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機器視覺基礎(chǔ)應(yīng)用知識詳解

2022-07-23 11:38:28 精質(zhì)視覺

　　隨著工業(yè)4.0時代的到來，機器視覺在智能制造業(yè)領(lǐng)域的作用越來越重要，為了能讓更多用戶獲取機器視覺的相關(guān)基礎(chǔ)知識，包括機器視覺技術(shù)是如何工作的、它為什么是實現(xiàn)流程自動化和質(zhì)量改進的正確選擇等。小編為你準備了這篇機器視覺入門學習資料。

　　機器視覺是一門學科技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造檢測等工業(yè)領(lǐng)域，用來保證產(chǎn)品質(zhì)量，控制生產(chǎn)流程，感知環(huán)境等。機器視覺系統(tǒng)是將被攝取目標轉(zhuǎn)換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)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(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

　　機器視覺優(yōu)勢：機器視覺系統(tǒng)具有高效率、高度自動化的特點，可以實現(xiàn)很高的分辨率精度與速度。機器視覺系統(tǒng)與被檢測對象無接觸，安全可靠。人工檢測與機器視覺自動檢測的主要區(qū)別有：

　　機器視覺的應(yīng)用領(lǐng)域:

　　•識別

　　標準一維碼、二維碼的解碼

　　光學字符識別(OCR)和確認(OCV)

　　•檢測

　　色彩和瑕疵檢測

　　零件或部件的有無檢測

　　目標位置和方向檢測•測量

　　尺寸和容量檢測

　　預(yù)設(shè)標記的測量，如孔位到孔位的距離

　　•機械手引導(dǎo)

　　輸出空間坐標引導(dǎo)機械手精確定位

　　機器視覺系統(tǒng)的分類

　　•智能相機

　　•基于嵌入式

　　•基于PC

　　機器視覺系統(tǒng)的組成

　　•圖像獲取：光源、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)行：電傳單元、機械單元

　　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。

　　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(shù)表面既有紋理，又有平滑表面，會對光線進行發(fā)散反射

　　•光源—作用和要求

　　在機器視覺中的作用

　　照亮目標，提高亮度

　　形成有利于圖像處理的效果

　　克服環(huán)境光照影響，保證圖像穩(wěn)定性

　　用作測量的工具或參照

　　良好的光場設(shè)計要求

　　對比度明顯，目標與背景的邊界清晰

　　背景盡量淡化而且均勻，不干擾圖像處理

　　與顏色有關(guān)的還需要顏色真實，亮度適中，不過曝或欠曝;

　　•光源—光場構(gòu)造

　　明場：光線反射進入照相機

　　暗場：光線反射離開照相機

　　•光源—構(gòu)造光源

　　使用不同照明技術(shù)對被測目標會產(chǎn)生不同的影響，以滾珠軸承為例：

　　•相機

　　種類：線&面、隔/逐、黑/彩、數(shù)/模、低/高、CCD/CMOS

　　指標：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感應(yīng)曲線、動態(tài)范圍、靈敏度、速度噪聲、填充因子、體積、質(zhì)量、工作環(huán)境等

　　工作模式：Free run、Trigger(多種)、長時間曝光等

　　傳輸方式：GIGE，Cameralinker,模擬

　　•相機–按照圖像傳感器區(qū)分

　　CCD相機：使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機,集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。

　　CMOS相機：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機 ,將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優(yōu)點。

　　•相機–按照輸出圖像顏色區(qū)分：

　　單色相機：輸出圖像為單色圖像的相機。

　　彩色相機：輸出圖像為彩色圖像的相機。

　　•相機–按輸出信號區(qū)分

　　模擬信號相機：從傳感器中傳出的信號，被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，即普通視頻信號后再傳到圖像采集卡中。

　　數(shù)字信號相機：信號自傳感器中的像素輸出后，在相機內(nèi)部直接數(shù)字化并輸出。數(shù)字相機又包含1394相機、USB相機、Gige相機、CameraLink相機等

　　•相機–按照傳感器類型區(qū)分

　　面掃描相機：傳感器上像素呈面狀分布的相機，其所成圖像為二維“面”圖像。

　　線掃描相機：傳感器上呈線狀(一行或三行)分布的相機，其所成圖像為一維“線”圖像。

　　•相機–CMOS VS CCD

　　•相機–傳感器的尺寸

　　圖像傳感器感光區(qū)域的面積大小。這個尺寸直接決定了整個系統(tǒng)的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數(shù)模擬相機的傳感器的長寬比例是4：3 (H：V)，數(shù)字相機的長寬比例則包括多種：1：1，4：3，3：2 等。

　　•相機–像素

　　是成像于相機芯片的圖像的最小組成單位。以200萬像素的相機為例，滿屏有1600*1200個像素,成像于1/1.8英寸大小的CCD芯片。

　　•相機–分辨率

　　由相機所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量。通常面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數(shù)字表示，如：1920(H)x 1080(V)，前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有1920個像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即1080行。

　　•相機–幀率和行頻

　　由相機的幀率/行頻表示相機采集圖像的頻率，通常面陣相機用幀率表示，單位fps(Frame Per second)，如30fps,表示相機在1秒鐘內(nèi)最多能采集30幀圖像;線性相機通常用行頻表示，單位KHz,如12KHz表示相機在1秒鐘內(nèi)最多能采集12000行圖像數(shù)據(jù)。

　　•相機–快門速度(Shutter Speed)

　　CCD/CMOS相機多數(shù)采用電子快門，通過電信號脈沖的寬度來控制傳感器的光積分(曝光)時間。對于一般性能的的相機快門速度可以達到1/10000-1/100000秒。

　　卷簾快門(Rolling Shutter)：多數(shù)CMOS圖像傳感器上使用的快門，其特征是逐行曝光，每一行的曝光時間不一致。

　　全局快門(Global Shutter)：CCD傳感器和極少數(shù)CMOS傳感器采用的快門，傳感器上所有像素同時刻曝光。

　　•相機–智能相機

　　智能工業(yè)相機是一種高度集成化的微小型機器視覺系統(tǒng)。它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現(xiàn)的機器視覺解決方案。智能工業(yè)相機一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網(wǎng)絡(luò)通信裝置等構(gòu)成。由于應(yīng)用了最新的 DSP、FPGA及大容量存儲技術(shù)，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機器視覺的應(yīng)用需求。

　　•鏡頭—主要參數(shù)

　　工業(yè)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(shù)：焦距/視場/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍數(shù)/畸變/接口

　　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(shù)不相同。

　　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(fù)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

　　•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(chǎn)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(diào)整在像平面上，同樣也會產(chǎn)生測量誤差。采用遠心物鏡中的像方遠心物鏡可以消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。

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