机器视觉光学技术与应用.ppt

赵 严 北 京 凌 云 公 司 目录 一、机器视觉系统概论 机器视觉系统构成 机器视觉成像系统解析 成像系统设计方法 二、系统主要评价指标和测试方法 主要指标意义 调试方法 三、新产品技术介绍 一、机器视觉系统概论 1.机器视觉系统构成 概念： “机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。 ” “机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置”。——SME 和RIA 机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度： 非接触检测； 环境适应性高； 检测效率高； 检测精度高； 采用计算机和图像处理技术，能够进行智能化检测 2.机器视觉系统组成 机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出。 图像采集：光学系统采集图像，图像转换成模拟格式并传入计算机存储器。 图像处理和分析：处理器运用不同的算法来提高对结论有重要影响的图像要素并形成数据作为判决依据。 判决和输出：处理器的控制程序根据收到的数据做出结论并输出信息作反馈控制等应用。 一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、CCD照相机、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。 2.2系统元件解析 1）光源 ? 光源是影响机器视觉系统输入的重要因素，因为它直接影响输入数据的质量和至少 30% 的应用效果。 背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。 机器视觉系统对光源的要求 高亮度 —— 高速扫描、高速成像，要求曝光时间短的场合； 高均匀性 —— 表面检测、缺陷检测，利用灰度差异进行检测的场合； 低功耗 —— 移动设备、便携检测系统； 长寿命 —— 任何场合，节约成本和维护费用； 光谱特性 —— 利用光谱单色性检测的场合； 与传统光源相比，LED光源具有功率密度高，能耗低，长寿命，电光响应快，光谱单色性好等突出优点。是机器视觉专用光源的发展方向。 提高图像亮度的方法 采用高亮发光器件 采用透射或反射式聚光系统——采用柱透镜汇聚亮度提高1倍 但工作距离限定在最佳汇聚位置 增加光源数量——2条光源亮度约为1条光源亮度的2倍 安装空间的约束 缩短光源与目标之间的距离 其他 增大光圈——与通光孔径大小成平方正比关系 牺牲系统景深为代价 增大CCD增益——信噪比降低，图像质量下降 光源均匀性设计 发光原理上荧光灯管的均匀性很好，而LED光源高均匀性难度大得多 芯片或单管筛选——电光效率、封装工艺、焊接工艺 均匀性设计——排列方式：间距、角度 电气设计——独立驱动或调校，工艺复杂 反射或散射——损失光亮度 光谱特性 单色光源——利用补色原理进行检测 白色光源——颜色检测 红外、紫外光源——红外检测、荧光检测 光谱特性——补色对成像的影响 光谱特性——补色对成像的影响 2）镜头 主要参数：光圈、景深、相对孔径、视场角、口径、放大率、焦距、传函、光谱 光圈（Aperture） 景深（Depth of Field） 光学传递函数（Modulation Transfer Function） 畸变（Distortion） 快门速度(Shutter Speed) 安装方式（Mount） 3）相机 成像器件：CCD 或CMOS 器件尺寸：1／2 英寸或其他尺寸 像素（pixel）： 1024×768 像素尺寸(size)：6.5×6.5μm 像素深度(bit depth)：8／10 Bit 帧频(frame rate)： 30 fps 电子快门速度(electronic shutter)：1／60－1／10000 秒 信噪比(signal to noise ration)： 60 dB 视频接口(video out)： FireWire/IEEE 1394b，6 pin 镜头接口(lens mount)： C-Mount 电源(power)： 12 VDC …… 其他还包括：像面尺寸、时钟、行频（线阵）、积分时间（线阵）、光谱响应度、是否制冷、工作环境等。 CCD 摄像机的选择 彩色还是黑白？线阵还是面阵？ 什么接口？ 多大尺寸？ 镜头如何匹配？ 4）图像采集卡 图像采集卡主要完成对模拟视频信号的数字化过程。 视频信号首先经低通滤波器滤波，转换为在时间上连续的模拟信号； 按照应用系统对图像分辨率的要求，得用采样 / 保持电路对边疆的视频信号在时间上进行间隔采样，把视频信号转换为离散的模拟信号； 由 A/D 转换器转变为数字信号输出。 图像采集／处理卡在具有模