機器視覺入門介紹

5、> 20世紀70年代真正開始發(fā)展, 》20世紀80年代進入發(fā)展期， > 20世紀90年代發(fā)展趨于成熟， A20世紀90代后至今高速發(fā)展。 ?關鍵標志： > 20世紀70年代CCD圖像傳感器的出現是機器視覺提供了可靠清晰的圖像； > 20世紀80年代以來處理器、圖像處理技術的飛速發(fā)展為機器視覺的高速發(fā)展提 供了基礎條件； > 2000年以來基于LED光源的任意光場設計使機器視覺在各種行業(yè)的應用成為可 能。 機器視覺發(fā)展歷程（國內） ?起步于20世紀80年代 ? 20世紀90年代進入發(fā)展期，加速發(fā)展是近幾年的事情。 ?機遇與挑戰(zhàn)并存 ＞中國正在成為世界機器視覺發(fā)展最為活躍

6、的地區(qū)之一； ＞中國已經成為全世界的制造中心，許多生產線已經遷至中國，許多國際 先進水平的機器視覺系統(tǒng)也進入了中國； | ＞國內機器視覺企業(yè)在與國際機器視覺企業(yè)的競爭中不斷得到成長。^ 機器視覺系統(tǒng)組成 ?圖像獲?。汗庠?、鏡頭、相機、采集卡、機械平臺 ?圖像處理與分析：工控主機、圖像處理分析軟件、圖形交互界面。 ?判決執(zhí)彳?。弘妭鲉卧?、機械單元 圖像分析 決定檢測結果 圖像獲取 ?組成：光源、鏡頭、相機、采集卡、機械平臺 (garbage In, Qar6age Out

7、 光源——種類 ?LED：壽命長/可以有各種顏色/便于做成各種復雜形狀/光均 勻穩(wěn)定/可以閃光； ?熒光燈：光場均勻/價格便宜/亮度較LED高； ?鹵素燈：亮度特別高/通過光纖傳輸后可做成； ?氤燈：使用壽命約1000小時/亮度高，色溫與日光接近。 大郃分機貉視 覺照明呆用 strife 松計自由 熒光燈 毗應it反 素燈 區(qū)燈 設計“山 ”價樣 光源——光路原理 ?照相機并不能看見物體，而是 看見從物體表面反射過來的光。

8、 ＞鏡面反射：平滑表面以對頂角 反射光線 ＞漫射反射：粗糙表面會從各個 方向漫射光線 ＞發(fā)散反射：多數表面既有紋理， 又有平滑表面，會對光線進行 發(fā)散反射 ■照相機 I （鏡面光或沒射光） 射出 ■照相機 I 光源——作用和要求 ?在機器視覺中的作用 A照亮目標，提高亮度 A形成有利于圖像處理的效果 A克服環(huán)境光照影響，保證圖像穩(wěn)定性 A用作測量的工具或參照 ?良好的光場設計要求 A對比度明顯，目標與背景的邊界清晰 A背景盡量淡化而且均勻，不干擾圖像 處理 A與顏色有關的還需要顏色真實，亮度 適中，不過曝或欠曝； ■照相機 I 對比度比較

9、差 對比度比明顯 ■ UTCdcoY 光源 光場構造 ?明場：光線反射進入照相機 ?暗場：光線反射離開照相機 暗場照明 光源——構造光源 光源 構造光源 使用不同照明技術對滾珠軸承產生的影響: 滾珠軸承 光纖壞光燈 熒光環(huán)光燈 漫射圓頂燈 同軸照明燈 直角持續(xù)漫射燈 持續(xù)漫射燈 鏡頭一一主要參數 ?工業(yè)

10、的鏡頭大都是多組鏡片組合在一起的。計算時會忽略厚度對透鏡的影響 將其等效成沒有厚度的播透鏡模型，即理想凸透鏡。 ?參數：焦距/視場/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍數/畸變/接口 鏡頭——主要參數 ?分辨率：對色彩和紋理的分辨能力。 ?畸變：鏡頭中心區(qū)域和四周區(qū)域的放大倍數不相同。 ■ ■ ■ — ? F 1 -—- ^anel 1 畸變的校正一般用黑白分明的方格圖像來進行，過程并不復 雜。一般如果畸變小于2%,人眼觀察不到；若畸變小于CCD 的一個像素，攝像機也看不見。  鏡頭 分類 CCTV鏡頭 專業(yè)攝影鏡頭 遠心鏡頭

11、 CCTV鏡頭 專業(yè)攝影鏡頭 遠心鏡頭 價格 低 高 分辨率 低 (20L/MM) 中 (4(T80L/MM) 高 畸變 咼 中 低 1 焦距選擇范圍 廣泛 廣泛 ■ 狹窄 使用靈活性 高 中 低 適合應用 低精度測量/簡單檢測 標準精度測量/定位 高精度測量/縱深測量  鏡頭 遠心鏡頭 ?在測量系統(tǒng)中，物距常發(fā)生變化，從而使像高發(fā)生變化，所以測得的物體尺 寸也發(fā)生變化，即產生了測量誤差； ?即使物距是固定的，也會因為CCD敏感表面不易精確調整在像平面上，同樣 也會產生測量誤差。 ?采用遠心物鏡中的像方遠心物鏡可以消

12、除物距變化帶來的測量誤差，而物方 遠心物鏡則可以消除CCD位置不準帶來的測量誤差。 Telecentric Advantages Over Conventional Lenses Conventional C<>nvMn1acil I ■ eS 1.1 I clcccntric Lens 相機 ?種類：線&面、隔/逐、黑/彩、數/模、低/高、CCD/CMOS ?指標：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感應曲線、動態(tài)范圍、靈敏度、 速度噪聲、填充因子、體積、質量、工作環(huán)境等 ?工

13、作模式：Free run、Trigger （多種）、長時間曝光等 ?傳輸方式：GIGE, Cameralinker,模擬 相機 線掃描系統(tǒng) Sensor Page trigger J ~— Line trigger 相機一一面陣相機  Proximity sensor 相機 自由觸發(fā)/外部觸發(fā) 自由觸發(fā)：按照相 機自己的時鐘抓怕 圖像，對于運動目 標，每次在圖像中 出現的位置不同。 相機 自由觸發(fā)/外部觸發(fā) 相機 自由觸發(fā)/外部觸發(fā) 外部觸發(fā)：按照外 部傳感器給的觸發(fā) 信號拍攝圖像，運 動

14、物體在圖像中每 次的位置一致。 相機——數據接口 ?模擬接口： CCIR/EIA, Non-Standard,RS-422/LVDS A高速，可靠性高，傳輸距離遠，支持多相機連接。管腳定義不統(tǒng)一，電纜成本高。 ? Camera Link A高速，高可靠性。不便于多相機連接和集中控制，電纜價格高。 ? IEE1394 A靈活性高，成本低。傳輸距離短，可靠性低。 ? USB2.0 A靈活性高，成本低。傳輸距離短，可靠性低，技術不成熟。 ? GigEVisi on A靈活性高，可擴充性強，支持遠距離傳輸，支持多點傳輸，技術成熟，魯棒性強，成本低。 ? USB3.0

15、A靈活性高。傳輸距離短，可靠性低，技術不成熟。 圖像分析——核心算法 物體測量 二維碼讀取 瑕疵檢測 ? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ?? ??????? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ▼ ■ ■ ? ? ? ? ? ■ ■ ■ ? ? ■ ? ■ ? ■ ■?■ ■ ■ ■ ■ ■ 空間標定 圖像數學和邏輯運算 圖像分割

16、 圖像分析 核心算法 模板和形狀匹配 光學字符的識別與確認 圖像濾波和頻率分析 圖像處理分析 核心功能 ?測量工具：測量兩點的距離，點到線的距離，兩線 之間的角度 ?線性定位：通過檢測工件邊緣的相對移動確定工件 的平移和旋轉 ?模板查找：通過檢測圖形的相對移動確定工件的平 移和旋轉 ? GEO查找：通過檢測圖形的相對移動確定工件的平 移和部件360度的旋轉 ?斑點查找：通

17、過檢測工件的有無、關聯、尺寸、形 狀和坐標來確定工件位置 ?邊緣工具：確定邊緣的有無、數量、類別和位 置冃標物工具：確定冃標物有無、數量、類別、 尺寸和位置 ?圖形計數工具：確定圖形的有無、數量和位置 GEO計數工具：在360度范圍內確定冃標圖形的 有無和位置 ?條碼檢測工具：查找、解碼和評估一維和二維 碼 ? OCR/OCV:讀取和確認光學字符 ?圓弧工具:檢測圓弧，以及圓心及其他弧形特征 ?線段工具:檢測長度，端點及其他線段特征 ?顏色匹配:檢測匹配的色調和濃度 圖像處理分析 核心功能 檢查克整性 形狀栓越 樓式比較

18、測AL 位■/角度椅測 文本閩讀、比牧 10/初持號讀取 行業(yè)應用 ?飲料行業(yè)：類別和瑕疵檢測 良品 不同品種 印刷缺口 訶點 O x x x 還可檢測出設定之初未預料到的不良品「一丁 ?日用品行業(yè)：排列順序檢測 行業(yè)應用 ?電子器件行業(yè)：電鍍不良檢測?電子器件行業(yè)：器件污點檢測 行業(yè)應用 ?幕埶行業(yè)：儀表按鍵位置 行業(yè)應用 ?包裝彳亍業(yè)：樹脂蓋污點檢測 檢測樹脂蓋的污點 樹脂蓋側面有小的污點。 使用瑕疵檢測工具.可以忽略 阿面弧度的影響?穩(wěn)定地檢測 污點。 ?電子器件行業(yè)：輪廓和邊緣曲線檢測 行業(yè)應用

19、 ?包裝行業(yè)：罐頭底部污點檢測 在任意發(fā)生的光澤中粘附著污點 穩(wěn)定檢測出污點 行業(yè)應用 ?日用品行業(yè)：透明塑料瓶污點檢測 ?紡織行業(yè)：布匹瑕疵檢測 行業(yè)應用 行業(yè)應用 在任意發(fā)生的光澤中粘附著污點 穩(wěn)定檢測出污點 在任意方向條紋圖像中存在異物 與實時濃淡補正組合使用 只抽取雜質或污點 ?加工業(yè)：金屬元件檢測與內徑測量 ?包裝行業(yè)：二維碼讀取，OCR字符識別 AutoVISIOr W LOT 隘 DATE OM/E

20、O1 IIIIHIIIIIIIII sSuFIl ?電子器件行業(yè)：接線位置檢測 II hi OK Run ?電子器件行業(yè)：電子零部件的有無 檢測、方向識別/確認 0K NG 刖  高精密工件檢測 ?線陣相機+遠心鏡頭+精密絲桿 紅成的線掃描式工業(yè)視覺檢測 ?機器視覺系統(tǒng)重點聚焦調合和灌裝兩個 生產區(qū)域，先后實現了產品在線賦碼、 灌裝線管匯自動化、儲罐信息共享、調 合配方系統(tǒng)化、灌裝線自動數據采集、 應用案例一一產品可追溯 ?針對潤滑油灌裝生產線，實現

21、產線一體 化管理，產品生產數據與上下游數據實 現無縫連接，實現產品在整個供應鏈中 的可追溯性需求。 儲運發(fā)貨優(yōu)化、中轉庫和經銷商管理、 原料油到貨管理、生產任務智能排產等 管理課題的突破，有效地提高了現場作 業(yè)管理效率，具備了先進過程控制體系 的基本格局，使智能數字化管理水平進 一步提升。 應用案例一一產品可追溯 ?使用機器視覺技術進行條碼讀取和標簽驗證，具體包括讀碼（包括讀取一維碼，二維 碼），OCR （光學字符識別），檢測有/無，定位，測量，標簽驗證，OCV （光學字符 驗證）等等， ?保證產品質量和全程可視化操作。管理者和生產人員可輕松地管理日常工作，對各類 時間能快速響應和

22、決斷，確保生產順利進行，實現產品的全程可追溯性。 ecHfaeo 毗:池i  應用案例——視覺堆垛 ?通過相機視野內目標比例的變化來估算目標 的高度并引導機器人的運動補償目標的偏移, 允許機器人只借助一個普通2D相機或線激光 輔助來拾取碼放堆集的目標。 應用案例——視覺堆垛 ?工作原理： A利用傳感器和輔助光源組成機器視覺系統(tǒng)，實 現對無定位工件的準確位置判斷，在機器人收 到信號后，機器人裝上為工件定制的專用手爪 去可靠的抓取工件，在與機床進行通訊得到上 料請求后，最終完成機床的上下料，在各種機 械加工行業(yè)中該系統(tǒng)應用廣泛。 ?工作流程 A標定：圖像坐標映射與世界坐

23、標的映射 A檢測：工件有無及在圖像坐標中的位置 A定位：工件映射到世界坐標的位置 A引導：發(fā)出指令動作 應用案例一一視覺堆垛 ?傳感器安裝方式： ?固定式 ?機械手一體式 ?傳感器： ? 2D相機 ? 2D相機+線激光 ?優(yōu)勢： ?使生產流水線更加簡單易于維護； ?大幅度降低工人的勞動強度;效率和柔性都 比較高。 ?系統(tǒng)結構簡單、安全文明、無污染，能在 各種機械加工場合進行應用，滿足了高效 率、低能耗的生產要求。 茴 裝式相機 ON

24、 OFF 茴 裝式相機 2D ］象 撤光El象 ?… ? ? e ? ? ” ? ? ? ? ? Automatically X L 良好 : 二 ON OFF 機器視覺系統(tǒng)的項目評估 ?系統(tǒng)評估及選型：精度、速度、可靠性 》精度：為什么要達到這么高的精度？高精度意味著高代價。系統(tǒng)的誤差 分配，系統(tǒng)精度、機臺精度、控制傳感精度，視覺部分的精度（分辨率、 圖像質量、安裝精度、鏡頭、標定方法、算法、環(huán)境等） A速度：總指標、控制部分、動作的配合及協調、通信速度、釆集速度 （硬件）、處理速度（計算機硬件、軟件算法、圖像質量等）

25、 A可靠性：硬件的可靠性、軟件算法的可靠性及穩(wěn)定性、系統(tǒng)設計的可靠 性等 機器視覺系統(tǒng)的開發(fā)流程 ?提出問題 ?定義檢測目標 ?收集制訂完整的規(guī)格列表 ?可行性研究 ?這個零件是如何被肉眼看到的？ ?這個零件將如何照在其上的光的特性？ ?將自己想成是那個零件 ?概念設計 ?實驗室的反復實驗 ?原型機生產 ?批量生產，先進制造 機器視覺系統(tǒng)的開發(fā)周期 ?需求了解/分析/確認；（前期多溝通很重要） ?樣品準備/測試; （需要客戶密切配合） ?系統(tǒng)軟/硬件選型；（保證性價比最好） ?系統(tǒng)開發(fā)設計；（嚴格按項目管理方法進行） ?現場試運行/大量測試; （必不可少， 需要配合） ?系統(tǒng)的局部修改和完善；（往往耗時較多） ?系統(tǒng)驗收; ?人員培訓與系統(tǒng)維護;