第13讲视觉检测技术PPT课件
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一、应用
视觉检测技术
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
(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
芯片管脚检测 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
(2)光源的种类： ① 自然光源 --- 天体（地球、太阳、星体）、大气
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）、
b.
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
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Байду номын сангаас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
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
光源
场景
计算机
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）
光
传感器： 光源
光 光通路
电
电
光电元件
测量电路
y
x1
x2
光源
点光源 --- 发光二极管
线光源
面光源 --- 专用
b. 按安装方式： 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
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
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
“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）
CT图像
医学影像融合分析
自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象
场景
镜头 镜头
摄像机 摄像机
电缆 图像存储体
输出 计算机
镜头 摄像机
控制
视觉系统流程图
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）
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
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）
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
2、电磁波谱
光谱 --- 紫外 → 可见光 → 红外 可见光谱
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
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
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)
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）：
视觉检测技术
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
(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
芯片管脚检测 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
(2)光源的种类： ① 自然光源 --- 天体（地球、太阳、星体）、大气
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）、
b.
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
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Байду номын сангаас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
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
光源
场景
计算机
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）
光
传感器： 光源
光 光通路
电
电
光电元件
测量电路
y
x1
x2
光源
点光源 --- 发光二极管
线光源
面光源 --- 专用
b. 按安装方式： 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
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
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
“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）
CT图像
医学影像融合分析
自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象
场景
镜头 镜头
摄像机 摄像机
电缆 图像存储体
输出 计算机
镜头 摄像机
控制
视觉系统流程图
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）
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
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）
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
2、电磁波谱
光谱 --- 紫外 → 可见光 → 红外 可见光谱
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
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
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)
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）：