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2016-08-26 09:28 |
机器视觉入门基础知识介绍
随着工业4.0时代的到来，机器视觉在智能制造业领域的作用越来越重要，为了能让更多用户获取机器视觉的相关基础知识，包括机器视觉技术是如何工作的、它为什么是实现流程自动化和质量改进的正确选择等。小编为你准备了这篇机器视觉入门学习资料。 gBh;=vOD
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机器视觉是一门学科技术，广泛应用于生产制造检测等工业领域，用来保证产品质量，控制生产流程，感知环境等。机器视觉系统是将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。 /xGmg`g<#
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[attachment=72054] 7QKr_
机器视觉优势：机器视觉系统具有高效率、高度自动化的特点，可以实现很高的分辨率精度与速度。机器视觉系统与被检测对象无接触，安全可靠。人工检测与机器视觉自动检测的主要区别有： ~8"8w(CG*I
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[attachment=72055] R 8rfM?" W
为了更好地理解机器视觉，下面，我们来介绍在具体应用中的几种案例。 y2]-&]&
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啤酒厂采用的填充液位检测系统为例来进行说明： bY}eUL2i4
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[attachment=72056] .<tqusw g
当每个啤酒瓶移动经过检测传感器时，检测传感器将会触发视觉系统发出频闪光，拍下啤酒瓶的照片。采集到啤酒瓶的图像并将图像保存到内存后，视觉软件将会处理或分析该图像，并根据啤酒瓶的实际填充液位发出通过-未通过响应。如果视觉系统检测到一个啤酒瓶未填充到位，即未通过检测，视觉系统将会向转向器发出信号，将该啤酒瓶从生产线上剔除。操作员可以在显示屏上查看被剔除的啤酒瓶和持续的流程统计数据。 ZxV"(\$n
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机器人视觉引导玩偶定位应用： lrf v +
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[attachment=72057] !RyO\>:q
现场有两个振动盘，振动盘1作用是把玩偶振动到振动盘2中，振动盘2作用是把玩偶从反面振动为正面。该应用采用了深圳视觉龙公司VD200视觉定位系统，该系统通过判断玩偶正反面，把玩偶处于正面的坐标值通过串口发送给机器人，机器人收到坐标后运动抓取产品，当振动盘中有很多玩偶处于反面时，VD200视觉定位系统需判断反面玩偶数量，当反面玩偶数量过多时，VD200视觉系统发送指令给振动盘2把反面玩偶振成正面。 H$G0`LP0/a
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该定位系统通过玩偶表面的小孔来判断玩偶是否处于正面，计算出玩偶中心点坐标，发送给机器人。通过VD200视觉定位系统实现自动上料，大大减少人工成本，大幅提高生产效率。 iyj+:t/
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视觉检测在电子元件的应用： h/B>S
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[attachment=72058] nhIa175'
此产品为电子产品的按钮部件，产品来料为料带模式，料带上面为双排产品。通过对每个元器件定位后，使用斑点工具检测产品固定区域的灰度值，来判断此区域有无缺胶情况。 Og=*R6i
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该应用采用了深圳视觉龙公司的DragonVision视觉系统方案，使用两个相机及光源配合机械设备，达到每次检测双面8个产品，每分钟检测大约1500个。当出现产品不良时，立刻报警停机，保证了产品的合格率和设备的正常运行，提高生产效率。 btdb%Q*
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机器视觉的应用领域: % QKZT=}
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•识别 nqwAQhzy(
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标准一维码、二维码的解码 3 %.#}O,(
光学字符识别（OCR）和确认（OCV） 'v]u#/7a
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[attachment=72059] /-#I_ >:8'
•检测 sdQ kT# %y
色彩和瑕疵检测 GnP|x}YM
零件或部件的有无检测 aW!@f[%~F
目标位置和方向检测 %W @v2
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•测量 ^ bEc6`eE
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尺寸和容量检测 ]p_@@QTC
预设标记的测量，如孔位到孔位的距离 lFTF ,G
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[attachment=72060] uYE`"/h,1e
•机械手引导
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输出空间坐标引导机械手精确定位 L#vI=GpL,r
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[attachment=72061] e["2QIOe
机器视觉系统的分类 F <hJp,q9
l x,"EOP
•智能相机 XS$OyW_Q
•基于嵌入式 7O, U?p
•基于PC 5Hcf;P7
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[attachment=72062] ;vt8R=T
机器视觉系统的组成 %;.;>Y(-
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•图像获取：光源、镜头、相机、采集卡、机械平台 }# X 8@
•图像处理与分析：工控主机、图像处理分析软件、图形交互界面。 :O(^w}sle
•判决执行：电传单元、机械单元 =zyC-;r!
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[attachment=72063] bT&: fHc
光源---光路原理 gks{\ H ]
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照相机并不能看见物体，而是看见从物体表面反射过来的光。 ;\p KDPr
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镜面反射：平滑表面以对顶角反射光线 }[M` u Z
漫射反射：粗糙表面会从各个方向漫射光线 8=]Tr3
发散反射：多数表面既有纹理，又有平滑表面，会对光线进行发散反射 B, 9w0
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[attachment=72064] ij?
•光源---作用和要求 /PLn+ -
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在机器视觉中的作用 W^G>cC8.L
照亮目标，提高亮度 |jM4E$
形成有利于图像处理的效果 %Qj;, #z
克服环境光照影响，保证图像稳定性 |^A ;&//
用作测量的工具或参照 @r?Uua
良好的光场设计要求 t*?0D\b
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对比度明显，目标与背景的边界清晰
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背景尽量淡化而且均匀，不干扰图像处理 @'|)~,"bx
与颜色有关的还需要颜色真实，亮度适中，不过曝或欠曝； .-<k>9S7_
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[attachment=72065] uJ6DO#d`P
•光源---光场构造 X => =5'
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明场： 光线反射进入照相机 ;$z$@@WC
暗场：光线反射离开照相机 )HvnoUO0
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Ql Vi
[attachment=72066] 9 -rNw?7
•光源---构造光源 435;Vns\n
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[attachment=72067] 0@EwM
使用不同照明技术对被测目标会产生不同的影响，以滚珠轴承为例： u?+Kkkk
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[attachment=72068] eGX %KT"O
•相机 &-m X ,
SI=yI-
种类：线&面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高、CCD/CMOS U{VCZ*0cj
指标：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感应曲线、动态范围、灵敏度、速度噪声、填充因子、体积、质量、工作环境等 A* um{E+
工作模式：Free run、Trigger（多种）、长时间曝光等 -e8}Pm
"
传输方式：GIGE，Cameralinker,模拟 F}=aBV|-
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[attachment=72069] ndeebXw*
•相机--按照图像传感器区分 4 M( -xl?
;v$4$D ]L
CCD相机：使用CCD感光芯片为图像传感器的相机,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。 =dFv/F/RW
PP!SK2u "L
CMOS相机：使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机 ,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器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。 l~ M_S<4n
yUp,NfS]o
•相机--按照输出图像颜色区分： T, VY.ep/
=XY\iV1J*
单色相机：输出图像为单色图像的相机。 g]c 6& Y,#
彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。 qv@$ZL R
rp0ZvEX
•相机--按输出信号区分 d ,=r 9.
d.P\fPSD
模拟信号相机：从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信号后再传到图像采集卡中。 Rb{U+/gq
c.j$9=XLBG
数字信号相机：信号自传感器中的像素输出后，在相机内部直接数字化并输出。数字相机又包含1394相机、USB相机、Gige相机、CameraLink相机等 _~ T !9
/jRRf"B
•相机--按照传感器类型区分 * ; Ed*ibf
B~ _d^`
面扫描相机：传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图像为二维“面”图像。 EcCFbqS4W
,j$Vvz
线扫描相机：传感器上呈线状（一行或三行）分布的相机，其所成图像为一维“线”图像。 QI3Nc8t_2
|0%+wB
•相机--CMOS VS CCD qk;{cfzHA
E8~}PQW:I
CCD f4PIoZ e
CMOS $]/Zxd
串行处理 G^` 1]?
并行处理 Iwc{R8BV
光线灵敏度高，图像对比度高 [!U?}1YQ
光线灵敏度低，图像对比度低，高动态范围 Sx8OhUyux
低噪声 0eS)&GdR
存在固定模式噪音 >`%'4<I
集成度较低 $9ky{T?YG
高集成度，芯片上集成了很多功能 mD/MJt5
取图速度慢，帧率低 >J>b>SU=-
取图速度块，帧率高 0JJS2oY/
功耗一般 nVI! @qW
功耗较低 ()3O =!
成本较高 \
5,MyB2/`
成本低 }sOwp}FV8X
sn?]n~z
•相机--传感器的尺寸 WuZ/C_
>G~R,{6U
图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4：3 (H：V)，数字相机的长宽比例则包括多种：1：1，4：3，3：2 等。 @!8ZPiW<
YR;^hs?
[attachment=72070] x4/M}%h!;B
•相机--像素 Y>&Ew*Y
m:/ wG&
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是成像于相机芯片的图像的最小组成单位。以200万像素的相机为例，满屏有1600*1200个像素,成像于1/1.8英寸大小的CCD芯片。 BouTcC
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[attachment=72071] F<(i.o(
•相机--分辨率 <&:=z?30"
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由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：1920（H）x 1080(V)，前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元，后面的数字表示像元的行数，即1080行。 lf!FTm7
;ji pe3LU
•相机--帧率和行频 8 P>#l. #
q.()z(M 7
由相机的帧率/行频表示相机采集图像的频率，通常面阵相机用帧率表示，单位fps（Frame Per second），如30fps,表示相机在1秒钟内最多能采集30帧图像；线性相机通常用行频表示，单位KHz,如12KHz表示相机在1秒钟内最多能采集12000行图像数据。 q=9`06
Iy6$7~
•相机--快门速度（Shutter Speed） MG{YrX) oi
'`Wwt.A
CCD/CMOS相机多数采用电子快门，通过电信号脉冲的宽度来控制传感器的光积分（曝光）时间。对于一般性能的的相机快门速度可以达到1/10000-1/100000秒。 L^{|uP15N
"&%#!2
卷帘快门（Rolling Shutter）：多数CMOS图像传感器上使用的快门，其特征是逐行曝光，每一行的曝光时间不一致。 VV9_`myN7
nM0[P6p
全局快门（Global Shutter）：CCD传感器和极少数CMOS传感器采用的快门，传感器上所有像素同时刻曝光。 Q(\4]i< S
-c}, :G"
•相机--智能相机 MXyaE~ LK
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N|1
智能工业相机是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。智能工业相机一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成。由于应用了最新的 DSP、FPGA及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需求。 Q"7Gy<
d`/tE?Gw
[attachment=72072] ? mhs$g>
•镜头---主要参数 tu5*Qp\
d%0~c'D8a
工业的镜头大都是多组镜片组合在一起的。计算时会忽略厚度对透镜的影响将其等效成没有厚度的播透镜模型，即理想凸透镜。 nQ/E5y
EMc;^ d
参数：焦距/视场/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍数/畸变/接口 mSo_} je(
t&(PN%icD
[attachment=72073] E~A jK'Z
分辨率：对色彩和纹理的分辨能力。 q`G, L(
]7Z{ 8)T
畸变：镜头中心区域和四周区域的放大倍数不相同。 e0$=!QlPr
ykFJ%sw3X
[attachment=72074] Z?O *'#yn
畸变的校正一般用黑白分明的方格图像来进行，过程并不复杂。一般如果畸变小于2%，人眼观察不到；若畸变小于CCD的一个像素，摄像机也看不见。 6A WKLFMV
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[attachment=72075] q@jq 0D)g
•镜头---分类 i>joT><B
XduV+$ 03
CCTV镜头 [S@}T
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专业摄影镜头 ?Q72 ;/$
远心镜头 W\L`5CW
ts8+V<g
[attachment=72076] CV{r5Sye
[attachment=72077] >pr=|$zk=
•镜头---远心镜头 XJ Iv1s\g
G\a8B#hg
在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样也会产生测量误差。采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。[attachment=72078]
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