视觉检测系统资料

光源
镜头
摄像机
输出 电缆
场景
镜头
镜头
摄像机
摄像机 视觉系统流程图
图像存储体
计算机
控制
图像采集部分、图像处理部分、通信和I/O部分以及输出和执行机构
图像采集系统：可视化图像或特征数据
由光源、镜头、摄像机、图像采集卡等构成 单目视觉：一个摄像组件（镜头+摄像机） 多目视觉：多个摄像组件（镜头+摄像机） 图像质量好 图像处理简单、结果理想 图像质量差 图象处理麻烦、结果不理想
(3)镜头的种类： ①按焦距大小分类： 分为广角镜头、标准镜头、长焦距镜头 ②按变焦方式分类： 固定焦距镜头、手动变焦距镜头、电动变焦距镜头 固定焦距镜头---固定视场大小和距离， 手动变焦镜头---偶尔改变观察范围和目标大小 电动变焦镜头---经常性改变观察范围，变焦范围大，
既可以看大范围，也可以聚焦某个细节。 ③按光圈方式分类：固定光圈镜头、手动变光圈镜头、自动变光圈镜头 固定光圈镜头----固定场景和目标，亮度不变，
③发光二极管： 原理：半导体，电致发光 器件：LED，可见光、红外光 特点： 体积小、功耗低、寿命长、响应快、易于数字控制、 比普通光源单色性好、亮度高
应用：电路（信号）、仪器面板（提示、报警、状态显示） ④激光光源： 原理：外界光→光原子→能级跃迁→受激辐射→光放大→谐振 →辐射激光
特点：方向性好---发散角很小(约0.18º )，比普通光小2~3数量级 亮度高 --- 能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍 单色性好---光谱范围极小，频率单一； （He-Ne激光:λ=632.8nm,Δλ=10-6nm） 相干性好---受激辐射，传播方向/振动方向/频率/相位一致 时间相干性、空间相干性均好
光照特性
结构：金属封装---防潮
光谱特性
动态特性
应用：工业自动化---开关元件，快速响应 家电---(感应式节能灯：判断照度)
③光敏二极管（光电二极管, PD: Photo-Diode）
原理： 半导体PN结无光时---高阻特性，微弱电流—暗电流，μA； 光照时---电子→N,空穴→P → 光电流 光照愈强 --- 光电流愈大
光电导效应：原理：光 → 电子-空穴对 → 导电性 → 电阻 器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管
导带 禁带 价带
光生伏特效应:
原理： 光→PN结（无偏置）→ 电子→N, 空穴→P → 电动势
半导体能带图
器件：光电池 （硅，锗）
②光敏电阻： 原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照---电子-空穴对很少---电阻大(暗电阻) 有光照---电子-空穴对增多---导电性增强 特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定 批量生产，价格便宜 特性：光照特性为非线性，光谱特性存在单峰，动态特性好
特点：简单，灵敏度低
（充入惰性气体→气体轰击→自由电子）
③光电倍增管
原理：光 → 阴极 → 光电倍增极→ 阳极 → 电流 特点：光电流大，灵敏度高
倍增率=δn , δ-单极倍增率（3~6）
n-倍增极数（4~14）
④应用：开关测量 → 光电开关 ，计数 (2) 内光电效应
①原理： 光 → 半导体 → 电子吸收能量 → 跃迁 → 电子-空穴对
叶片细胞显微放大图片
转基因大豆孢子
4、遥感图像分析：
卫星遥感图像 --- 气象卫星（红外成象 --- 云图 --- 气象状况） 资源卫星（多光谱成象 ---- 地质、矿藏、森林、灾害） 海洋卫星（合成孔径雷达成象 --- 海洋、海浪、海滩） 航空摄影图像 --- （多目成象 --- 大地测量、测绘）
用于光线变化大且频繁的场合。 手动变光圈镜头---适合亮度变化不大的场合（光圈环） 一次性调整合适为止，不变 自动变光圈镜头---会随着光线的变化而自动调整， ④按变焦倍数：2 倍变焦、6 倍变焦、10 倍变焦、20 倍变焦等。 ⑤按安装方式分类：分为普通安装镜头、隐蔽安装镜头（针孔镜头） ⑥按用途分类：照相镜头、摄影镜头、单板式CCD镜头
2、光学系统
组成：成像物镜 + 光电器件 ① 照相摄影系统：
② 显微系统
NIKON测量显微镜
③ 望远系统
④ 投影系统
数字式测量投影仪
a、摄影镜头
(1) 作用： 相当于人眼的晶状体 ①成像： 没有镜头，摄像机不能采集到任何图像。— 输出被噪声淹没 ②聚焦： 当镜头成像平面不在摄像机像面上时，输出图像模糊不清 ---调整镜头的位置，改变CCD与镜头基准面的距离 ③ 曝光： 改变光积分时间/曝光量--- 改变灰度（人眼所不具备的功能） ④变焦： 改变镜头的焦距 --- 改变成象大小 （人眼所不具备的功能）
7、办公与家电：
办公设备 --- 数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪
家用电器 --- 数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃
二、视觉系统的一般构成
计算机 光源 场景 摄像机 图像卡
典型视觉系统 工作原理： 光 → 敏感元件 → 电 （光电元件） 传感器：
光源 x1 光 光通路 x2 光 光电元件 电 电 测量电路 y
f = vD/V f =hD/H
选择比计算值小的固定焦距，则视角还会大一些 焦距大小：几毫米—数米
（光圈指数、光阑系数），表示光通量大小，用 F 表示，F 数 ②光圈：
以镜头焦距 f 和通光孔径 D 的比值来衡量：F = f /D (镜头标明) 光圈指数序列的标值：1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22等，
1、眼睛的结构及成像
人类视觉 — 眼睛 计算机视觉 — 图像输入系统
物体
晶状体 —镜头；视网膜 — 像敏面； 远物体 — 晶状体扁平 — 屈光能力小 — 距离大（最大17mm) 近物体 — 晶状体厚 — 屈光能力大 — 距离小（最小14mm)
2、电磁波谱
光谱 --- 紫外 → 可见光 → 红外
可见光谱
特性：光照特性-灵敏度和线性好，光谱特性-单峰性
P
N
光照特性 光谱特性 应用：线性转换元件，开关元件， ④光敏三极管（光电三极管, PT: Photo-Triode） 原理：光敏二极管（bc结）+ 三极管 特点：灵敏度高于光敏二极管，
特性：光照特性---灵敏度高于光敏二极管，线性好 光谱特性---单峰性 动态特性---响应速度低于光敏二极管
② 人工光源： a. 按发光机理：荧光灯 、卤素灯 、气体放电灯、发光二极管（LED）、 激光二极管LD
① 白炽光源： 器件：白炽灯 --- 钨丝（熔点3600K） 特点： 谱线丰富（可见光+红外光） 应用： 滤色片 → 窄带频率光，避免杂光干扰 → 仪器 卤钨灯--- 改进的白炽灯（碘、溴） 特点 --- 亮度高、发光效率高、体积小、成本低 ② 气体放电光源：原理：气体分子激发→放电 （电弧灯） 器件：碳弧灯、钠弧灯、氙弧灯、水银弧灯 特点：功率大，光色接近日光，紫外线丰富 应用：强光、色温要求接近日光
器件： 固体激光器---体积小，坚固，功率高 → 红宝石、（少用） 气体激光器---小巧、单色性好、能连续工作、功率小 → 氦氖、CO2 液体激光器---激光波长可连续调节（范围）→ 染科 半导体激光器--效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性
其中LED光源凭借其诸多的优点在现代视觉系统中得到越来越多的应用。 LED光源的种类（形状）：
特性：光照特性---开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高 短路电流输出：线性好(电流---光强) ，灵敏度低 光谱特性---硅电池：0.5~1.2μm(红-红外)，峰值0.8 μm(近红外) 锗电池：0.3~0.7μm(紫-红)，峰值0.5 μm(绿) 应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算器) --开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）
点光源 --- 发光二极管 b. 按安装方式：
线光源
面光源 --- 专用
背向照明： 被测物在光源和摄像机之间
--- 对比度好
前向照明： 光源放在物体的后面
—— 便于安装
结构光照明： 光源有特定的方向，光束有精确的形状。 --- 光栅或线光源 畸变 三维形状 频闪光照明： 高频率的光脉冲 --- 高速运动物体
5、监控、安防、交通管理：
交通 --- 车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测 安全 --- 指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关） 监视 --- 超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视
6、军事与国防：
超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、
单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象
“勇气”号火星车 发回的彩色照片
“机遇”号火星车拍摄 火星土壤的显微照片
3、生物医学图像分析
（1）医学临床诊断 ： X射线、B超、CT、核磁共振（MRI）
医学影像融合分析 CT图像 自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象
细胞个数统计
三维人体扫描
（2）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、 病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析 例：水果分类；发芽土豆；杂草识别
木料检测原理
2、机器人导航
“手-眼”定位： 两个摄像机 --- 两幅平面图像 --- 三维场景信息
用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航
无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人 实例：美国Sojourner系列和Rocky系列火星探测移动机器人
美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人
第五章 视觉检测系统
一、应用
领域：工业、农业、
航天、军事等 1、工业检测 (1) 零件的识别与定位
自动连接引线、对准 芯片和封装；
■
自动安装部件，自动焊 接或自动切割加工、自 动浇注系统等。
■
例：双目立体视觉检测系统 ——简单视觉的机器人系统
芯片定位
芯片管脚检测
(2) 零件尺寸的在线测量 钢板厚度的在线测量 (3) 零件外观及内部缺陷检测 例：木料检测：缺陷、体积 (4) 产品分类、分组 苹果分级、分色、配色 (5) 产品标识、编码识别 商品条码、印鉴、标签
(2)镜头的主要指标：
Fra Baidu bibliotek
①焦距： 焦距的大小决定着视场角的大小。 焦距小（短），视场角大，观察范围大，但远处物体分辨不很清楚
焦距大（长），视场角小，观察范围小，很远的物体也能看清楚 选择焦距：观测范围 — 是要观测细节，还是要较大的观测范围 近距离大场面 — 小焦距广角；远处细节 — 大长焦 焦距的计算：
光通量与 F 值的平方成反比关系，F 值越小，光通量越大。 镜头上标注 --- 焦距、光圈 —— 确定镜头
③安装方式： --- 螺纹连接
摄影镜头 --- 螺距为1英寸32牙，直径为1英寸（英制） 方式--- C式和CS式两种，差别是镜头和CCD像面的距离不同， C式安装座从基准面到焦点的距离为17.562毫米， CS式安装座从基准面到焦点距离为12.5毫米。 专用接圈----C式镜头比CS式镜头多一个专用接圈的长度， 照相镜头 --- M42×1(直径为42mm，螺距为1mm ） 单板式CCD镜头 --- M12×0.5(直径为12mm，螺距为0.5mm）
三、图像采集系统 1、光源
(1)光源的作用： ①使视场具有足够照度 ---- 整体亮度、突出特征量 ②满足一定的投影关系 ---- 位置变化、成像质量 ③满足一定的滤光要求 ---- 区别、对比度 选择：几何形状、照明亮度、均匀度、光谱特性，发光效率、使用寿命 (2)光源的种类： ① 自然光源 --- 天体（地球、太阳、星体）、大气
光谱特性 应用：线性转换元件，开关元件 ⑤高速光电二极管 PIN结光电二极管（PIN-PD） ： I-高电阻率的本征半导体 响应速度快，灵敏度高，线性好， 用于光通讯，光测量 雪崩光电二极管： PN + P+ → APD 响应速度快，灵敏度高，线性差， 用于光通讯脉冲编码
动态特性
⑥光电池
原理： 光→PN结→电子→N, 空穴→P → 电动势 光→电能→光电池（硅电池：单晶硅） 特点：有源器件，轻便、简单、无污染，动态特性好（硅） 工作于可见光波段---太阳能电池 连接方式：开路电压输出---(a) 短路电流输出---(b)
b、光电器件
(1) 外光电效应及其器件
①外光电效应
原理：光 → 物体表面 → 光电子发射
特点：速度快---从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。 需足够光能---光子能力 > 表面溢出功 应用：足够的光强，高速---光电开关
②光电管
原理：光 → 阴极 → 光电子 → 阳极 → 空间电子流→外接电阻 → 压降U=f(I)