機(jī)器視覺(jué)入門(mén)知識(shí)

2022-10-11 14:24:33 精質(zhì)視覺(jué)

　　隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，機(jī)器視覺(jué)在智能制造業(yè)領(lǐng)域的作用越來(lái)越重要，為了能讓更多用戶獲取機(jī)器視覺(jué)的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，包括機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是如何工作的、它為什么是實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化和質(zhì)量改進(jìn)的正確選擇等。

　　機(jī)器視覺(jué)是一門(mén)學(xué)科技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造檢測(cè)等工業(yè)領(lǐng)域，用來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量，控制生產(chǎn)流程，感知環(huán)境等。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專(zhuān)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(hào);圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

　　機(jī)器視覺(jué)優(yōu)勢(shì)：機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有高效率、高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很高的分辨率精度與速度。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)與被檢測(cè)對(duì)象無(wú)接觸，安全可靠。人工檢測(cè)與機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)檢測(cè)的主要區(qū)別有：

　　為了更好地理解機(jī)器視覺(jué)，下面，我們來(lái)介紹在具體應(yīng)用中的幾種案例。

　　機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用領(lǐng)域:

　　•識(shí)別

　　標(biāo)準(zhǔn)一維碼、二維碼的解碼

　　光學(xué)字符識(shí)別(OCR)和確認(rèn)(OCV)

　　•檢測(cè)

　　色彩和瑕疵檢測(cè)

　　零件或部件的有無(wú)檢測(cè)

　　目標(biāo)位置和方向檢測(cè)•測(cè)量

　　尺寸和容量檢測(cè)

　　預(yù)設(shè)標(biāo)記的測(cè)量，如孔位到孔位的距離

　　•機(jī)械手引導(dǎo)

　　輸出空間坐標(biāo)引導(dǎo)機(jī)械手精確定位

　　機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的分類(lèi)

　　•智能相機(jī)

　　•基于嵌入式

　　•基于PC

　　機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成

　　•圖像獲取：光源、鏡頭、相機(jī)、采集卡、機(jī)械平臺(tái)

　　•圖像處理與分析：工控主機(jī)、圖像處理分析軟件、圖形交互界面。

　　•判決執(zhí)行：電傳單元、機(jī)械單元

　　光源---光路原理

　　照相機(jī)并不能看見(jiàn)物體，而是看見(jiàn)從物體表面反射過(guò)來(lái)的光。

　　鏡面反射：平滑表面以對(duì)頂角反射光線

　　漫射反射：粗糙表面會(huì)從各個(gè)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(huì)對(duì)光線進(jìn)行發(fā)散反射

　　•光源---作用和要求

　　在機(jī)器視覺(jué)中的作用

　　照亮目標(biāo)，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(cè)量的工具或參照

　　良好的光場(chǎng)設(shè)計(jì)要求

　　對(duì)比度明顯，目標(biāo)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(shí)，亮度適中，不過(guò)曝或欠曝;

　　•光源---光場(chǎng)構(gòu)造

　　明場(chǎng)：光線反射進(jìn)入照相機(jī)

　　暗場(chǎng)：光線反射離開(kāi)照相機(jī)

　　•光源---構(gòu)造光源

　　•相機(jī)

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

　　指標(biāo)：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感應(yīng)曲線、動(dòng)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(zhǎng)時(shí)間曝光等

　　傳輸方式：GIGE，Cameralinker,模擬

　　•相機(jī)--按照?qǐng)D像傳感器區(qū)分

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

　　CMOS相機(jī)：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機(jī) ,將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)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(jī)訪問(wèn)的優(yōu)點(diǎn)。

　　•相機(jī)--按照輸出圖像顏色區(qū)分：

　　單色相機(jī)：輸出圖像為單色圖像的相機(jī)。

　　彩色相機(jī)：輸出圖像為彩色圖像的相機(jī)。

　　•相機(jī)--按輸出信號(hào)區(qū)分

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

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

　　•相機(jī)--按照傳感器類(lèi)型區(qū)分

　　面掃描相機(jī)：傳感器上像素呈面狀分布的相機(jī)，其所成圖像為二維面圖像。

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

　　•相機(jī)--CMOS VS CCD

CCD	CMOS
串行處理	并行處理
光線靈敏度高，圖像對(duì)比度高	光線靈敏度低，圖像對(duì)比度低，高動(dòng)態(tài)范圍
低噪聲	存在固定模式噪音
集成度較低	高集成度，芯片上集成了很多功能
取圖速度慢，幀率低	取圖速度塊，幀率高
功耗一般	功耗較低
成本較高	成本低

　　•相機(jī)--傳感器的尺寸

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

　　•相機(jī)--像素

　　是成像于相機(jī)芯片的圖像的最小組成單位。以200萬(wàn)像素的相機(jī)為例，滿屏有1600*1200個(gè)像素,成像于1/1.8英寸大小的CCD芯片。

　　•相機(jī)--分辨率

　　由相機(jī)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(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)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(gè)像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即1080行。

　　•相機(jī)--幀率和行頻

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

　　•相機(jī)--快門(mén)速度(Shutter Speed)

　　CCD/CMOS相機(jī)多數(shù)采用電子快門(mén)，通過(guò)電信號(hào)脈沖的寬度來(lái)控制傳感器的光積分(曝光)時(shí)間。對(duì)于一般性能的的相機(jī)快門(mén)速度可以達(dá)到1/10000-1/100000秒。

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

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

　　•相機(jī)--智能相機(jī)

　　智能工業(yè)相機(jī)是一種高度集成化的微小型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺(jué)解決方案。智能工業(yè)相機(jī)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(chǔ)技術(shù)，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機(jī)器視覺(jué)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(jì)算時(shí)會(huì)忽略厚度對(duì)透鏡的影響將其等效成沒(méi)有厚度的播透鏡模型，即理想凸透鏡。

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

　　分辨率：對(duì)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(lái)進(jìn)行，過(guò)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(gè)像素，攝像機(jī)也看不見(jiàn)。

　　•鏡頭---分類(lèi)

　　CCTV鏡頭

　　專(zhuān)業(yè)攝影鏡頭

　　遠(yuǎn)心鏡頭

　　•鏡頭---遠(yuǎn)心鏡頭

　　在測(cè)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(cè)得的物體尺寸也發(fā)生變化，即產(chǎn)生了測(cè)量誤差;即使物距是固定的，也會(huì)因?yàn)镃CD敏感表面不易精確調(diào)整在像平面上，同樣也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。采用遠(yuǎn)心物鏡中的像方遠(yuǎn)心物鏡可以消除物距變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，而物方遠(yuǎn)心物鏡則可以消除CCD位置不準(zhǔn)帶來(lái)的測(cè)量誤差。

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圓柱蓋帽品質(zhì)檢測(cè)設(shè)備

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