian Jiaotong University主要内容图像传感器 图像测量系统 图像处理技术 CCD, CMOS 照明、镜头、图像传感与采集、中央处理器 基本概念、图像增强、图像分析 Xian Jiaotong University图像测量系统 控制中枢、图像处理 照明 镜头、图像传感器图像采集 视频信号 Xian Jiaotong University照明 光源 照明技术 不同光源与照明技术效果举例 Xian Jiaotong University光源 方向 直射光：入射光基本上来自一个方向，入射角小，被照射物体有阴影；散

2、射光：入射光来自多个方向，不会投射出明显阴影。Xian Jiaotong University 光谱光的组成成份，如日光由从紫外到红外的所有光谱组成。取决于光源的类型和光学滤色镜。可见光光谱如图所示：光源Xian Jiaotong University光源 偏振性，又称极化光一般光波的震荡方向是不定的，极化光的震荡方向处在一个确定的平面上。在镜面反射中保留了定向性，可以借此消除镜面反射光的影响。 强度光照强度会影响摄像头的曝光，光线不足会造成对比度降低，噪声过大；光线过强会造成图像饱和，能量浪费以及散热等问题。 均匀性在所有机器视觉应用中，都要求均匀的光照。照射强度会随距离和角度偏离而减小，需

3、要特别考虑。Xian Jiaotong University光源 光源的种类按发光器件：卤素等、荧光等、LED灯、氙（xian）灯等；按几何形状：环形、方形、穹型、长条型灯；按发光特性：点光源、线光源、面光源等；按照射角度：直射、间接、掠射、同轴、平行等。LED灯：颜色丰富、发光效率高、响应速度快、体积小、发热小、功耗低、发光稳定、寿命长、易于组成不同形状的光源，是重要的光源发展趋势。 Xian Jiaotong University照明技术 物体的反射特性 镜面式反射；漫反射Xian Jiaotong University照明技术 颜色相加色：两种或三种波长组合成某种波长光的效果。相减色：反

4、射时从光谱中去除某些波长的光。 光学密度、折射率、纹理、表面方向Xian Jiaotong University照明技术 正向照明镜面：光线直接反射进入镜头；离轴照明：光源在镜头轴线侧面、避开了镜面反射；半漫射照明：光照较均匀，如环形光；漫射照明：光线来自所有方向，镜面反射最少；黑场：光线与镜头视线方向垂直。 背光照明漫射式：光源+平板，背面照射；凝聚式：使用镜头将光线集中于一个方向；黑场：适用于检测透明物体中的裂痕、气泡等。Xian Jiaotong University不同光源与照明技术效果举例 高角度亮场与低角度暗场光照强、较均匀 光滑表面的文字、伤痕等纹理检测 Xian Jiaoton

5、g University不同光源与照明技术效果举例 从边上的黑场照明 最适合凹凸不平表面及表面缺陷，缺点是阴影太大。 Xian Jiaotong University不同光源与照明技术效果举例 用明视野和暗视野照明对比 Xian Jiaotong University不同光源与照明技术效果举例 用碗状照明消除晕眩光 Xian Jiaotong University不同光源与照明技术效果举例 用透射光检查物体的有无 Xian Jiaotong University不同光源与照明技术效果举例 光源的颜色差异 中心部有银色涂层的铜框架 Xian Jiaotong University不同光源与照明技

6、术效果举例 红外线照明 Xian Jiaotong University不同光源与照明技术效果举例 红外线照明 Xian Jiaotong University不同光源与照明技术效果举例 紫外线照明 Xian Jiaotong University 偏振光照明 不同光源与照明技术效果举例 Xian Jiaotong University 偏振光照明 不同光源与照明技术效果举例 图镜子上灰尘指印，掠射；图镜子上油脂指印，暗视场；图光盘上油脂指印，暗视场Xian Jiaotong University不同光源与照明技术效果举例 偏振光照明 Xian Jiaotong University镜头 镜头

7、的视野、景深和焦距示意图Xian Jiaotong University镜头 基本概念成像面：被测物及其背景通过镜头投影到二维图像传感器平面，一般是长宽比为4:3的矩形；视野（Field of View，FOV）：与成像面对应的景物平面范围；工作距离（Work Distance，WD）：被测物到物镜的距离；景深：以镜头最佳聚焦WD为中心，前后存在一个范围，在此范围内的物体能够清晰成像，这个范围被称为景深（Depth of View，DOV）焦距Xian Jiaotong University选择镜头的关键参数 物镜的焦距ff决定了物体在成像面成像的大小，焦距越长，成像越大；f可以短到几毫米，长

8、达数十米；变焦距镜头可以通过调节焦距获得不同的放大倍数。 相对孔径F=D/f（光圈）D是镜头中光线能通过的有效圆孔直径，D越大，收集的光线越多；如f = 50mm，D = 8.9mm，则相对孔径F= 8.9/50=1/5.6；镜头上以1/F表示光圈值，如3.4，5.6，8，11，16等，光圈每增加一档，光照度增加一倍；Xian Jiaotong University 相对孔径F=D/f（光圈）F越大，景深越短；光圈越小，景深越长。为了获得较大景深的清晰图像，可以采取加大光强，减小光圈的方法。 视场角物镜的视场角决定了成像面上良好成像的空间范围。当成像面尺寸一定时，f越长，视场角越小。反之视场角

9、越大。选择镜头的关键参数 Xian Jiaotong University选择镜头 PMAG：镜头的放大倍数Xian Jiaotong University选择镜头 如何选择焦距WD：工作距离 Ho：视野的高度 Hi：相机有效成像面高度 PMAG：镜头的放大倍数 LE：镜头像平面的扩充距离为实现聚焦像平面后移LE = Di-f = PMAG*fXian Jiaotong University选择镜头 物距WD、放大倍数PMAG和焦距f的关系 利用上式可通过被测物尺寸（Ho）、物距（WD）和像平面高度（Hi）计算出所需镜头的焦距f。LE = Di-f = PMAG*fXian Jiaotong

10、University选择镜头 普通镜头选择步骤：获得物体至镜头的距离WD，如果是一个范围，取中间值；计算图像放大倍数PMAG；利用公式计算所需的焦距；选取与计算值最接近的标准镜头产品，并取其焦距值；根据所选镜头焦距重新核算镜头到物体的距离WD。举例：物体至镜头的距离在10cm30cm范围内，取WD=20cm。设视场高度为6cm，传感器成像面高度为6.6mm，则镜头放大倍数为：Xian Jiaotong University计算所需镜头焦距：标准镜头焦距：8mm、12.5mm、16mm、25mm和50mm16mm镜头的焦距最接近计算值，使用该值重新计算WD：镜头的扩充距离为：如果镜头扩充距离不够

11、，可以通过垫圈（1mm或0.5mm）调节聚焦机构获得所需扩充距离。选择镜头Xian Jiaotong University镜头的分类 按镜头接口 CCTV（C-MOUNT）：又称C接口镜头，采用螺纹式固定方式，在机器视觉中应用最广泛，具有重量轻、体积小、价格便宜、品种多等优点。 CS-MOUNT是C接口的一种变形，二者区别在于镜头的定位面到图像传感器光敏面的距离不同。C接口相机与CS镜头连接不能获得良好聚焦，而且会损坏CCD靶面。接口类型C接口CS接口镜头定位面至光敏面距离17.5mm12.5mm是否可以连接C接口相机是否可以连接CS接口相机（需加装节圈）Xian Jiaotong Unive

12、rsityC接口镜头产品 1，连接C-接口视觉 传感器的螺纹 2，根据型号可选塑料 或金属外壳 3，有各种尺寸的标准型,高能型和百万像素型的镜头4，带焦距锁定 5，可选C-接口增倍镜 Xian Jiaotong UniversityF接口尼康工业镜头；V接口施耐德工业镜头35mm相机镜头（35mm是胶片宽度）：即最常见的135相机使用的镜头，采用卡口式固定方式，不同相机品牌的镜头规格通常不一致，不具有互换性；在振动环境中会产生移动，在机器视觉系统中较少采用。Canon Nikon 镜头的分类 Xian Jiaotong University按等效焦距广角镜头：景深大，WD短，视角大，易出现桶形

13、失真；长焦距镜头：WD大，放大倍数大，易出现枕形失真；中焦距镜头：f约在50mm和200mm之间，最常用镜头；按镜头所具有的功能变焦距镜头（自动调焦）变光圈镜头（自动光圈）远心镜头：可以产生正交投影拍摄效果；微距镜头：拍摄微小物体，放大倍数在0.252之间。显微镜头：成像比例大于10倍。紫外镜头、红外镜头：专门针对紫外光或红外光折射特性设计的镜头。镜头的分类 Xian Jiaotong University视频信号 视频信号是机器视觉系统的关键，关系到摄像机和采集卡的配合、视频系统的设计和调试等。分为黑/白和彩色两大类，又分为模拟和数字视频。模拟视频分为标准和非标准视频，数字视频包含多种数字格

14、式。标准视频信号的周期、时间间隔、幅度等有明确规定，又称为闭路电视CCTV（Closed Circuit Television）。非标准视频信号多用于工业、医学、仪器等领域的视觉系统。黑/白彩色使用地区RS-170NTSC北美、日本、台湾等CCIRPAL欧洲、中国等Xian Jiaotong University 标准黑白视频信号 隔行扫描视频信号 隔行的帧图像和奇偶场图像之间的关系Xian Jiaotong University包含灰度信号、同步信号和消隐信号（零电平），零电平的上部是灰度图像，零电平处为全黑，零电平的下部是行、场同步信号，包括奇场和偶场的识别脉冲信息等。视频信号 全电视信号

15、同步信号Xian Jiaotong University 标准彩色视频信号 RGB彩色信号：分辨率最高，未经压缩，灰度损失量最小；需要传送RGB信号和行场同步信号。YUV分量式（YCrCb）：Y是黑白全电视信号，UV表示色度（颜色的色调和饱和度）；图像细节主要取决于Y分量，因此可以对U、V分量压缩，减少带宽。Y = 0.299R+0.587G+0.114BU = Cr = 0.713(R-Y) , V = Cb = 0.564(B-Y)S-Video（Y/C格式）：为了把YUV信号进一步混合，用一个4.33MHz的正弦和余弦波分别对U和V进行幅度调制，然后叠加到一起，叠加后的信号相位和幅值中包

16、含了色调和饱和度信息，视频信号可以通过两根线传递。视频信号 Xian Jiaotong University彩色全电视信号：用一根电缆传送信号，且与黑白电视信号兼容。Y信号是以行频为重复周期的周期信号，其频谱为离散谱，选择UV载波频率，使调制后的C信号频谱落在Y频谱的空隙内，则Y和C信号不会“互相干扰”。 RGB、YUV、S-Video和彩色复合视频信号的信号形式越来越紧凑，也越来越难以精确恢复到RGB形式，因此在条件许可的情况下，应尽量按照顺序选择高质量的信号形式。视频信号 Xian Jiaotong University 非标准视频信号 非标准的时序：不能用标准视频采集卡和解码电路处理，大

17、多数医疗设备和计算机VGA输出都是非标准视频。百万级像元的分辨率：CCIR标准摄像机代表分辨率为768*576，非标准视频信号已经超过百万像素分辨率。逐行扫描：不分奇偶场，一场扫描得到一帧图像信号。隔行扫描的图像只能用于观看为目的的场合，不能用于运动物体的检测。视频信号 Xian Jiaotong University数字视频 A/D转换在摄像机内部进行，集成度高，受外界干扰小，时钟精准。以计算机标准总线信号形式传输时，不需要采集卡。常用数字视频格式标准包括： LVDS（低电压差分信号装置）和RS-644：传输速度大于400MHz；只定义了一个信号发送和接收的电气特性，没有定义传输协议、连接方

18、式和接插件细节。 Camera link接口协议：规范了摄像机和采集设备的连接方式，基本传送单元是LVDS。 通用计算机接口USB2.0和FireWire (IEEE 1394)视频信号 Xian Jiaotong University图像采集卡 图像采集卡（Image Grabber）又称为图像卡，将传感器输出的图像视频信号以帧为单位传送到计算机进行处理、存储或显示。黑白图像采集卡结构图 Xian Jiaotong University图像采集卡的重要参数：黑、白参考电平、亮度调节、对比度调节箝位（直流恢复）：A/D参考电平恢复A/D转换精度：8位、9-12位采集速度：数据速率=每帧总采集点数转换精度帧速率总线结构：PCI-Experss总线。图像采集卡 Xian Jiaotong University图像采集卡 选择图像采集卡时需要考虑以下几个问题：所支持的相机类型：相机有面扫描和线扫描之分，输出形式有RS422、RS644、IEEE1394以及Camera link等，图像可能是8、10、12、14、16、24和32位黑白或彩色图像。数字I/O口：当采用多相机方案