机器视觉(重要基础)

机器视觉系统构成•概述•构成各部分介绍•项目开发图像与视觉图像安防监控、显微成像、医疗影像、天文观测；航天测绘、智能交通视觉（视+觉）表面质量检测、工件尺寸测量和定位、各种标识的识别等，电子、半导体、包装、印刷…机器视觉（Machine Vision)机器（Machine)视觉（Vision) +机械运动控制觉(软件)视(硬件)包括光源、镜头、相机、图像采集卡等。

机器视觉是一个系统的概念，运用现代先进的控制技术、计算机技术及传感技术，表现为光机电的结合。

凌云公司的口号：“致力于为机器植入眼睛和大脑！”为什么要采用机器视觉 节省时间降低生产成本优化物流过程缩短机器停工期提高生产率和产品质量减轻测试及检测人员劳动强度 减少不合格产品的数量提高机器利用率机器视觉应用简介GIGI(Gauge、Inspection、Guide、dentification)一、Gauge(Measurement)机器视觉应用简介二、Inspection(应用范围最广）机器视觉应用简介三、Guide机器视觉应用简介四、Identification机器视觉原理简介系统构成：机器视觉原理简介一、光源（光源是基准，打光是艺术）种类：LED、萤光灯、卤素灯（光纤光源)、特殊光源Garbage In, Garbage Out特点：LED寿命长/可以有各种颜色/便于做成各种复杂形状/光均匀稳定/可以闪光；萤光灯光场均匀/价格便宜/亮度较LED高；卤素灯亮度特别高/通过光纤传输后可做成有效的合作与沟通客户：“提高质量我们才能占领越来越多的市场”销售：“我们需要零缺陷发货”管理者：“制订消除（降低）缺陷的计划，如采用视觉系统”品保：“为达到6Sigma目标，我们有100多个缺陷要解决”MV供应商：“将每种缺陷详细定义并归类”光源供应商：“我们应该按照这样的方法来做！”MV供应商：“这样做的花费是这么多！”品保：“也许只检10个缺陷就足够了”管理者：“如何才能避免我们将这类有缺陷的货发出去？”销售：“多坏才是足够好呢？”光源为什么好的打光方式等于成功了一大半(Garbage in，Garbage out)光源调制目标信息后传递探测器给（将目标想成我们自己）探测器所获得的光线必须包含足够的信息以便分离感兴趣的主要特征信息，并便于处理器将它们区分开来(光源是基准，打光有技巧）我们的目标就是最大化感兴趣区域的特征同时抑制其他的特征（噪声）光源为什么光源（光源是基准，打光有技巧）种类：LED、萤光灯、卤素灯（光纤光源)、特殊光源Garbage In, Garbage Out特点：LED寿命长/可以有各种颜色/便于做成各种复杂形状/光均匀稳定/可以闪光；萤光灯光场均匀/价格便宜/亮度较LED高；卤素灯亮度特别高/通过光纤传输后可做成照明规则1、光线太暗会影响视觉系统2、光线太亮会影响视觉系统3、照明的主要功能是产生光学信号4、减少噪声是照明要解决的主要问题之一5、只有来自于目标并到达镜头的光线才是有效的光线6、进入镜头但非来自目标的光线为杂散光，它降低图像质量7、来自目标任意点的光线都应填满镜头的入瞳光学器件镜头----聚焦或分散光线反射器（镜面）---改变光路（角度）分光器---半透半反棱镜---分光偏光片---抑制反光，应力探测漫射片---柔化光的分布，提高均匀性滤光片---过滤修正光源的光谱属性光纤---固定的光传播系统光源选择的注意事项影响因素：相机的光谱响应特性、形状、打光方式（dark field, bright field, low angle, structure light)、LED器件（颜色、发光角、亮度、寿命等）、辅助手段（偏光片、滤光片、漫射片等）即结构、光谱、强度、寿命、修正手段、价格等）选择原则：满足应用、综合考虑；理论分析+实验；解决问题的一般过程提出问题定义检测目标收集制订完整的规格列表可行性研究这个零件是如何被肉眼看到的？这个零件将如何照在其上的光的特性？将自己想成是那个零件概念设计实验室的反复实验原型机生产批量生产，先进制造光源选择的注意事项影响因素：相机的光谱响应特性、LED器件（颜色、发光角、亮度、寿命等）、形状、打光方式（dark field, bright field, low angle, structure light)、辅助手段（偏光片、滤光片、漫射片等）选择原则：满足应用、综合考虑；理论分析+实验；机器视觉原理简介二、镜头（低通滤波器，完成信号传递）接口形式：C-Mount/CS-Mount/F-Mount/Others镜头类型：标准、远心、广角、近摄、远摄等选择依据：相机接口/物距/拍摄范围/CCD尺寸/畸变的允许范围/放大率/焦距/光圈等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、光谱几何光学成象公式（Basic Formula）放大率（Magnification）视场（Field of View）工作距离（Working Distance）分辨率（Resolution）光圈与景深光圈（Aperture）景深（Depth of Field） 光圈越大景深越小镜头相关参数放大率焦距对焦范围f-N F数失真视场f-number收集光线的能力景深分辨率失真分辨率和调制传递函数MTF成像系统的品质通常用调制传递函数MTF来描述，其定义如下：V B低频暗区最低亮度。

V W低频亮区最高亮度。

V min频率f处的最低亮度。

V max频率f处的最高亮度。

低频对比度C(0) =(V W-V B)/(V W+V B) 。

频率f处的对比度C( f) =(V max-V min)/(V max+ V min) MTF( f )= 100%*C( f )/C(0)分辨率和调制传递函数MTF 表征分辨率的指标是MTF。

MTF 描述的是成像系统的空间频率响应。

右图为佳能镜头实例。

兰实线：镜头＋胶片的MTF；兰虚线：镜头的MTF。

分辨率和调制传递函数MTF 由100% 到2% 的对比度图形。

MTF =50%为中等对比度，MTF = 2%被认为是人视觉对比度的极限，低于2% 无法分辩。

分辨率和调制传递函数MTF其中p 为像元间距， a 为像元尺寸，k 为角频率，而h(x) 为单位脉冲响应CCD 传递函数系统传递函数大气像移镜头系统＝MTF MTF MTF MTF MTF CCD ×××分辨率和调制传递函数MTF如XC －75CE ，水平像元尺寸为8.6μm ，垂直像元尺寸为8.3μm 。

该CCD 水平和垂直Nyquist 频率分别为1000/(2×8.6)= 58 lp/mm1000/(2×8.3)= 60 lp/mm CCD 像面上，每毫米像元数的1/2称为该CCD 的Nyquist 频率。

机器视觉光学系统光学系统镜头（低通滤波器，完成信号传递）反光镜（改变光路）棱镜、分光镜、聚光棒（镜）光源、偏光片、滤光片等接口主要有螺口和卡口两种螺口：0.75（M42/M58/M72等）、C/CS(32thread/inch)卡口：F口(Nikon)、Cannon、Petax等远心镜头在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样也会产生测量误差。

采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。

Standard LensTelecentric lens机器视觉系统的构成—光学系统 远心镜头远心镜头 远心镜头远心镜头在机器视觉中的应用在用于测量的机器视觉中，有一些因素影响测量精度或重复性。

a) 物体位置变化引起比例尺改变；b) 畸变c) 投影误差d)物体边缘测量误差大有一种镜头可以很大程度上降低以上误差，甚至消除这些误差，这种镜头就是远心镜头。

远心镜头在机器视觉中的应用如果一个镜头的投影中心在无穷远，称其为物方远心镜头。

普通镜头物方远心镜头镜头远心镜头在机器视觉中的应用普通镜头f = 12 mm,相机CCD为1/3”，观察距离s = 200mm ，高为H = 20mm的物体。

如果物体由原位置移动了s= 1mm，则高度测量值的变化为DH=(ds/s)·H=(1/200)·20 mm = 0,1 mm在焦深范围内像面移动有什么影响？远心镜头在机器视觉中的应用远心镜头中，这种比例尺的变化取决于远心斜率θ。

较好的远心镜头，其远心斜率为0,1°(1.7mrad) 左右。

这就意味着，在与前面物体同样移动1 mm 的情况下，测量值只变化了0,0017 mm 。

远心镜头在机器视觉中的应用投影误差的改善远心镜头在机器视觉中的应用远心镜头可以改善普通镜头测量中的边缘效应左图：普通镜头测量时，由于投影误差（物体晃动）和周围杂光的影响，测量精度降低。

左图：远心镜头可以改善由于物体晃动和周围杂光的影响，提高测量精度。

远心镜头在机器视觉中的应用为了更大程度的消除边缘效应的影响，采用与镜头匹配的远心光路照明系统。

远心镜头在机器视觉中的应用远心镜头的优点：没有视差畸变是尺寸测量的理想镜头可以在工作距离变化的条件下精密测量下面的观点也是不对的：远心镜头景深长只有远心镜头才能完成精密测量远心镜头在机器视觉中的应用远心光路成像是机器视觉中一个很重要的原理。

但是它有一个很大的缺点，那就是远心镜头的口径至少要与需要观察的物体尺寸相等或更大。

这也是为什么远心镜头非常贵的原因之一。

镜头的畸变像面弯曲球面像差枕形失真桶形失真色散像散，散光原则一:相机芯片尺寸镜头尺寸≧相机芯片尺寸CCD芯片尺寸特殊之处：1inch = 16mm ≠25.4mm机器视觉系统的构成—光学系统镜头的接口形式。