機器視覺基本介紹

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1、機器視覺基本概念 2018.1.29 機器視覺系統(tǒng) 作用：利用機器代替人眼來做各種測量和判斷。 它是計算機學科 的一個重要分支，它綜合了光學、機械、電子、計算機軟硬件等方面的技術, 涉及到計算機、圖像處理、模式識別、人工智能、 信號處理、光機電一體化等多個領域。 機器視覺系統(tǒng) 的特點：是提高生產的柔性和自動化程度。 在一些不適合于人工作業(yè)的危險工 作環(huán)境或人工視覺難以滿足要求的場合， 常用機器視覺來替代人工視覺； 同時在大批量工業(yè) 生產過程中，用人工視覺檢查產品質量效率低且精度不高， 用機器視覺檢測方法可以大大提 高生產效率和生產的自動化程度。 而且機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是

2、實現(xiàn)計算機集成制造 的基礎技術。可以在最快的生產線上對產品進行 測量、引導、檢測、和識別，并能保質保量 的完成生產任務 視覺檢測：指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分 CMOS和CCD兩種）將被攝取目 標轉換成圖像信號， 傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)， 根據像素分布和亮度、顏色等信息， 轉變 成數字化信號；圖像系統(tǒng)對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征, 進而根據判別的結果 來控制現(xiàn)場的設備動作。是用于生產、裝配或包裝的有價值的機制。 它在檢測缺陷和防止缺 陷產品被配送到消費者的功能方面具有不可估量的價值。 照明 照明是影響機器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數

3、據的質量和應用效果。 由于沒有通用的機器視覺照明設備，所以針對每個特定的應用實例，要選擇相應的照明裝置， 以達到最佳效果。 光源可分為可見光和不可見光。常用的幾種可見光源是白幟燈、日光燈、水銀燈和鈉 光燈?？梢姽獾娜秉c是光能不能保持穩(wěn)定。如何使光能在一定的程度上保持穩(wěn)定， 是實用化 過程中急需要解決的問題。 另一方面，環(huán)境光有可能影響圖像的質量， 所以可采用加防護屏 的方法來減少環(huán)境光的影響。 照明系統(tǒng)按其照射方法可分為： 背向照明、前向照明、結構光和頻閃光照明等。 其中， 背向照明是被測物放在光源和攝像機之間， 它的優(yōu)點是能獲得高對比度的圖像。 前向照明是 光源和攝像機位于被測

4、物的同側， 這種方式便于安裝。結構光照明是將光柵或線光源等投射 到被測物上，根據它們產生的畸變， 解調出被測物的三維信息。 頻閃光照明是將高頻率的光 脈沖照射到物體上，攝像機拍攝要求與光源同步。 鏡頭 FOV（ Field of Vision ）=所需分辨率*亞象素*相機尺寸/PRTM （零件測量公差比） 鏡頭選擇應注意： ①焦距②目標高度③影像高度④放大倍數⑤影像至目標的距離 ⑥中心點/節(jié)點⑦畸變 視覺檢測中如何確定鏡頭的焦距 為特定的應用場合選擇合適的工業(yè)鏡頭時必須考慮以下因素： ?視野-被成像區(qū)域的大小。 ?工作距離（WD）-攝像機鏡頭與被觀察物體或區(qū)域之間的距離。

5、 ?CCD -攝像機成像傳感器裝置的尺寸。 ?這些因素必須采取一致的方式對待。如果在測量物體的寬度，則需要使用水平方向 的CCD規(guī)格，等等。如果以英寸為單位進行測量，則以英尺進行計算，最后再轉換為毫 米。 參考如下例子：有一臺 1/3 ” C型安裝的CDD攝像機（水平方向為 4.8毫米）。物 體到鏡頭前部的距離為 12” （ 305毫米）。視野或物體的尺寸為 2.5 ” （64毫米）。換算系 數為1” = 25.4毫米（經過圓整）。 FL = 4.8 毫米 x 305 毫米/ 64毫米 FL = 1464 毫米/ 64毫米 FL =按23毫米鏡頭的要求 FL = 0.19 ” x

6、12 ” / 2.5 ” FL = 2.28 ” / 2.5 ” FL = 0.912 ” x 24?毫米/inch FL =按23毫米鏡頭的要求 注：勿將工作距離與物體到像的距離混淆。工作距離是從工業(yè)鏡頭前部到被觀察物體 之間的距離。而物體到像的距離是 CCD傳感器到物體之間的距離。計算要求的工業(yè)鏡頭 焦距時，必須使用工作距離 相機 按照不同標準可分為：標準分辨率數字相機和模擬相機等。要根據不同的實際應用場 合選不同的相機和高分辨率相機：線掃描 CCD和面陣CCD ;單色相機和彩色相機。 圖像采集 圖像采集卡只是完整的機器視覺系統(tǒng)的一個部件，但是它扮演一個非常重要的角色。

7、圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數字等等。 比較典型的是 PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計算機存儲器進 行處理。有些采集卡有內置的多路開關。例如，可以連接 8個不同的攝像機，然后告訴采 集卡采用那一個相機抓拍到的信息。有些采集卡有內置的數字輸入以觸發(fā)采集卡進行捕捉， 當采集卡抓拍圖像時數字輸出口就觸發(fā)閘門。 視覺處理器 視覺處理器集采集卡與處理器于一體。以往計算機速度較慢時，采用視覺處理器加快 視覺處理任務。由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲器， 而且計算機也快多了， 所以視覺處 理器用的較少了。 機器選型 在機器視覺系統(tǒng)中，獲得一張高質量的

8、可處理的圖像是至關重要。系統(tǒng)之所以成功， 首先要保證圖像質量好，特征明顯，。一個機器視覺項目之所以失敗，大部分情況是由于圖 像質量不好，特征不明顯引起的。要保證好的圖像，必須要選擇一個合適的光源。 光源選型基本要素： 對比度：對比度對機器視覺來說非常重要。 機器視覺應用的照明的最重要的任務就是使需要 被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產生最大的對比度， 從而易于特征的區(qū)分。 對比 度定義為在特征與其周圍的區(qū)域之間有足夠的灰度量區(qū)別。 好的照明應該能夠保證需要檢測 的特征突出于其他背景。 亮度：當選擇兩種光源的時候，最佳的選擇是選擇更亮的那個。 當光源不夠亮時，可能有三種不好的情況

9、會出現(xiàn)。 第一，相機的信噪比不夠；由于光源的亮度不夠，圖像的對比度必然不夠，在圖像上 出現(xiàn)噪聲的可能性也隨即增大。 第二，其次，光源的亮度不夠，必然要加大光圈，從而減小了景深。 第三，另外，當光源的亮度不夠的時候，自然光等隨機光對系統(tǒng)的影響會最大。 魯棒性：另一個測試好光源的方法是看光源是否對部件的位置敏感度最小。 當光源放置在攝 像頭視野的不同區(qū)域或不同角度時， 結果圖像應該不會隨之變化。 方向性很強的光源， 增大 了對高亮區(qū)域的鏡面反射發(fā)生的可能性，這不利于后面的特征提取。 好的光源需要能夠使你需要尋找的特征非常明顯，除了是攝像頭能夠拍攝到部件外， 好的光源應該能夠產生最大的

10、對比度、亮度足夠且對部件的位置變化不敏感。 特征提取辨識 一般檢測（自動識別）先利用高清晰度、高速攝像鏡頭拍攝標準圖像，在此基礎上設 定一定標準；然后拍攝被檢測的圖像，再將兩者進行對比。 圖像識別處理時應采取相應的算法， 提取雜質的特征，進行模式識別，實現(xiàn)智能分析。 Color檢測 一般而言，從彩色 CCD相機中獲取的圖像都是 RGB圖像。也就是說每一個像素都由 紅（R ）綠（6）籃（B）三個成分組成，來表示 RGB色彩空間中的一個點。問題在于這些 色差不同于人眼的感覺。即使很小的噪聲也會改變顏色空間中的位置。 所以無論我們人眼感 覺有多么的近似，在顏色空間中也不盡相同。基于上述原

11、因，我們需要將 RGB像素轉換成 為另一種顏色空間 CIELAB。目的就是使我們人眼的感覺盡可能的與顏色空間中的色差相近。 Blob檢測 根據上面得到的處理圖像，根據需求，在純色背景下檢測雜質色斑，并且要計算出色 斑的面積，以確定是否在檢測范圍之內。 因此圖像處理軟件要具有分離目標，檢測目標，并 且計算出其面積的功能。 Blob分析(Blob Analysis )是對圖像中相同像素的連通域進行分析， 該連通域稱為Blob。 經二值化(Binary Thresholding )處理后的圖像中色斑可認為是 blob。 Blob分析工具可以 從背景中分離出目標，并可計算出目標的數量、位

12、置、形狀、方向和大小，還可以提供相關 斑點間的拓撲結構。在處理過程中不是采用單個的像素逐一分析， 而是對圖形的行進行操作。 圖像的每一行都用游程長度編碼 (RLE )來表示相鄰的目標范圍。這種算法與基于象素的算 法相比，大大提高處理速度。 結果處理和控制 應用程序把返回的結果存入數據庫或用戶指定的位置，并根據結果控制機械部分做相 應的運動。 工作原理 視覺檢測涉及拍攝物體的圖像，對其進行檢測并轉化為數據供系統(tǒng)處理和分析，確保 符合其制造商的質量標準。不符合質量標準的對象會被跟蹤和剔除。 掌握視覺檢測系統(tǒng)的工作原理對評估該系統(tǒng)對公司運作所做的貢獻十分重要。必須充 分在設置視覺檢測系

13、統(tǒng)時所涉及到的變量。 正確設置這些變量， 采用合適的容差，這對確保 在動態(tài)的生產環(huán)境中有效而可靠地運行系統(tǒng)而言至關重要。 如果一個變量調整或設計不正確， 系統(tǒng)將連續(xù)出現(xiàn)錯誤剔除，證明使用不可靠。 結構組成 圖像部件 攝像機捕捉被檢測物體的電子圖像，然后將其發(fā)送到處理器進行分析。電子圖像被轉 換成數字，表示圖像最小的部分，即像素。圖像顯示的像素數量稱作分辨率。圖像的分辨率 越高，包含的像素數量越多，進行檢測時，圖像的像素數量越多，檢測結果越準確。 攝像機 視覺檢測系統(tǒng)的攝像機有三個變量需要調整，以優(yōu)化捕捉到的圖像。它們是光圈、對 比度和快門速度。 照明部件 正確的照明對幫助創(chuàng)建

14、有效檢測所需的對比度很關鍵。當對一件產品的正確系統(tǒng)設置 進行評估時，設計師會花費相當多的時間用來確定檢測所需的最佳照明。 照明解決方案的類 型、幾何形狀、顏色和強度應當提供盡可能強的對比。 軟件工具 視覺檢測系統(tǒng)使用軟件處理圖像。軟件采用算法工具幫助分析圖像。視覺檢測解決方 案使用此類工具組合來完成所需要的檢測。常用的包括， 搜索工具，邊界工具，特征分析工 具，過程工具，視覺打印工具等。 視覺檢測的優(yōu)勢 1、 非接觸測量，對于觀測者與被觀測者都不會產生任何損傷， 從而提高系統(tǒng)的可靠性。 2、 具有較寬的光譜響應范圍，例如使用人眼看不見的紅外測量，擴展了人眼的視覺范 圍。 3

15、、 長時間穩(wěn)定工作，人類難以長時間對同一對象進行觀察，而 機器視覺則可以長時間 地作測量、分析和識別任務。 4、 利用了機器視覺解決方案，可以節(jié)省大量勞動力資源，為公司帶來可觀利益。 CCD篇 1、 CCD視覺系統(tǒng)的作用：利用機器代替人眼來做各種測量和判斷。 2、 CCD視覺系統(tǒng)的組成： 該系統(tǒng)綜合了光學、機械、電子、計算機軟硬件等方面的技術涉及到計 算機、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機電一體化等多個領 域。包括數字圖像處理技術、光學成像技術、傳感器技術、模擬與數字視頻 技術、計算機軟硬件技術、人機接口技術等。 機話&覓(Machine Vision) 基 . |

16、機器 丨 亠 I 視応| < Machine) Vision) RM ■ ［代兀週的掙制 曲檢：人悅工￡.月k 丄 r 1 Jlfl 1'』 L * F % 申 j L& 1 li # Jn rh a ■* rir "丿耳 T* >1 - p nF n,nLrniir7t 11 1 jX j 3、CCD檢測原理 CCD與CMOSS的區(qū)別】 信息正常讀?。? CCD電荷耦合器存儲的電荷信息，需在同步信號控制下一位一位地實施轉移后讀取，電荷 信息轉移和讀取輸出需要有時鐘控制電路和三組不同的電源相配合，整個電路較為復雜

17、。 CMOS光電傳感器經光電轉換后直接產生電流（或電壓）信號，信號讀取十分簡單。 2） 速度 CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢 ；而 CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號， 還能同時處理各單元的圖像信息， 速度比CCD電荷耦合器快很多。 3） 電源及耗電量 CCD電荷耦合器大多需要三組電源供電， 耗電量較大；CMOS光電傳感器只需使用一個電源， 耗電量非常小，僅為 CCD電荷耦合器的1/8到1/10，CMOS光電傳感器在節(jié)能方面具有 很大優(yōu)勢。 4 ）成像質量 CCD電荷耦合器制作技術起步早，技術成熟，采用 PN結或二

18、氧化硅（SiO2 ）隔離層隔離 噪聲，成像質量相對 CMOS光電傳感器有一定優(yōu)勢。由于 CMOS光電傳感器集成度高， 各光電傳感元件、電路之間距離很近，相互之間的光、電、磁干擾較嚴重，噪聲對圖像質量 影響很大，使 CMOS光電傳感器很長一段時間無法進入實用。近年，隨著 CMOS電路消 噪技術的不斷發(fā)展，為生產高密度優(yōu)質的 CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。 cmosfflccd的區(qū)gl—— 毆I l*nil CMpMi Imi Interlin* Transfer CCD 1. 內部結構（傳感器本身的結構） CCD的成像點為X-Y縱橫矩陣排列，每個成像點由一個光電二極管和

19、其控制的一個鄰 近電荷存儲區(qū)組成。光電二極管將光線（光量子）轉換為電荷（電子） ，聚集的電子數 量與光線的強度成正比。在讀取這些電荷時，各行數據被移動到垂直電荷傳輸方向的緩 存器中。每行的電荷信息被連續(xù)讀出，再通過電荷 /電壓轉換器和放大器傳感。這種構 造產生的圖像具有低噪音、 高性能的特點。但是生產CCD需采用時鐘信號、偏壓技術， 因此整個構造復雜，增大了耗電量，也增加了成本 CMOS傳感器周圍的電子器件，如數字邏輯電路、時鐘驅動器以及模 /數轉換器等，可 在同一加工程序中得以集成。CMOS傳感器的構造如同一個存儲器， 每個成像點包含一 個光電二極管、一個電荷 /電壓轉換單元、一

20、個重新設置和選擇晶體管，以及一個放大 器，覆蓋在整個傳感器上的是金屬互連器（計時應用和讀取信號）以及縱向排列的輸出 信號互連器，它可以通過簡單的 X-Y尋址技術讀取信號 2. CCD電荷耦合器需在同步時鐘的控制下，以行為單位一位一位地輸出信息，速度較慢 而CMOS光電傳感器采集光信號的同時就可以取出電信號，還能同時處理各單元的圖 像信息，速度比 CCD電荷耦合器快很多。 CMOS光電傳感器的加工采用半導體廠家生產集成電路的流程，可以將數字相機的所有部 件集成到一塊芯片上，如光敏元件、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換器、圖像信 號處理器及控制器等，都可集成到一塊芯片上，還具有附加

21、 DRAM的優(yōu)點。只需要一個芯 片就可以實現(xiàn)很多功能，因此采用 CMOS芯片的光電圖像轉換系統(tǒng)的整體成本很低。 CCD和CMOS在制造上的主要區(qū)別是 CCD是集成在半導體單晶材料上， 而CMOS是集成 在被稱做金屬氧化物的半導體材料上，工作原理沒有本質的區(qū)別。 CCD只有少數幾個廠商 例如索尼、松下等掌握這種技術。而且 CCD制造工藝較復雜，采用 CCD的攝像頭價格都 會相對比較貴。事實上經過技術改造，目前 CCD和CMOS的實際效果的差距已經減小了 不少。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于 CCD不少，所以很多攝像頭生產廠商采用 的CMOS感光元件。成像方面：在相同像素下 CC

22、D的成像通透性、明銳度都很好，色彩 還原、曝光可以保證基本準確。而 CMOS的產品往往通透性一般，對實物的色彩還原能力 偏弱，曝光也都不太好，由于自身物理特性的原因， CMOS的成像質量和 CCD還是有一定 距離的。但由于低廉的價格以及高度的整合性，因此在攝像頭領域還是得到了廣泛的應用。 tmo臺和的區(qū)別 總結 CCD與CIDS的具體案比 SM CIOS 備注 信號英測 棚U型號 0,1-3LUX 6-15LUX 由兩種感光器件的 工作原理可以看出，CCD （電荷藕合器件圖像傳感器： Charge Coupled Device

23、），它的優(yōu)勢在于成像質量好，但是由于制造工藝復雜，只有少數的廠商能夠掌握， 所以導致制造成本居高不下，特別是大型 CCD，價格非常高昂。 在相同分辨率下，CMOS ）價格比 CCD 互補性氧化金屬半導體： Complementary Metal-Oxide Semiconductor 便宜，但是 CMOS 器件產生的圖像質量相比 CCD 來說要低一些。 CMOS 針對 CCD 最主要的優(yōu)勢就是非常省 電，不像由二極管組成的 CCD ，CMOS 電路幾 乎沒有靜態(tài)電量消耗，只有在電路接通時才有電量的消耗。這就使得 CMOS 的耗電量只有 普通 CCD 的 1/3 左右，這有助于改善人們

24、心目中數碼相機是 “電老虎” 的不良印象。 CMOS 主要問題是在處理快速變化的影像時， 由于電流變化過于頻繁而過熱。 暗電流抑制得好就問 題不大，如果抑制得不好就十分容易出現(xiàn)雜點。 CMOS 與 CCD 的 圖像數據掃描方法 有很大的差別。例如，如果分辨率為 300 萬像素，那 么 CCD 傳感器可連續(xù)掃描 300 萬個電荷， 掃描的方法非常簡單， 就好像把水桶從一個人傳 給另一個人，并且只有在最后一個數據掃描完成之后才能將信號放大。 CMOS 傳感器的每 個像素都有一個將電荷轉化為電子信號的放大器。因此， CMOS 傳感器可以在每個像素基 礎上進行信號放大， 采用這種方法可節(jié)省任何無效的

25、傳輸操作， 所以只需少量能量消耗就可 以進行快速數據掃描，同時噪音也有所降低。這就是佳能的像素內電荷完全轉送技術。 COMS 優(yōu)點：相對于其他邏輯系列， CMOS 邏輯電路具有以下優(yōu)點： 1 允許的電源電壓范圍寬，方便電源電路的設計 2 邏輯擺幅大，使電路抗干擾能力強 3 靜態(tài)功耗低 4.隔離柵結構使 CMOS期間的輸入電阻極大，從而使 CMOS期間驅動同類邏輯門的能力 比其他系列強得多 CMOS 的缺點：就是太容易出現(xiàn)雜點， 這主要是因為早期的設計使 CMOS 在處理快速變 CMOS 價格 化的影像時，由于電流變化過于頻繁而會產生過熱的現(xiàn)象。在相同分辨率下， 比 CCD 便宜，但是 CMOS 器件產生的圖像質量相比 CCD 來說要低一些。 CCD 的優(yōu)勢：在于成像質量好，但是由于制造工藝復雜，只有少數的廠商能夠掌握，所以 導致制造成本居高不下，特別是大型 CCD ，價格非常高昂