视觉测量技术(一)_视觉系统构成

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线阵
3.1 摄像机- Sensor
CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 互补金属氧化物半导体
灵敏度 成本 分辨率 抗噪声 功耗 速度
3.1 摄像机- Sensor
CCD
CCD 高 高
Vs CMOS
CMOS 低 低



一般




3.1 摄像机-CCD 传感器-尺寸
CCD的尺寸,是说感光器件的 面积大小。
3.1 摄像机-CCD 传感器-尺寸
✓ 主要有2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。 面积越大,捕获的光子越多,感光性能越好,信噪比越低。 ✓ 2/3英寸的300万像素相机效果通常好于1/2英寸的400万像素 相机(后者的感光面积只有前者的53%)。 ✓ 而相同尺寸的CCD,像素越多,图像质量越好。价格越高 。
光线通过焦距20的晶状体,在视网 膜上成像。
虹膜
3.1 摄像机 - 镜头 – 型号
保证通光量 Lens尺寸 ≥ Sensor尺寸
3.1 摄像机 - 镜头 – 型号
控制进光量
F2.2、F2.8、F4….. 光圈F值愈小,在同一 单位时间内的进光量便 愈多
由于光学原理和制造 成本的限制,摄影镜头 在全开光圈时的像质并 不是最佳的,通常在收 缩光圈后,像质有明显 的改善。
目的:使被测物体的 重要特征显现,抑制 不重要的特征
1 光源类型 2 光照技术
光源类型
名称 成本 亮度 稳定性 寿命 温度
荧光灯 低 低 低 一般 一般
卤素灯 高 高 一般 低 高
LED光源 一般 一般 高 高 低
光照技术
利用有效照明使被测特征对比度最大化
用环型光照皱折物体失败
用连续漫射光照皱折物体成功
⑥图像 Image
3.1 摄像机 –选型步骤
1 明确被测物体的测量精 度要求,选择适合的CCD 尺寸和像素数目
关注的要素: 视野 CCD尺寸 像素分辨率
基本要求:被测物体 在某一方向上尽量充 满摄像机的视野
3.1 摄像机 –选型步骤
基本要求:被测物体在某一方向上尽量充满摄像机的视野
wfov是摄像机视野在X方向的尺寸,hfov是Y方向的尺寸 w是物体X方向上的最小特征,h是Y方向上的最小特征
• 9.视觉伺服(Visual Servo/Visual Servoing):利用视觉信息对 机器人进行的伺服控制,是视觉控制的一种。
3、 机器视觉检测系统的构成
5 摄像机-计算机接口
3 计算机
4 光照系统
2 摄像机
6 控制机构
1 被测物体
3.1 摄像机
镜头 Lens 聚焦光线
(工业)摄像机 Camera
3.1 摄像机 - 镜头 - Lens
镜头是一种光学设备,用于聚焦光线在 摄像机内部成像。镜头的作用是收集光 线,产生锐利的图像,以得到被测物体 的细节。
通常由一块或者多块光学玻璃或 塑料组成的透镜组,基本单元为 凹透镜、凸透镜,或其组合
视网膜
3.1 摄像机 - 镜头 Vs. 人眼
晶状体 瞳孔
虹膜调节瞳孔的大小,对光线大小 进行控制。
1、普通用途的光照(明场或暗场 ) General Purpose - Bright or Dark Field 2、关于光轴的漫射光照(区域照射) DOAL - Diffused On-Axis Light 3、均匀光的漫(散)射 (同轴照射) DOME
入射光照射
光源在摄像机一方
入射光照-明场、暗场
可使用2台线型相机 高精度检测长尺的 金属滚轴表面缺陷
曲面外观检测
2、机器视觉应用
• 导航
Rocky 7 火星车
Rocky7视觉系统获取的立体图象对
(a) 深度图象
(b)障碍物探测示意图
Rocky7 视觉系统对场景的深度恢复
2、机器视觉应用
• 导航
2、机器视觉应用
• 其他应用
智能交通监控
三维重建
生成图像
3.1 摄像机- Sensຫໍສະໝຸດ Baidur
• 摄像机的作用:将通过镜头聚焦于像平面的光 线生产图像。
• 摄像机最重要的部件:数字传感器
–CCD (charge-coupled device)电荷耦合元件 –CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)
互补金属氧化物半导体
光照技术-背光照射图像比较
用环型光照的灯丝
Lamp filament with ring light
用背光光照的灯丝
Lamp filament with backlight
光照技术-背光照射图像比较
通过塑料连接器的金属针
Metal pins through plastic connector
光照技术-入射光照
• 遥感图像分析(植被分析、考古发掘) • 医学图像分析(骨骼定位) • 安全鉴别、监视与跟踪(门禁系统、视频监控) • 国防系统(目标自动识别与目标跟踪) • 文物保护(数字博物馆) • 其他(游戏、动画、体育、人机交互) …………
机器视觉的一些基本概念
• 1.平面视觉(Planar Vision):被测对象处在平面内,只对目标 在平面的信息进行测量的视觉测量与控制。
• 4.主动视觉(Active Vision):对目标主动照明或者主动改变摄 像机参数的视觉系统。
• 5.被动视觉(Passive Vision):如双目视觉。
机器视觉的一些基本概念
• 6.视觉测量(Vision Measure/Visual Measure):根据摄像机获 得的视觉信息对目标的位置和姿态进行的测量。
摄像机-计算机接口
图像采集卡是将模拟摄像 机的图像信号经过A/D转换 ,或将数字摄像机的输出 信号,通过计算机总线传 输到计算机内存或显存, 使计算机能对摄像机拍摄 到的现场图像进行实时处 理、存储和显示的硬件设 备。
相机“看”到的 图像
摄像机-计算机接口
模拟信号经A/D转换,传输至内存的图像
摄像机-计算机接口
数字接口-Camera Link
❖ 13对线(其中有 6线对数据线),使得接插件的尺寸更 加的小巧。允许相机设计的体积更小。
❖ 更高的传输速率。采用Channel Link芯片组( 支持速率达 2.3Gb/s )满足对数据传输速率越来越高的要求。
❖ 集成有串口通讯协议。
数字接口-USB
❖ 接口是4芯,其中2根为电源线、2根为信号线,接口体 积小,可热拔插,可真正实现即插即用,适合传送多 媒体数据的传送模式,连接方便。
❖ 传统数字信号(RS-422, LVDS) ❖ Camera Link ❖ IEEE1394(Firewire) ❖ USB ❖ Gigabit Ethernet
数字接口-LVDS
❖ LVDS 是一个低波动、差分I/O技术的高速接口。 ❖ 每线对最大传输率为655Mb/s。
优点:高速,可靠性高,传输距离远,支持多相机连接。 缺点:管脚定义不统一,兼容性差,电缆成本高。
则所需最小像素分辨率为
maxwwfov2, hhfov2
3.1 摄像机 –选型步骤
根据被测物体尺寸确定视野大小, 进而确定所需CCD 的尺寸
CCD上的像素数目≥最小像素分辨率 数目
3.1 摄像机 –选型步骤
1 明确被测物体的测量精 度要求,选择适合的CCD 尺寸和像素数目
2 确定相机的接口类型
C or CS or F
③ 工作距离 Working distance 从镜头前端到被检测物 体表面的距离
3.1 摄像机 – 几种专业术语
④传感器尺寸 Sensor size 传感器的有效面积,典型 的指标是水平尺寸
⑤景深 Depth of field: 在整个聚焦范围内,能 够维持清楚成像对应的 最大物体的深度;
也可定义为在允许聚焦 的范围内,允许物体移 动的范围。
入射光照-明场、暗场
入射光照-明场、暗场
入射光照-明场、暗场
入射光照-明场、暗场
入射光照-明场、暗场
入射光照-均匀光的漫(散)射
Object
Light source (off-axis)
入射光照-均匀光的漫(散)射
用区域光照的加工表面
用DOME光照的加工表面
入射光照-均匀光的漫(散)射
• 7.手眼系统(Hand-Eye System):摄像机和机械手构成的机器人 视觉系统。 .Eye-in-Hand:摄像机安装在机械手末端并随机械手一起运动 的视觉系统。 Eye-to-Hand:摄像机不安装在机械手末端,不随机械手运动 的视觉系统。
• 8.视觉控制(Vision Control/Visual Control):根据视觉测量 获得目标的位置和姿态,将其作为给定或者反馈对机器人的位置和 姿态进行的控制。
3.1 摄像机 - 镜头 – 焦距
3.1 摄像机 – 几种专业术语
① 分辨率 Resolution: 被检测物体的最小特征 尺寸
⑦像素 Pixel ⑧像素分辨率 Pixel resolution: 图像上需要表达被测物 体所需的最小像素个数
② 视野 Field of view 物体可被检测到的区域 , 换言之,它是物体填 满传感器图象的区域
光照技术-反射类型
镜面反射 对角直接反射光线 漫射反射 所有方向漫射光线
光照技术-照明的方向
背光照射
光源在摄像机对面
入射光照射
光源在摄像机一方
形状测量
光照技术-背光照射
半透明物体测量
光照技术-背光照射的效果
• 增强被测工件的边缘轮廓 • 看到半透明物体的透光性(相对障碍物光的通
过特性)
• 观察出物体表面的光洁度、颜色、发射光 和不明显的高度变化
每个摄影镜头都有 一个或者多个最佳光圈 ,在这些最佳光圈下, 画面的质量达到最好, 分辨率高、反差均衡等 。
3.1 摄像机 - 镜头 – 型号
3.1 摄像机 - 镜头 – 型号
3.1 摄像机 - 镜头 – 焦距
薄透镜原理
f: 透镜焦距长度 F: 透镜焦点 z’: 摄像机常数
1- 1=1 z' z f
1、什麽是机器视觉 ?
人类的眼睛
机器视觉传感器
以光电传感器和计算机为核心组成的能够
模拟人类视觉而完成某项工作的方法及装备
通过两维图像建立三维或高维真实世界的模型
2、机器视觉应用
• 目标识别与定位
2、机器视觉应用
• 质量检测
2、机器视觉应用
• 几何量测量
零件外观检测
滚轴的外观检测
轴承的外观检测
高速检测连续冲孔的 冲压零部件。
3.1 摄像机- Sensor
CCD (charge-coupled device)电荷耦合元件 也称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件, 能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的 微小光敏物质称作像素(Pixel)。一块CCD上包 含的像素数越多,其提供的图像分辨率也就越 高。
面阵
3 确定镜头的焦距
关注的要素: 工作距离 CCD尺寸 视野 景深
3.1 摄像机 –选型步骤
焦距=(CCD尺寸×工作距离)/ 视野
如果工作距离不变,可选择定焦镜头 如果工作距离时变,可选择变焦镜头 如果被测物体本身高度变化大,即需要测量 的景深大,根据最大、最小距离都可清晰成 像选择焦距范围
3.2 照明
• 2.立体视觉(Stereo Vision):对目标在三维笛卡尔空间内的信 息进行测量的视觉测量与控制。
• 3.结构光视觉(Structured Light Vision):利用特定光源照射 目标,形成人工特性,由摄像机采集这些特征进行测量。结构光视 觉可简化图像处理中的特征提取,大幅度提高图像处理速度。
了解 “ W ”
反射光与光源角度相同。
明场:光线反射后进入摄像机。 暗场:光线反射后未进入摄像机。
入射光照-明场、暗场
对形成高对比度有益,但反光表 面会生成镜面反射
光源范围应在照相机透镜视野的 两倍处
漫射光被反射进入照相机但镜面 反射光线被反射离开
光源在“W”之外
除有纹理的表面和凸高变化的表 面之外,光线被反射而不进入照 相机
入射光照-关于光轴的漫射光照
缺针的连接器
入射光照-关于光轴的漫射光照
金属轴上的激光码
倾角光照
入射光照-关于光轴的漫射光照
突出倾角的变化
你应该知道:
90% 机器视觉应用的成功案例来 自于恰当的照明.
摄像机并不能看到物体;只能看 到从物体表面反射过来的光。
如果摄像机无法看到部件和标记 ,也就无法读取和检测。
入射光照-关于光轴的漫射光照
光分束器 Beam Splitter
光源Light source
漫散射器 Diffuser 物体 Object
入射光照-关于光轴的漫射光照
纹理表面光照
突出光洁表面与纹理表面反射光的不同
Emphasize Finish/Texture (reflection) Differences
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