机器视觉光学技术与应用

赵严北京凌云公司2007年7月20日机器视觉光学技术与应用目录一、机器视觉系统概论机器视觉系统构成机器视觉成像系统解析成像系统设计方法二、系统主要评价指标和测试方法主要指标意义调试方法三、新产品技术介绍一、机器视觉系统概论1.机器视觉系统构成概念：“机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。”“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置”。——SME和RIA机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度：非接触检测；环境适应性高；检测效率高；检测精度高；采用计算机和图像处理技术，能够进行智能化检测2.机器视觉系统组成机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出。图像采集：光学系统采集图像，图像转换成模拟格式并传入计算机存储器。图像处理和分析：处理器运用不同的算法来提高对结论有重要影响的图像要素并形成数据作为判决依据。判决和输出：处理器的控制程序根据收到的数据做出结论并输出信息作反馈控制等应用。

一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、CCD照相机、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。LUSTERLightVision

2.机器视觉成像系统解析2.1成像系统地位意义：

它是决定系统成败的最重要因素“Garbagein,garbageout”----垃圾图像输入，垃圾图像输出系统应用不同，图像效果要求也不相同，追求最佳性价比

2.2系统元件解析1）光源

光源是影响机器视觉系统输入的重要因素，因为它直接影响输入数据的质量和至少30%的应用效果。

背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。

机器视觉系统对光源的要求高亮度——>高速扫描、高速成像，要求曝光时间短的场合；高均匀性——>表面检测、缺陷检测，利用灰度差异进行检测的场合；低功耗——>移动设备、便携检测系统；长寿命——>任何场合，节约成本和维护费用；光谱特性——>利用光谱单色性检测的场合；与传统光源相比，LED光源具有功率密度高，能耗低，长寿命，电光响应快，光谱单色性好等突出优点。是机器视觉专用光源的发展方向。提高图像亮度的方法采用高亮发光器件采用透射或反射式聚光系统——采用柱透镜汇聚亮度提高1倍但工作距离限定在最佳汇聚位置增加光源数量——2条光源亮度约为1条光源亮度的2倍安装空间的约束缩短光源与目标之间的距离其他增大光圈——与通光孔径大小成平方正比关系牺牲系统景深为代价增大CCD增益——信噪比降低，图像质量下降光源均匀性设计发光原理上荧光灯管的均匀性很好，而LED光源高均匀性难度大得多芯片或单管筛选——电光效率、封装工艺、焊接工艺均匀性设计——排列方式：间距、角度电气设计——独立驱动或调校，工艺复杂反射或散射——损失光亮度光谱特性单色光源——利用补色原理进行检测白色光源——颜色检测红外、紫外光源——红外检测、荧光检测光谱特性——补色对成像的影响色材的三原色C．青緑Ｍ．赤紫Ｙ．黄色光的三原色R．紅Ｇ．緑Ｂ．藍紅藍緑白黄青緑赤紫光谱特性——补色对成像的影响Ｍ（紫紅）Ｙ（黄色）C（青色）Ｒ(紅）淡淡淡淡淡浓浓浓Ｇ（緑）Ｂ（藍）淡2）镜头主要参数：光圈、景深、相对孔径、视场角、口径、放大率、焦距、传函、光谱几何光学成象公式（BasicFormula）放大率（Magnification）视场（FieldofView）工作距离（WorkingDistance）分辨率（Resolution）光圈个（Ap粗er弯tu残re）景深叉（De夸pt双h教of松F丢ie警ld）光学只传递短函数话（Mo耕du残la秒ti界on联T勺ra房诚ns腥fe扑r艘Fu盛nc狸ti湾on）畸变秘（Di汪st忠or事ti宇on）快门本速度(S虫hu魂tt逆er巴S婶pe呈ed亩)安装台方式尊（Mo浮un挑t）3）相团机成像骄器件夏：CC码D或CM布OS器件货尺寸摆：1／2英寸凉或其熔他尺鹿寸像素假（pi展xe搬l）：10抹24悟×7答68像素全尺寸(s童iz好e)：6.瓜5×份6.狠5µ斧m像素辨深度(b算it锹d疗ep赌th粮)：8／10峡B贵it帧频(f倘ra适me案r种at荣e)：30曾f幅ps电子剑快门退速度(e害le私ct为ro坚ni辩c荒sh绝ut敌te尾r)：1／60－1／10低00搅0秒信噪坦比(s梢ig巴na浊l请to损n脑oi赛se安r集at步io笼n)：60宅d涉B视频恰接口(v虾id约eo框o帖ut可)：Fi掌re树Wi苹re棕/I侄EE赠E欺13象94草b，6华pi歌n镜头课接口(l脊en饲s懂mo雀un抽t)：C-倡Mo闲un出t电源(p蹄ow蓄er可)：12忘V梦DC……其他肆还包诊括：贝像面齿尺寸购、时觉钟、椒行频继（线疮阵）虹、积因分时裙间（钟线阵我）、丽光谱机响应缺度、馆是否劫制冷游、工歇作环畅境等屡。CC俩D摄像丘机的答选择彩色址还是锐黑白跃？线矿阵还翁是面燥阵？什么损接口馅？多大链尺寸控？镜头馆如何正匹配鱼？4）图落像采络集卡图像你采集品卡主缘瑞要完冒成对秧模拟县视频煤信号组的数胆字化全过程氧。视频端信号之首先乳经低旬通滤即波器追滤波药，转绩换为谢在时闲间上蛛连续卵的模夜拟信风号；按照套应用蹲系统等对图物像分闲辨率涌的要霜求，纯得用蜂采样/保持蓝电路代对边崇疆的的视频你信号升在时像间上枯进行昌间隔糊采样普，把糕视频雷信号饱转换克为离洗散的付模拟要信号垂；由A/深D转换善器转龙变为咏数字草信号眠输出饺。图像尖采集娱／处械理卡退在具逼有模于数转建换功晋能的受同时找，还塑具有诸对视糕频图糟像分兆析、榨处理演功能败，并叙同时照可对粒相机领进行轰有效庙的控蹈制。光学腔系统浆设计羊步骤讨论LU脱ST倍ER卵L术ig知ht事Vi筹si抬on二、垫系统彼主要论评价专指标有和测药试方菠法视场烦、分筑辨率MT梦F、最标佳焦袜面信噪稿比均匀奇性视场壁、分科辨率视场年（Fi缺el识d梳of早V共ie醋w）分辨盗率（Re湾so旺lu探ti晶on）视场竹较大劝，检景测效靠率高而；分扮辨率没高，净检测糕精度迷高，苗二者挨均是渡表征瓶检测鉴性能榨的重筛要指厕标。视场份和分砌辨率国是一售对矛厘盾，问在相崖机像夫元数荷一定别的情腹况下古，视蚁场越哀大，政分辨咱率越双低。MT荷F、最上佳焦提面信息烛理论植给调寒制度M的定探义为刻：在同车一系跳统中椒，将司空间雾频率水不同喇的原轻稿信斑号输纠入，轨把经眨过系改统的荐调制陶度M与未爹经系屑统的裳调制间度M之比舌，定邻义为纹调制铲传递花函数MT狼FMT到F是频申率相瓦关的恒；MT盟F是OT片F的模阴值，蓝表示携振幅检变化钩，PT板F表示雀相位遇变化慕，成晕像光吐学系荣统是倍积分芬型，惰不考橡虑相控位；目标老点信里号经碗过傅乓立叶巴变换落可以签看作尖是不论同频恼率正葵弦信浇号的佩叠加护的结守果，织低频掀反映抹了轮魂廓、他层次飞（对恩比度乔），索高频淋反应肤细节池；MT萝F曲线粗线拢是空顷间频验率为10令lp研/m焰m的结姨果，肆细线份是30浴lp册/m披m的；铁黑色誓曲线严是最圆大光扔圈(对于忽这个固镜头烧是F1忽.4气)的，伤蓝色泄曲线赛是光缎圈F8苗(一般好是最乐佳光息圈)的；房诚实线跌是S曲线(弧矢很曲线)，虚截线是M曲线(子午蔬曲线)。最佳春焦面相确定通过砍靶标墙计算麻不同贡视场钱处的矮传函繁，给狗出过您焦曲辈线确定煎最佳果焦面管位置复测重传函LU撑ST晓ER多L认ig孝ht含Vi乘si畜on信噪拒比噪声动态吉范围动态醋范围讯是比云值，口输入温信号敢功率丽上限碎与下弦线的柱比值查，下泼限为睛灵敏滋度。例如8位CC校D的动羊态范目围是恐：2^呜8：1=迎25镰6：1信噪钱比定义盘：测量狗方法宽：目遇标为炮白平喷衡纸议。多次铃测量障取平志均值漠：信噪袄比=均值老：标邮准差均匀柱性图像坡处理听的基翼本判牙别依通据：雾灰度图像杆均匀避性是延保证态图像痛处理絮判别候标准辆一致熟性的干基本虽条件银。镜头掏渐晕光学晓上定凯义：由于孔径撑光阑的限政制，群斜光复束的树宽度舰比轴探上点达的光万束宽婚度小像平渗面边创缘部选分比底像平晃面中缓心暗孔径辣光阑股：光圈某（调懂节光手能量款）；光学无零件职的外刑框，孕如透呆镜框型（支阵撑透木镜）-ωDωMN均匀暗性校伟正＋渐晕熟产生退结果均匀冶性校汪正根据字全视帖场范鸟围内螺白场逢灰度沈分布添，采缸用衰裹减补虹偿的诵方法董，在渡线型别对称贺光源典前端孟，同断时加均形状坟如下屈图所膜示的昆透明矛模片啦，通良过对斗光源救照度列分布崖的修足正，道补偿虽镜头缴渐晕瓜带来蜻的白汪场灰脖度分先布不坑均匀还性。具体仰制作赌过程掌如下三、恳新产辆品技撒术介担绍大功骗率LE牵D线光赌源彩色坝线阵些相机PC遍30提高LE执D线光焦源亮鬼度采用亡大功精率LE厚D光源高密核度排发列采用稠非球绣面汇屡聚透丛镜采用震柱透错镜汇墙聚系还统提高LE卫D线光些源亮还度缩短棋工作塑距离瓣：近距枝离，软近似秧线性LE绍D光源肆光照矩距离海关系项曲线提高LE袖D线光肾源亮虏度增加贵驱动辞电流LE妹D驱动颈电流震与光垫输出出关系杀曲线注意扎：增销加驱贴动电障流可薄能导规致光失源寿婶命缩种短LU呀ST石ER答L事ig呈ht影Vi柜si肃on实例担：1m大功罪率LE纤D线光喘源用脑于印丹刷检聋测与普屑通高水亮LE肿D光源漏比较大功率LED高亮LED功耗36W30W寿命>50000小时>10000小时聚光柱透镜汇聚无100mm照度30000lux10000luxDA块LS馅A太PC膜30彩色鹅线阵欣相机Co哈lo泽r迟li弹ne适s密ca世n杂ca子me夏ra幅u柄si白ngDA欠LS矛A’攀str闪il患in震ea金rCC叠D胁se嗓ns探or截c镇hi密pRe豆so头lu述ti牛on家:董2k批&蹄4狂kSp键ee千d:黑8剥0焦or姐6减0Mp棵ix爸el资s/踪蝶spe彻r鲜co取lo摩rMa芝x询li惜ne丽r乘at残es县:2k/14µm4k/10µm60Mpixels/s22kHz12kHz80Mpixels/s33kHz18kHz三线擦阵间忙距小更好垫的紫前外、海蓝色残响应四率和榴白平围衡能用力高输饮出速净率每突种颜历色高哲达80Mp插ix榆el欲s/旗s防曝牛光过机度溢糟出各颜展色单圆独曝忠光8位12位Ca置me武ra风L减in飘k接口特点基本竖性能端参数L3锻002K4KMo疏un五t鲁Ty熔pePi通xe贩l稿Si患zeMa院x.貌L河in蒜e性Ra蹲teDa揭ta捞F堆or序ma慰tVi末de庄o降Ou现tp赠ut傍T差yp固eHo皱us碧in闷g麻Si板ze益(巧L镰x伞W扣x释H)We伍ig耕htPo份we型r讯Re义qu母ir爆em洋en裤tsCe除nt麦er舞-t记o-丑ce振nt禁er蔬-s衰pa警ci诊ngPi流xe到l益Cl泰oc确kPC泳302K4K14地.0忘µ营m扯x域14枝.0组µ偏m携1料0.极0梦µm驱x策1伯0.冠0双µm酱1仿4.准0书µm粪x死1信4.驴0于µm崭1箱0.材0辱µm悔x舟1幼0.金0喷µm11薪2爷µm蛮9吉0布µm梁42拒µ仰m欺3帝0律µm3愧x绵20求M貌Hz贸3掌x软3衫0度MH期z誉3蛛x泄4饺0秒or需8椅0桑MH冤z9.虏20公k晌Hz另7拌.2猎k幅Hz丈3顺3吗kH婆z您18男kH道z8,赏1辞0切bi戏ts遗8合,源12减b恢it亿sCa哑me蚂ra抖L两in榜k裙(B掩as民e)38确.1更x燃6羡2.孕0顺x诞62欣.0溪41巧.3烂x失7吵1.苍0奶x剪71拢.0振76乐m储m队x茫10捆5矩mm燃x魂5淡0踢mmMa需x.赠3察00鸟g鬼Ma仍x.午4丘50雄g12细V投DC娇(喝±1辽0%足)串12稼V伏t介o杠15次VF-密mo落un闸tF-荡mo隙un仙t,酷M5摄8荒x睬0.万75浑F嗽-m途ou桂nt洒o贺r梁M7磨2防x穷0.钻75相近尝的光榆谱相俘应更高选的线必速率2渐k浸4点k9.限2订kH跑z瘦7牺.2控kH户z更高踢的线防速率静可以启