机器视觉笔记

《机器视觉入门及应用》硬件篇1）相机按芯片类型：CCD相机、CMOS相机按扫描方式：隔行扫描相机、逐行扫描相机按传感器结构特性：线阵相机、面阵相机.相机基本参数分辨率：相机每次采集图像的像素点（Pixels），对于数字相机一是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机则是取决于视屏制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480；像素深度：即每个像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字工业相机一般还有10Bit、12Bit等；像元尺寸（pixelSize）：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机机靶面的大小。目前数字相机像元尺寸一般为3um--10um；帧率：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec）对于线阵相机为每秒采集的行数（Hz）.CCD相机CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换成电荷包，而后在脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD作为一种功能器件，与真空管相比具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。.SMOS相机CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制集成在一块芯片上。CMOS相机具有局部像素的编程随机访问的优点，目前，CMOS相机以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围特点在高分辨率和高速场合得到了广泛应用。.工业相机与普通相机的区别A,工业相机性能可靠易于安装，相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可以在较差的环境下使用，普通相机是做不到这些的，例如：让普通相机连续工作一天或几天肯定会受不了的；B,工业相机的快门（曝光）时间非常短，可以抓拍高速运动的物体；C.工业相机帧率远高于普通相机；D,工业相机输出的是裸数据，光谱范围较宽。比较适合进行高质量的图像处理算法，普通相机的光谱范围只适合人眼视觉，图像质量较差，不利于进行分析处理。E.工业相机价格贵。.相机选取方法A.根据应用的不同选取CCD或CMOS相机。CCD相机主要应用在运动物体的图像摄取，如贴片机机器视觉，。用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD相机比较多，CMOS相机成本低，功耗低也越来越广泛；B,分辨率的选择。首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率。相机像素精度二单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。则相机单方向分辨率二单方向视野范围大小/理论精度。若单视野为5mm，理论精度为0.02mm,则单方向分辨率=5/0.02=250。然而为增加系统稳定性，不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值，一般可以选择倍数4或更高。这样改相机需求单方向分辨率为1000，选用130万像素已经足够。C.其次看相机的输出，若是体式观察或机器视觉软件分析识别，分辨率高是有帮助的；若是VGA输出或USB输出，再显示器上观察，则还依赖显示器的分辨率，相机的分辨率再高，显示器分辨率不够，也是没有意义的；利用存储卡或拍照功能，相机的分辨率高也是很有帮助的。D.考虑与镜头的匹配。传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸，C或CS安装座也要匹配（或者增加转接口）；E.考虑相机帧数选择。当被测物体有运动要求时，要选择帧数高的工业相机。但一般来说分辨率越高，帧数越低。2）镜头镜头的基本功能就是实现光束变换，在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将目标图像成像在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能，合理地选择和安装镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。.镜头分类按功能：定焦镜头、变焦镜头、定光圈镜头按视角：普通镜头、广角镜头、远摄镜头按用途：微距镜头、远心镜头、CCTV镜头.镜头基本参数）镜头的相关参数：视场（FOV，邺城视野范围）：指观测物体的可视范围，也就是相机采集芯片的物体部分。（视场范围是选型中必须了解的）工作距离（WD）:指从镜头前部到受检验物体的距离。即清晰成像的表面距离。（选型必须了解的问题，工作问题是否可调？包括是否有安装空间等）分辨率：图像系统可以测到的手检验物体上的最小可分辨特征尺寸。在多数情况下，视野越小，分辨率越好；景深（DOF）：物体离最佳焦点较近或较远时，镜头保持所需分辨率的能力。（需要了解客户对景深是否有特殊要求）I双（DV）3.景深计算公式6--容许弥散圆直径；f--镜头焦距；F--镜头的拍摄光圈值；L--对焦距离；△L1--前景深；△L2--后景深；△L--景深.景深计算公式(2)：可看出，后景深＞前景深，且景深与镜头使用的光圈，镜头焦距与拍摄距离等有关系：镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；镜头焦距：镜头焦距越长，景深越小；镜头焦距越短，景深越大；拍摄距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。LowW(lar0iAxffiHi)LowW(lar0iAxffiHi)High口(SmeN躯rtuf，)tMoxieBbfAlkwobitToObioaDtsredRewkriian.镜头的其他参数感光芯片尺寸：相机感光芯片的有效区域尺寸，一般指水平尺寸。这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视野范围(FOV)非常重要。镜头光学放大倍数(PMAG)由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。虽然基本参数包括感光芯片的尺寸，但PMAG却不属于基本参数；焦距(f)：是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式，指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。亦是相机中，从镜头中心到底片或CCD等成像平面的距离。镜头接口C型：C型接口镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器处的位置）的距离为17.5mm;CS型：CS型接口此距离为12.5mm0C型镜头与CS型相机之间增加一个5mm的C/CS接圈可以配合使用。CS镜头与C型镜头无法配合使用；F型：通用型接口，一般适用于大于25mm的镜头。畸变：视野中局部放大倍数不一定造成的图像扭曲，由于受制作工艺的影响，镜头越好畸变越小。广角镜头的畸变比较大，比如直线弯曲、矩形变成桶形或者枕型。因此在精密测量系统等精度要求高的情况下必须考虑镜头的畸变。.镜头选取方法・根据客户要求。一般先考虑客户对镜头的特殊要求，例如在镜头与工件之前有没有加入其他器件（透镜、反光镜片、玻璃）、镜头的工作环境等。•是否需要用远心镜头。精密测量系统需要选用远心镜头，远心镜头最主要的功能就是克服透视相差（成像时由于距离的不同而导致的放大倍数不一致现象）的影响，使得检测目标在一定范围内运动时得到的尺寸数据几乎不变。一般情况下，远心镜头都是固定焦距和工作距离的，而且有些远心镜头的体积很大，有的超过十斤，需要详细了解客户对视场大小、工作距离、空间限制和运动控制的要求。一般的表面缺陷、有无判断等对物体成像没有严格要求时，选用畸变小的镜头就可以。•镜头的接口。镜头接口和相机接口都分为C、CS、F和其他更大尺寸的接口类型。相机和镜头时互补的，即C接口的相机只能用C口接的镜头，CS接口的相机可以使用CS接口的镜头或者加上5mm接圈，其他接口的只能一一对应，如果相机的芯片尺寸超过1英尺，尽量选用F或者更大的接口，避免图像周围成像质量差。3）光源机器视觉系统中最关键的一个方面就是选择正确的照明，机器视觉光源直接影响到图像的质量，进而影响到系统的性能。所以我们经常说光源起到的作用就是获得对比鲜明的图像。.光源的作用选择合适的光源，可突显良好的图像效果（特征点），可以简化算法，提高检测精度，保证检测系统的稳定性。.光源类型A.环形光源：提供不同的照射角度、不同颜色组合，更能突出物体的三维信息；高密度LED列阵，高亮度；多种紧凑设计，节省安装空间；解决对角照射阴影问题；可选配漫射板导光，光线均匀扩散。（PCB基板检测，IC元件检测，显微镜照明，液晶校正，塑胶容器检测，集成电路印字检查...）B.背光源：用高密度LED列阵面提供高强度背光照明，能突出物体的外形轮廓特征，尤其适合作为显微镜的载物台。红白两用背光源、红蓝多用背光源，能调配出不同颜色，满足不同被测物多色要求。（机械零件尺寸的测量，电子元件、IC的外型检测、胶片污点检测，透明物体划痕检测...）

C,条形光源：条形光源是较大方形结构被测物体的首选光源；颜色可根据需求搭配，自由组合；照射角度与安装随意可调。（金属表面检查，图像扫描，表面裂缝检测，LCD面板检测...）D.组合条形光源：四边配置条形光，每边照明独立可控；可根据被测物体要求调整所需照明角度，使用性广。（PCB基板检测，IC元件检测，焊锡检查，Mark点定位，显微镜照明，包装条码照明，球形物体照明...）E.同轴光源：同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影，从而减少干扰；部分采用分光镜设计，减少光损失，提高成像清晰度，均匀照射物体表面。（系列光源最适宜用于反射度极高的物体，如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测，芯片和晶片的破损检测，Mark点定位，包装条码识别。F.线性光源：超高亮度，采用柱面透镜聚光，适用于各种流水线连续检测场合。G.点光源：大功率LED，体积小，发光强度高；光纤卤素灯的替代品，尤其适合作为镜头的同轴光源等；高效散热装置，大大提高光源的使用寿命。（适合远心镜头使用，用于芯片检测，Mark点定位，晶片及液晶玻璃底基校正。.光源选型A.条光选型要领：»条光照射宽度最好大于检测的距离，否则可能会照射距离远造成亮度差，或者是距离近而辐射面积不够；»条光长度能够照明所需打亮的位置即可，无需太长造成安装不便，同时也增加成本，一般情况下，光源的安装高度会影响到所选用条光的长度，高度越高，光源长度要求越长，否则图像两侧亮度比中间暗；»如果照明目标是高反光物体，最好加上漫射板，如果是黑色等暗色不反光产品，也可以拆掉漫射板以提高亮度；B.环光选型要领：＞了解光源安装距离，过滤掉某些角度光源；例如要求光源安装尺寸高，就可以过滤掉大角度光源，选择用小角度光源，同样，安装高度越高，要求光源直径越大；＞目标面积小，且主要特征性在表面中间，可选择小尺寸0角度或小角度光源；＞目标需要表现的特征如果在边缘，可选择90角度环光，或大尺寸高角度环形光；＞检测表面划伤，可选择90度角环光，尽量选择波长短的光源。C.背光源/平行背光源选型要领：＞根据物体大小选择合适大小的背光源，以免增加成本造成浪费＞背光源四周一条由于外壳遮挡，其亮度会低于中间部位，因此选择背光源时，尽量不要使目标正好位于背光源边缘＞背光源一般在检测轮廓时，可以尽量使用波长短的光源，波长短的光源其衍射性弱，图像边缘不容易产生重影，对比度更高；＞背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳效果，并非离得越近效果越好，也非越远越好；＞液位检测可以将背光源侧立使用；＞圆轴类产品，螺旋状的产品尽量使用平行背光源D.同轴光源选型要领：＞选择同轴光时主要看其发光面积，根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光；＞同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍左右，因为同轴光的光路设计时让光路通过一片45度反半透镜改变光源靠近灯板的地方会比原理灯板的亮度高，因此，尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀；＞同轴光在安装时尽量不要离目标太高，越高，要求选用的同轴光越大，才能保证其均匀性。.图像采集卡＞图像采集卡(FrameGraber)：图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的过程，叫做采集、数字化＞A/D转换：视频量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字信号的过程，即A/D转换。视频信号的量化处理是图像采集处理的重要部分。＞图像采集卡附加功能：相机触发、灯源控制、基本I/O、相机复位、相机时序输出A.图像采集卡的分类：模拟图像采集卡、数字图像采集卡B.按功能可以区分为：单纯功能的图像采集卡、集成图像处理功能的采集卡C.图像采集卡趋势：带网络接口(GigabitEthernet)的图像设备将成为主流；智能相机(SmartCamera)会应用于工业现场控制系统；CameraLink、Firewire(1394)、LVDS等数字接口采集卡已被广泛使用。D.图像采集卡接口种类：>数字信号--接口计。机史RS422中打通。按”的是25计公\000000000003000000/\o0000000000000000/20 ”设着制RS-422小厅接口抽头是25计W插y 20数字信4RS422>数字信号-CameraLink①13对线(其中6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。>数字信号一IEEE1394(Firewire)两种接口标准，一种是6针接口，另一种是/r