机器视觉系统培训教材

劣 1.Blooming
1.一致性较差
2.不能直接访问每个像素 2.光灵敏度差
3.没有片上处理功能
3.噪声大
CCD 串行处理
线性度好 低噪声 功耗一般 集成度较低
CMOS 并行处理，可直接访问单 像素 高动态范围
存在固定模式噪声
功耗较低
高集成度，芯片上集成了 很多功能
Interlaced Scan
添加微镜头可以增加填充因子
Horizontal shift registers
Output (Amplifier)
Overflow Drain主要用来消除 CCD Sensor的Blooming现象 它也被用来实现电子快门
通过Micro Lenses可以将传感器 的填充因子提高。 CCD可以从80%提高到约100% CMOS可以从30%提高到约80%
结果 孔 半径
1 3.147 mm ✓ 2 3.052 mm ✓ 3 2.785 mm
被测物体 CCD/CMOS图像传感器
数字图像
应用
光源 镜头
智能摄像机
机器视觉软件
FG
图像
I/O
内存中
模拟图像数据 数字图像
结果 孔 半径
1 3.147 mm ✓ 2 3.052 mm ✓ 3 2.785 mm
Serial readout register
Output (Amplifier)
Light sensitive CCD-sensor
Shielded memory area
...............................
Readout register
解决了Full Frame Array Sensor发生 Smear现象的问题 从感光部分转移到屏蔽存储区域的时 间约为500us
Progressive Scan
Rolling Shutter
Global Shutter
1.Bayer 2.3CCD 3.3Lines 4. …………
3CCD Bayer
Raw Image Difference
1. 模拟接口 2. CameraLink 3. 1394a 4. 1394b 5. Usb2.0 6. GigE 7. Ethernet 8. ……
白光 蓝光
红光 绿光
光源A 光源B
偏光板
偏光镜片
防外乱光濾波片的効果
金属工件輪廓模糊
防外乱光濾波片的効果
金属工件輪廓清晰
镜头
例如： 使用HV1303UM 拍摄视野为440mm*330mm 拍摄距离为2500mm
放大率 m h' / h L' / L 物距 L f (11/ m) 像距 L' f (1 m) 焦距 f L /(11/ m) 物高 h h' / m h'(L f ) / f 像高 h' mh h(L' f ) / f
b = 1.22 λF 其中，F为光圈数
分辨率 焦距 光圈 景深 成像尺寸 视场角 远心 畸变
工业摄像机
按不同芯片类型划分： 1、CCD摄像机 2、CMOS摄像机
优点：填充因子(fill factor)可以达到非常高，甚至达到100%。 这样Sensor灵敏度非常大。 缺点：由于传输和读出使用的时钟相同，因此Sensor上面的部分 曝光时间比下面的长，这会造成Smear现象。为了解决这个问题， 必须使用机械快门或闪光灯。
被测物体
应用
CCD/CMOS图像传感器
机器视觉系统中部件包括：
◦ 光源、工业摄像机、图像采集卡、镜头、图像处理设备等。
机器视觉市场包括:
◦ 部件生产商 ◦ 代理商 ◦ 系统集成商
照明光源
高频荧光灯
卤 素 灯
LED灯
可制成各种形状、尺寸及各种照射角度； 可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度； 通过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定； 使用寿命长（约3万小时，间断使用寿命更长）； 反应快捷，可在10us或更短的时间内达到最大亮度； 电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，可
GigE 1000Gbps
Ethernet 100Mbps
4.5m
4.5m
100m
100m
1.易用，价格低，多相机 2.传输距离远，实际线缆 可达到17.5m，光纤传输 可达100m 3.有标准DCAM协议 4.CPU占用最低
1.易用，价格 1.易用， 低，多相机 价格低 2.传输距离远， 2.传输距 线缆价格低 离远，线 3.标准GigE 缆价格低 Vision协议
Thank You For Your Attention!
知识回顾 Knowledge Review
PCI Express采用的是点对点通信机制，各个插槽都将通过各自 独享的通道发送和接受数据，这样就可以避免出现不同设备同 时争抢系统和CPU资 源的情况。
1.根据摄像机拍摄的视野以及系统需要达到的精度选择分辨率 2.根据拍摄对象运动与否选择合适相机 3.根据生产线速度选择合适帧率 4.根据相机接口类型以及相机数量选择合适的采集卡
速度
距离 优势
CameraLink
Base: 1.5Gbps Medium: 3.8Gbps Full: 5.1 Gbps
10m
1.带宽高 2.有带预处理功能 的采集设备 3.抗干扰能力强
Usb2.0 480Mbps
5m 1.易用 2.价格低 3.多相机
1394a
1394b
400Mbps 800Mbps
装置
人有损害
100%检测
100%质量保证
改进生产流程
提高产量
机器视觉技术 功能
缩短产品 进入市场时间
及时过程监控
精确测量 集成化生产
高速检测 精确机器人导航 定位及配准 装配检测 PCB检测 表面检测 纹理分析 遥感
• 医学图像分析 • 测量 • 一维码读取 • OCR&OCV • 匹配 • 印刷检测 • Blob分析
机器视觉软件
结果
FG
图像
孔 半径
I/O
内存中
1 3.147 mm ✓ 2 3.052 mm ✓
3 2.785 mm
被测物体
模拟视频流 数字图像
CCD/CMOS图像传感器
应用
数字摄像机 （USB/1394a/1394b/GigE/CameraLink）
光源 镜头
机器视觉软件
FG I/O
图像数据
图像 内存中
缺点 1.价格高 2.线中不带供电
1.无标准协议 2.CPU占用高
1.长距离传输线缆价格稍 贵
1.CPU占用高 2.对主机配置 要求高 3.有时存在丢 包现象
1.无标准 协议 2.带宽过 低 3.CPU占 用过高
速度
PCI-32 133MBps
PCI-64 266MBps
PCI-Express
1x 266MBps 2x 266*2 MBps 4x 266*4 MBps 8x 16x 32x 8.25GBps
例如： 某视觉检测系统需要两个检测工位 拍摄过程中工件不停止。 两个工位视野相同，均为400mm*300mm。 要求检测精度达到0.4mm以上。 检测速度大于每分钟1000工件。
简单介绍了机器视觉系统以及机器视觉系统中几个 重要的组成部分，包括光源、镜头和摄像机。
后面的培训中将按照产品类型进行详细介绍。并且 将细致地介绍与某产品类型相关的技术细节。如模 拟相机、1394传输协议、GigE传输协议、各种光源 选型、HALCON功能介绍等等。
由于CMOS可直接访问单个像素， 因此在AOI非常小的情况下，CMOS 与CCD相比，帧率上有较大的优势。
CMOS Sensor甚至可以将A/D转换集成 到每个像素中去，在不使用AOI时帧率 上也有优势
CCD
CMOS
优 1.图像质量高 2.灵敏度高 3.对比度高
1.体积小 2.片上数字化 3.很多片上处理功能 4.低功耗 5.没有Blooming现象 6.直接访问单个像素 7.高动态范围（120dB） 8.帧率可以更高
受硬件条件的制约，目前一般的 图像采集系统对色彩的分辨 能力较差，但具有可量化的 优点
强，目前一般使用256灰度级， 采集系统可具有10bit、12bit、 16bit等灰度级
人类视觉
机器视觉
空间分 分辨率较差，不能观看微小 辨力 的目标
目前有4K×4K的面阵摄像机和 12K的线阵摄像机，通过备置 各种光学镜头，可以观测小 到微米大到天体的目标
速度
0.1秒的视觉暂留使人眼无法 快门时间可达到10微妙左右，高
看清较快速运动的目标

速像机帧率可达到1000以上，
处理器的速度越来越快
感光范 400nm-750nm范围的可见 从紫外到红外的较宽光谱范围，
围
光
另外有X光等特殊摄像机
环境要 对环境温度、湿度的适应性 对环境适应性强，另外可加防护
求
差，另外有许多场合对
• 半导体 • 汽车制造 • 制陶业 • 化学业 • 电子部件及设备 • 食品业 • 玻璃业 • 生命科学 • 医学 • 钢铁 • 矿业
• 光学行业 • 纸制品 • 药物 • 照相学和遥感 • 印刷 • 铁路运输 • 监控 • 航空宇航 • 造船 • 无线通信 • 交通 • 木材 • 等等
光源 镜头 摄像机 图像采集卡
以用作频闪灯； 运行成本低、寿命长的LED，会在综合成本和性能方面体
现出更大的优势； 可根据客户的需要，进行特殊设计。
杂散光
直射光
暗视野
杂散光
直射光 亮视野
常应用于检测平滑表面上变化的部分 如：划痕、刀痕、边缘
TCL
TCL
TCI
照射物
白色光 (混合色)
蓝色
其它颜色 被吸收
分辨率单位：lp/mm 影响因素：
镜头结构、材质、加工精度 镜头的相对孔径越大，分辨率越高 光波长度，波长越短分辨率越高 视场中心较边缘分辨率高 同档次的固定焦距镜头较变焦镜头分辨率高 短焦镜头一般边缘分辨率较中心低，长焦镜头一般中 心较边缘分辨率低。 理想光学系统的最小分辨距离 b = (0.61λ)/nsinωmax 其中，λ为光的波长 n为像空间介质折射率 ωmax为像方孔径角 当镜头对无限远成像，且像方为空气时（近似计算公式）
优点：在曝光时间较长的情况下， Smear现象比Full Frame Array Sensor 小很多 缺点：由于需要两个Sensor，因此成 本非常高
Sensor elements
Shielded
(Photo diodes) vertical shift register
转移时间约为1us，因此完全不存 在Smear现象。 优点：由于转移时间非常短，因 此不需要使用机械快门或闪光灯 缺点：由于屏蔽区占用了Sensor 的部分面积，因此使得此种传感 器填充因子只能在20%~70%
机器视觉系统概述
主讲：金老师 2016.01.01
机器视觉系统概述 照明光源 镜头 工业摄像机
机器视觉是一门技术，该技术被广泛应用在生产制 造等行业。可用来保证产品质量、控制生产流程、 感知环境等。
机器视觉系统是基于机器视觉技术为机器或自动化 生产线建立的一套视觉系统。
人类视觉
机器视觉
适应性 适应性强，可在复杂及变 适应性差，容易受复杂背景及环
化的环境中识别目标
境变化的影响
智能
具有高级智能，可运用逻 辑分析及推理能力识别 变化的目标，并能总结 规律
彩色识别 对色彩的分辨能力强，但 能力 容易受人的心理影响， 不能量化
灰度分辨 差，一般只能分辨64个灰
力
度级
虽然可利用人工智能及神经网络 技术，但智能很差，不能很 好地识别变化的目标