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1、机器视觉基础1一、机器视觉的基本概念2一、机器视觉相关概念机器视觉的通俗定义：机器视觉的通俗定义：机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉的工作原理：机器视觉的工作原理：相机将被检测目标转换成图像信号，传送给图像处理系统，图像相机将被检测目标转换成图像信号，传送给图像处理系统，图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、位置、长度，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，实现自动识位置、长度，再根据预设的允许度和其他条件输出结果，实现自动识别功能。别功能。3一、
2、机器视觉相关概念机器视觉系统的定义：机器视觉系统的定义：机器视觉系统是指通过图像采集单元（相机），将被摄取目标转机器视觉系统是指通过图像采集单元（相机），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、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。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。主要适用环境：主要适用环境：1、高速、高精、高速、高精；2、超视、微距、超视
3、、微距；3、客观、无疲劳、客观、无疲劳；4、环境限制等、环境限制等。4二、机器视觉系统相关学科涉及相关学科有：涉及相关学科有：计算机视觉计算机视觉机械设计机械设计照明工程照明工程光学设计光学设计自动控制自动控制图像处理图像处理嵌入式电子嵌入式电子图像处理自动控制嵌入式系统照明工程机械设计计算机视觉光学设计机器视觉系统5三、机器视觉系统基本构成典型系统由以下组成：待测目标光源镜头相机图像采集卡图像处理软件输入输出板卡工业电脑6三、机器视觉系统基本构成典型系统由以下组成：待测目标光源镜头相机图像采集卡图像处理软件输入输出板卡工业电脑“嵌入嵌入”7四、机器视觉系统应用分类测量测量（Measure）检
4、测检测（Inspect）定位定位（Locate）识别识别（Identify）8四、机器视觉系统应用分类测量：长度测量测量：长度测量9四、机器视觉系统应用分类测量：角度测量测量：角度测量10四、机器视觉系统应用分类测量：圆弧及半径测量测量：圆弧及半径测量11四、机器视觉系统应用分类检测：有无检测检测：有无检测(邮包)12四、机器视觉系统应用分类检测：残次品检测检测：残次品检测13四、机器视觉系统应用分类检测：数字统计检测：数字统计14四、机器视觉系统应用分类检测：检测：瑕疵检测瑕疵检测15四、机器视觉系统应用分类定位：内部定位定位：内部定位16四、机器视觉系统应用分类定位：坐标输出定位定位：坐标
5、输出定位17四、机器视觉系统应用分类识别：读码识别：读码18四、机器视觉系统应用分类识别：识别：OCR/OCV19四、机器视觉系统应用分类识别：颜色识别识别：颜色识别20二、机器视觉软硬件知识21五、机器视觉系统软硬件22六、软硬件知识-光源篇l 机器视觉系统工作的基本程序：取像=分析=结果输出l 光源为确保视觉系统正常取像获得足够光信息和稳定图像而提供的照明装置l 光源是一个视觉应用开始工作的第一步。光源是一个视觉应用开始工作的第一步。23六、软硬件知识-光源篇l光源的目的-照亮目标，提高目标亮度 -形成最有利于图像处理的成像效果 -克服环境光干扰，保证图像的稳定性l光源的重要性 合适的光源
6、可以大大降低图像处理难度，提高系统检测精度、运行速度及工作效率。24六、软硬件知识-光源篇u 光源分类光源分类萤光灯卤素灯+光纤导管LED光源其他（激光、紫外光等）25六、软硬件知识-光源篇u 常用照明技术常用照明技术#1：背光：背光测量系统的最佳选择测量系统的最佳选择26六、软硬件知识-光源篇u 常用照明技术常用照明技术#2：亮场：亮场最直接的照明最直接的照明27六、软硬件知识-光源篇u 常用照明技术常用照明技术#3：暗场：暗场适合光滑表面的照明适合光滑表面的照明28六、软硬件知识-光源篇u 常用照明技术常用照明技术#4#4：同轴光：同轴光均匀性好均匀性好50%分束片分束片29六、软硬件知识
7、-光源篇u 常用照明技术常用照明技术#5#5：结构光法：结构光法最简便的三维测量最简便的三维测量激光或线性光激光或线性光源源固定角度照射固定角度照射三维深度信息三维深度信息30六、软硬件知识-光源篇u 常用照明技术常用照明技术#6#6：影子的利用：影子的利用最不直接的测量最不直接的测量待测物长度信息待测物长度信息待测物高度信息待测物高度信息31六、软硬件知识-光源篇u 常用照明技术常用照明技术#7#7：彩色的考虑：彩色的考虑光光的的三三原原色色色色彩彩三三原原色色 光的三原色：红、绿、蓝；色彩三原色：青、紫、黄。世界上所有颜色都是由三原色按不同比例组合而成 三原色的色光叠加为白光。如：日光 三
8、原色的色彩叠加为黑色。32六、软硬件知识-光源篇u 常用照明技术常用照明技术#7#7：彩色的考虑：彩色的考虑33六、软硬件知识-光源篇u 常用照明技术常用照明技术#8#8：常用光源分析：常用光源分析萤光灯卤素灯+光纤导管LED灯源价格低高中亮度低高中稳定性低中高闪光装置无无有使用寿命中低高光线均匀度高中低多色光无无有复杂设计低中高34六、软硬件知识-镜头篇u 镜头的介绍镜头的介绍l 1、基本功能 -实现光束变换，将目标成像在图像传感器的光敏面上；l 2、镜头与相机匹配 -镜头接口是否为工业标准接口，C/CS接口、F口等；-镜头成象面是否=相机CCD尺寸；若相机CCD为1/2英寸，而镜头为1/3
9、英寸，则该镜头与相机不匹配。35六、软硬件知识-镜头篇l 3、工作距离 -镜头焦距是否适合系统工作空间l 4、系统精度 -获取最佳视野 -镜头畸变对系统精度的影响 -镜头分辨率对系统精度的影响l 5、纵深成象 -待测物纵深方向的成象是否在镜头景深范围之内36六、软硬件知识-镜头篇l 6、视场范围 37六、软硬件知识-镜头篇l 7、常用镜头 CCTV镜头专业摄影镜头远心镜头38六、软硬件知识-相机篇u 常用照明技术常用照明技术相机分类 按芯片技术：CCD相机和CMOS相机 按靶面类型：面阵相机和线阵相机 按输出模式：模拟相机和数字相机 按颜色：彩色相机和黑白相机 按是否带处理器：智能相机和非智能
10、相机主要特性参数 芯片类型 分辨率：位于CCD&CMOS芯片上的像素数 速度：line/s，fps 光学接口：C,CS,F等39六、软硬件知识-相机篇u 相机的选择相机的选择相机分辨率：相机分辨率（X方向）最佳视野范围（X方向）理论象素值（X方向）相机分辨率（Y方向）最佳视野范围（Y方向）理论象素值（Y方向）系统速度要求与相机成象速度 系统单次运行速度=系统成象速度+系统检测速度 帧速或线数 快门速度40六、软硬件知识-工控机篇u 工控机选型的要素工控机选型的要素关键关注因素：处理器主频 硬盘读写速度 内存大小 输入输出离散IO 接口类型与数量 工控机的散热能力主要衡量指标：系统稳定性（推荐无
11、风扇，低功耗）41六、软硬件知识-软件篇u 机器视觉软件包机器视觉软件包国外品牌：Halcon、VisionPro、Labview Vision等商业软件包；OpenCV开源免费软件包。国内品牌：研华、OPT、海康、大华、汇萃等，都宣称开发成功。42三、机器视觉系统搭建技巧43七、机器视觉系统搭建u 获得完美图象的获得完美图象的6 6大要素大要素#1#1：高系统精度：高系统精度FOV：100MM500 象素象素象素值象素值=0.2 MM系统精度（System accuracy）X方向系统精度（X方向象素值）视野范围（X方向）CCD芯片象素数量（X方向）Y方向系统精度（Y方向象素值）视野范围（Y
12、方向 CCD芯片象素数量（Y方向）该指标取决于，相机分辨率及视野（FOV）44七、机器视觉系统搭建u 获得完美图象的获得完美图象的6 6大要素大要素#1#1：高系统精度：高系统精度视野（FOV）-让视觉系统“关心”的部分尽可能“充满”视野。通俗来说，FOV越小越“好”。-相机分辨率相同视野越小系统精度越高-视野相同相机分辨率越高系统精度越高适合的视野适合的视野不适合的视野不适合的视野调整调整系统关心的部分系统关心的部分45七、机器视觉系统搭建u 获得完美图象的获得完美图象的6 6大要素大要素#2#2：清晰成象：清晰成象确定图象中所要检测的部分处于清晰的焦距之内当图象中检测部分不处于同一焦平面时
13、，需要考虑镜头的景深注意：每一款镜头相对于固定的光圈，都有自己固定的景深注意：缩小光圈可以加大景深。同时为保证正确曝光需要提高光强46七、机器视觉系统搭建u 获得完美图象的获得完美图象的6 6大要素大要素#3#3：避免畸变：避免畸变在定位及高精度测量的系统中，镜头畸变的影响尤其重要真实世界真实世界镜头畸变产生的图象镜头畸变产生的图象47七、机器视觉系统搭建u 获得完美图象的获得完美图象的6 6大要素大要素#4#4：保持待测物体在成象中大小一致：保持待测物体在成象中大小一致在定位及识别系统中，这一点尤为重要48七、机器视觉系统搭建u 获得完美图象的获得完美图象的6 6大要素大要素#5#5：图象中
14、待测部分反差最大化：图象中待测部分反差最大化待测部分待测部分对于一个视觉系统来说，“黑白分明”的图象才是好图象。49七、机器视觉系统搭建u 获得完美图象的获得完美图象的6 6大要素大要素#6#6：恰当的照明与曝光：恰当的照明与曝光避免阴影 如果图象中待测区域处于阴影之下，图象将不能提供足够的反差，这将严重影响系统检测的精度避免过亮 如果照明过亮，区域内亮部的光线会反射进暗部的区域，造成暗部区域内的细节损失避免光线变化 如果照明系统发生明暗变化，会造成图象明暗变化。这将直接影响系统运行的稳定性避免外界影响 注意系统周围环境的影响，如生产线上的照明系统、室外阳光等等可移动的人或物会遮挡系统照明50
15、七、机器视觉系统搭建u 小结小结#1#1：获得完美图象的：获得完美图象的6 6大要素及控制因素大要素及控制因素 高系统精度。控制因素：视野、相机分辨率。清晰成象。控制因素：镜头、光源 避免畸变。控制因素：镜头 保持待测物体在成象中大小一致。控制因素：视野、拍照角度、待测物位置 反差最大化。控制因素：光源、镜头 恰当的照明与曝光。控制因素：光源、镜头#2#2：如何获得完美图象如何获得完美图象 选择适合的光源、镜头、相机 学会如何使用、控制光源、镜头、相机51七、机器视觉系统搭建u 项目硬件选型：项目硬件选型：选型步骤：确定项目检测方向：测量、检测、定位、识别。确定项目检测要求：精度、速度、工作空
16、间。根据项目检测方向完成光源选型 根据项目精度要求确定最佳视野 根据项目精度要求及工作空间要求完成镜头选型 根据项目精度要求及速度要求完成相机选型 考虑系统硬件成本52七、机器视觉系统搭建u 项目评估的基本步骤项目评估的基本步骤1：q检测项目条款条款名称及详细说明客户需求客户需求系统精度系统精度要求要求系统速度系统速度要求要求检测项目检测项目条款条款q系统工作空间要求初步了解视觉系统允许的工作空间q系统速度要求清楚了解整个系统的速度要求对于设备制造商，还需要了解整个设备的工作流程系统工作系统工作空间要求空间要求q系统精度要求详细记录每项条款的精度要求53七、机器视觉系统搭建u 项目评估的基本步
17、骤项目评估的基本步骤2：q光源选型根据项目的检测条款，选用适合的光源q镜头选型系统精度要求系统工作空间要求q相机选型系统精度要求系统速度要求项目评估项目评估镜头选型镜头选型相机选型相机选型光源选型光源选型项目试验项目试验q项目试验系统搭建，光源、镜头、相机建立检测程序原型记录试验结果，精度、检测时间54七、机器视觉系统搭建u 项目评估的基本步骤项目评估的基本步骤3：q条款回顾根据项目的检测条款，逐条确定是否可以检测q精度回顾根据项目的检测条款，逐条列出试验完成精度q系统运行速度记录试验中系统运行速度评估报告评估报告精度回顾精度回顾系统运行系统运行速度速度条款回顾条款回顾系统硬件系统硬件配置配置q系统硬件配置记录系统硬件配置。光源、镜头、工作距离、光圈、相机、快门速度、电脑配置等55