机器视觉系统概述

机器视觉系统概述1、机器视觉的定义机器视觉（machinevision）定义：以光电图像传感技术和图像处理技术为核心；以模仿或替代人眼和大脑为目标；以解决工业生产和科学研究中检验与检测问题为目的，提高产品质量和生产效率；与之相关的产品、设备、系统；与之相关的技术、人员、技术服务、流通；美国制造工程师协会（SME）机器视觉分会和美国机器人工业协会（RIA）自动化视觉分会关于机器视觉的定义是：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。2、机器视觉系统的基本构成机器视觉系统包括三个技术环节，它们是：采像、分析、控制。采像，即图像采集，其目的是解决采集到满足分析要求的相应质量图像，这是机器视觉系统CCD摄像机1、 概述CCD（电荷耦合器件，CHARGECOUPLEDDEVICE）是二十世纪70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。CCD摄像机是以CCD芯片为核心，将自然界存在的物理图像经过光电转化，变成电子视频图像信号。CCD摄像机一般包括：CCD传感器、驱动电路、信号处理电路、接口电路、外壳及机械光学接口。2、 CCD摄像机分类按照色彩分：黑白摄像机和彩色摄像按照输出信号分：模拟摄像机和数字摄像机按照输出信号分：标准摄像机和非标准摄像机按照灵敏度分：普通灵敏度摄像机、高灵敏度摄像机（月光型和星光型）、红外摄像机按照分辨率分：普通分辨率和高分辨率摄像机按照CCD芯片类型分：线阵摄像机和面阵摄像机按照CCD光敏面尺寸分：1/4”、1/3”、1/2”、1”等摄像机按照制冷形式分：制冷摄像机和非制冷摄像机按照扫描形式分：逐行扫描和隔行扫描摄像按照输出速度分：低速摄像机、标准速度摄像机、高速摄像机按照响应光谱分：可见光摄像机、紫外摄像机、红外摄像机（近红外、中红外、远红外）3、 CCD摄像机主要参数-CCD靶面尺寸：有1/4、1/3、1/2、1等，其中最常用的是1/3和1/2的摄像机。1024*1024、1392*1040、1390*1037、1620*1236等-扫描模式/传输模式：模拟像机一一般为隔行扫描，隔行输出；数字像机---一般扫描方式是逐行，输出方式逐行或隔行-扫描频率：摄像机单位时间能够拍摄的画面数量，以每秒钟多少祯表示。模拟像机---25祯/秒或30祯/秒。数字像机---最低没有限制，最高1000祯/秒。一般有15FPS，30FPS，50FPS，60FPS，90FPS，100FPS，110FPS，200FPS，300FPS，400FPS，500FPS，600FPS，1000FPS-模拟输出/数字输出：模拟输出的图像信号输出电信号为模拟量（0-1VDC），数字输出的图像信号输出电信号为数字量（0或1）。模拟输出信号标准有（NTSC/PAL,EIA/CCIR）,Y-C（S-video）,andRGB.这些格式中，NTSC（PAL/RS-170A/Color）和EIA（CCIR/RS-170/Monochrome）是最常用的。Y-C和RGB信号通过将颜色信息分离到离散通道而提供优质的图象。模拟相机可以与模拟图象捕捉硬件设备相连接，或直接连接到TV监视器上观看。数字输出信号标准有LVDS（RS-466）、RS-422、CameraLink、IEEE-1394（火线）、USB-信噪比：信号与噪声的比，用来衡量输出信号质量。通常指标是48dB50dB58dB60dB-快门速度：摄像机每幅图像曝光时间快慢。-接口：指与镜头连接的机械接口标准形式。有C接口、CS接口、F接口。-其他参数：CCD光谱响应曲线、摄像机分辨率、外部曝光控制、异步复位、长时间积分、慢速快门、输出控制、BINNING功能、自动增益控制（AGC）、连接器4、摄像机的选择CCD摄像机是机器视觉系统的核心，机器视觉系统的构建一般由CCD摄像机的选择开始，CCD摄像选择确定后，才能够进行图像采集卡与镜头的选择，然后是照明系统的设计和光源的选择，以及输入/输出控制、执行机构等。在CCD的选择中，所有CCD的参数都需要进行论证，一般先按照所要构建的机器视觉系统的要求，首先确定分辨率、扫描频率、黑白与彩色、快门速度，然后在逐一考虑其他参数的选择，最后确定选择一款满足要求的，价格合适的CCD摄像机在何时选择线阵摄像机，一般在待检测的目标是运动的，而且需要连续检测的情况下，就要选择线阵摄像机来构建机器视觉系统。例如：印刷行业中的机器视觉检测系统，大多数选择线阵摄像机。5典型产品-美国UNIQ公司面阵CCD摄像机（适用于工业、医疗应用，产品系列全、性能价格比高）•德国BASLER公司面阵CCD摄像（适用于工业、科学应用、工艺精良）•日本TELI公司CCD摄像机（适用于半导体生产行业，结构小巧、品质优秀）•法国ATMEL公司CCD摄像机（适用于工业、科学研究等，高端的CCD摄像机）CMOS摄像机1、概述CMOS图像传感器是一种用CMOS工艺将光敏元件、放大器、A/D转换器、存储器、数字信号处理器和计算机接口等集成在一块硅片上的图像传感器器件。这种器件具有结构简单、处理功能多、成品率高和价格低廉等优点，有广泛的应用前景。但是早期的CMOS图像传感器存在成像质量差、像敏单元小、填充率低、响应速度慢等缺点，因此，早期的CMOS像机主要应用于可视门铃等这类低要求的行业。近年来，CMOS图像传感器的性能已经能够与CCD相比，并且具有价格低、功耗小、尺寸大、集成电路多等优点，应用越来越广泛。2、CMOS与CCD的比较CMOSCCD暗电流10-10010灵敏度低高电子噪声20050FPN可在逻辑电路中校正1DRNU101-10工艺难度小大光敏兀放大器有无信号输出行、列任意采样逐个光敏单元扫描ADC有无逻辑电路有无接口电路有无驱动电路有无3、 CMOS摄像机的选择由于近年来CMOS摄像的发展，在下列应用方面可以重点考虑采用CMOS摄像机:-需要高分辨率的情况；-需要高桢频率的情况；-需要数字输出的情况；4、 典型产品：•德国BASLER公司面阵CMOS摄像（适用于工业、科学应用、工艺精良）•日本TELI公司摄像机•北京MicroView公司CMOS摄像机（适用于医疗、芯片检测等，高分辨率、USB接口）制冷、高速、智能摄像机1、 制冷摄像机制冷摄像机是指摄像机中具有对CCD传感器芯片进行制冷装置的摄像机。制冷摄像机的目的是提高摄像信噪比和灵敏度一般应用在需要检测弱光目标的情况，典型的应用生物、医疗、天文观测、天文、光谱学、半导体物理等。典型产品有意大利DTA公司生产的制冷摄像机和美国ROPER公司生成的制冷摄像机。制冷摄像机的制冷一般采用半导体制冷方式，红外摄像机也常常需要制冷，制冷方式有半导体制冷和液氮制冷。2、 高速摄像机高速摄像机是指扫描频率（侦频）较高的摄像机。严格意义上将，扫描频率高于25Hz（或30Hz）的摄像机都可以称为高速摄像机，但是，从应用角度来讲，高速摄像机一般是指扫描频率高于100Hz以上的摄像机。高速摄像机主要应用在需要对运动目标的的检测或者瞬时过程的检测中，如对飞行子弹的检测、火药爆炸过程的分析检测等。高速设想机基本都是数字摄像机，其中高速图像数据的记录是高速摄像机系统中的重要组成部分。典型的高速摄像机系统有：德国BASLER公司的A504K摄像机，扫描频率500HZ。3、 智能摄像机智能摄像机（SmartCamera）是指能够检测图像采集与图像处理功能融为一体的摄像机，也就是说智能摄像机是包括摄像机、图像采集、图像处理、CPU、输入/输出接口的摄像机。与传统的摄像机相比，智能摄像机具有智能化程度高、体积小、功耗低、使用方便等优点，是将来机器视觉产品的一个主要发展方向。典型的智能摄像机有：加拿大MATROX公司的IrisP-Series采集卡1、 概述图像采集卡的功能是对摄像机输出的视频数据进行实时采集，并提供与计算机的数据接口，以便

计算机能够对采集到的图像进行处理。2、 图像采集卡的分类按照采集的视频信号分：模拟图像采集卡和数字图像采集卡；按照视频信号的标准分：标准视频信号采集卡和非标准视频信号采集卡按照数据传输方式：PC总线I、PC104总线、IEEE1394、USB等3、 图像采集卡的选择-采样频率或最高时钟、带宽；-是标准视频信号，还是非标准视频信号；-是模拟信号，还是数字信号；-需要接几个摄像机；-输入/输出信号要求；-有无图像预处理功能的要求；驱动程序兼容性与二次开发软件的支持性能。镜头1、概述在机器视觉系统中，镜头的主要作用是将所要检测的目标成像在摄像机的图像传感器上。镜头的质量直接影响到机器视觉的整体性能，合理选择并安装光学镜头，是机器视觉系统设计的重要环节。2、 光学镜头的基本参数-焦距：f,镜头的焦距决定了成像目标在图像传感器上的图像大小。焦距越大所得到的像也就越大，同时视场角越小，反之亦然。-相对孔径：D/f，镜头的相对孔径决定镜头的分辨率和在图像传感器上的照度。相对孔径越大，分辨率越高，图像传感器上的照度也会越大。-像面尺寸：能够清晰成像的像面大小。3、 光学镜头的分类按照焦距分：广角镜头、标准镜头、长焦镜头按照调焦方式分：定焦镜头、手动变焦镜头、电动变焦镜头；按照光圈调节方式分：手动光圈镜头和自动光圈镜头；按照用途分：CCTV镜头、工业高分辨率镜头、显微镜头、照相机用镜头。4、 光学镜头的选择-选择镜头类型：根据所要检测的目标和工作距离来决定选择广角镜头、标准镜头、还是长焦镜头；-选择镜头焦距：根据工作距离、视场范围和放大倍数等来确定镜头的焦距；-选择镜头的像面尺寸：镜头的像面尺寸应该大于摄像机光敏面尺寸；-选择镜头接口：镜头机械接口主要有C接口、CS接口、F接口、PK接口等，根据所选择的摄像机来进行选择一般应与摄像机的光学机械接口一致；-选择镜头质量：一般的应用可以选择CCTV镜头，工业检测大多选择工业高分辨率镜头，对微小物体的检测可以选择显微小镜头。5、 典型镜头-日本精工CCTV镜头•日本COMPUTAR公司CCTV镜头-日本COMPUTAR公司工业自动化百万像素镜头光源1、 概述光源是机器视觉系统的重要组成部分，是机器视觉系统设计中必须重点注意的工作，在一定程度上，光源的设计与选择往往决定机器视觉系统成败的关键。2、 光源的分类光源分为自然光源和人工光源。自然光源主要是指太阳光以及利用太阳光变化的光源。人工光源是人为将各种能源（主要是电能）转换得到的光源。人工光源按照发光器件本身的发光机理可以分为以下几类：热辐射光源白帜灯、卤钨灯黑体辐射气体放电光源汞灯荧光灯钠灯金属卤化物灯空心阴极灯惰性气体灯固体发光光源场致发光二极管发光二极管（LED）激光光源气体激光固体激光染料激光半导体激光（LED）在机器视觉系统中常用的光源是：LED光源、光纤光源、荧光灯、白帜灯、卤钨灯3、照明设计与光源选择机器视觉系统中光源是照明所要检测的目标，以便得到理想的图像。照明方式分为透射式照明和发射式照明。透射式照明有临界照明和柯拉照明；反射式照明有镜面发射照明和漫反射照明照明设计应重点考虑下列三个因素：照明的视场，即所需要照明的范围有多大。照明工作距离，即光源与目标之间的距离。目标的特性，即目标的形状和颜色，特别是所需要检测的目标部分的形状。下面给出机器视觉系统照明设计的几项原则：1、 选择主动照明方式：在机器视觉系统中，为了得到稳定、一致的图像，消除环境的影响，常常采用主动照明方式，也就是说，在机器视觉系统中一般要采用人工光源来照明被检测的对象。2、 优先选择LED光源：在光源的选择上，尽量选择LED光源作为机器视觉系统的照明光源，因为，LED光源具有输出光强稳定、寿命长、响应时间短、形状多样、功耗低、造价低等突出的优点。4、选择正确的照明方式：根据所需检测目标的特性，选择合适的照明方式。照明方式适用情况透射式照明检测目标的外轮廓目标在透明的材质上发射式照明检测目标的外轮廓检测目标内部某个部分亮视场照明机器视觉中最常用照明方式暗