机器视觉入门知识详解

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。

机器视觉优势：机器视觉系统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。人工检测与机器视觉自动检测的主要区别有：

 

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。

例1．啤酒厂采用的填充液位检测系统

 

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。

　

例2．机器人视觉引导定位应用：

 

 

 

 

 

利用机器视觉系统进行手机屏幕黑胶定位（定位精度在４０微米）。

该应用采用了文采科技的ＭＶＰ平台视觉系统方案，使用相机及光源配合机械设备，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。

例3．视觉检测在电子元件的应用：

 

 

此产品为手机锂电池部件，通过对视觉检测系统定位后，使用算法工具检测产品表面焊点是否有无漏焊，来判断此区域有产品质量问题情况。

机器视觉的应用领域

·识别

标准一维码、二维码的解码

光学字符识别（ＯＣＲ）和确认（ＯＣＶ）

·检测

色彩和瑕疵检测

零件或部件的有无检测

目标位置和方向检测·测量

·尺寸和容量检测

预设标记的测量，如孔位到孔位的距离

 

·机械手引导

输出空间坐标引导机械手准确定位

·机器视觉系统的分类

智能相机

基于嵌入式

基于ＰＣ

 

·机器视觉系统的组成

图像获取：光源、镜头、相机、采集卡、机械平台

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。

判决执行：电传单元、机械单元

 

·光源——光路原理

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。

镜面反射：平滑表面以对顶角反射光线

漫射反射：粗糙表面会从各个方向漫射光线

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

 

·光源——作用和要求

在机器视觉中的作用是照亮目标，提高亮度形成有利于图像处理的效果，克服环境光照影响，保证图像稳定性

 

·光源——光场构造

明场：　光线反射进入照相机

暗场：光线反射离开照相机

 

·光源——构造光源

 

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：

 

·相机

种类：线＆面、隔／逐、黑／彩、数／模、低／高、ＣＣＤ／ＣＭＯＳ

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

工作模式：Free Run（多种）、长时间曝光等

传输方式：GIGE，Cameralinker, 模拟

 

·相机——按照图像传感器区分

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。　　

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。

·相机——按照输出图像颜色区分：

单色相机：输出图像为单色图像的相机。

彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。

·相机——按输出信号区分

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。

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　

·相机——按照传感器类型区分

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。

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。

·相机——CMOS　VS　CCD

CCD	CMOS
串行处理	并行处理
光线灵敏度高，图像对比度高	光线灵敏度低，图像对比度低，高动态范围
低噪声	存在固定模式噪音
集成度较低	高集成度，芯片上集成了很多功能
取图速度慢，帧率低	取图速度块，帧率高
功耗一般	功耗较低
成本较高	成本低

·相机——传感器的尺寸

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。

 

·相机——像素

像素是成像于相机芯片的图像的组成单位。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。

 

·相机——分辨率

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。

·相机——帧率和行频

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秒钟内能采集１２０００行图像数据。

·相机——快门速度（Shutter Speed）

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。　　

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。

全局快门（Global　Shutter )：CCD传感器和少数CMOS传感器采用的快门，传感器上所有像素同时刻曝光。

·相机——智能相机

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　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。

·镜头——主要参数

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。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

 

分辨率：对色彩和纹理的分辨能力。

畸变：镜头中心区域和四周区域的放大倍数不相同

 

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。

 

·镜头——分类

ＣＣＴＶ镜头

专业摄影镜头

远心镜头