机器视觉创新综合试验

机器视觉创新综合实验

一、介绍：

机器视觉系统的特点是提高生产的自动化程度。在一些不适合人工作的危险环境下或者人工视觉难以满足要求的场合，常用机器视觉来替代人工视觉；同时在大批量生产过程中，人工视觉检测产品效率低且精度不高，用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和自动化程度。在现代化生产中，人们广泛的将机器视觉系统广泛地用于工况监测、成品检验和质量控制等领域。本实验模拟机器视觉系统在生产实践中的多种应用，深化同学对机器视觉系统的认识。

二、涉及内容：

光电检测、信息光学、数字图像处理

三、实验原理

（1）机器视觉系统的基本构成及工作原理：

一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、相机（包括CCD 相机和COMS相机）、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、通讯/ 输入输出单元等。

1)照明系统

照明是影响机器视觉系统输入的重要因素,它直接影响输入数据的质量和应用效果。由于没有通用的机器视觉照明设备，所以针对每个特定的应用实例，要选择相应的照明装置，以达到最佳效果。

2）图像传感系统

机器视觉的图像传感器一般包括三个部分：镜头，摄像机，图形采集卡。一般来说，图像传感器实施对景物图像的采集；图形采集卡承担着对摄像机所采集图像的前置处理任务，是图像传感器与主处理器之间的链接“桥梁”。

3）图像处理系统

机器视觉系统的图像处理系统软件主要包括计算机操作系统及其应用软件、图像处理算法软件、控制软件等。其中，图像处理算法软件是机器视觉系统中最为关键的软件，因为它反映出对不同被测对象图像特征检测的核心思想（数学模型）。实际上图像处理算法的涉及范围十分广阔，根据应用目的的不同，可包括摄像机标定算法、图像输入处理、图像滤波、边缘检测、特征提取、图像匹配、深度识别。

（2）图像采集设备的研究

1）、远心光路

远心光路就是孔径光阑位于光学系统焦点处的光路。

在测量仪器中，远心光路的作用是非常明显的，因为它大大降低了因系统离焦而引起的测量误差。远心光路中按照光阑位置的不同，又分为物方远心光路和像方远心光路，光阑在像方焦点处的为物方远心光路，光阑在物方焦点处的为像方远心光路。

在图7-1中，光阑在物镜上，为非远心光路。按照测量要求，被测物AB 的像A ’B ’应与分划板MN 重合。但在实际测量中往往因调试误差而产生离焦，物

面位置实际位于A 1B 1处，它的像与MN 不重合，在MN 上的投影为CD ，这样就导致了测量误差。

在图7-2中，在像方焦点上加上孔径光阑，成为物方远心光路。由于调焦不准，物面由AB 移动至A 1B 1，同时像面也由A ’B ’移动至A ’1B ’1处，但由于是远心光路，主光线平行于光轴，出射主光线通过焦点，主光线方向没有任何改变，A 1B 1的像A ’1B 1’在分划板上的投影仍为A ’B ’，因此没有引起测量误差。当然，由于离焦，像在分划板上的投影有一些弥散，但投影中心没有变化，虽然也会造成判读误差，但是相比投影误差会小得多。

在图7-3中，把光阑放在物镜的前焦面处。由于轴外主光线在像方是平行的，即使调焦有误差，其主光线在分划板上的位置也没有变化，读数还是相同的。

综上所述，因主光线平行于光轴，造成的结果是物体前后移动时，在像面上的像点只会模糊而位置中心不变。

2）、景深

在实际测量中，被测物都是有一定空间深度的，也就是说，需要将一定深度范围的物空间成像在一个平面上。

图7-1 非远心光路

M

N

图7-2

物方远心光

物空间所成的像，在像平面上除了与其共轭的物平面的像之外，同时还映出了位于共轭物平面前后的空间点的像，这些非共轭点在像平面上所成的像不再是点像，而是一些相应光束的截面—弥散斑。这些弥散斑尺寸足够小时，可以将其等效地视为空间物点的共轭像，并认为所成的由弥散斑组成的像是清晰的。

能在像平面上获得清晰像的空间深度称为景深。

如图7-4所示，因为理想像面B 上的弥散斑Z ’1和Z ’2分别与物空间对准面A 上的弥散斑Z 1Z 2相共轭，则有，

1

1

Z Z β'=，22Z Z β'=， （1）

（1） 式中，β是共轭面A ’和A 的垂轴放大率。 由图中相似三角形得 111Z l l D l -=

，22

2Z l l D l -=， （2） 于是有

11

Dl

l D Z =

-， (3) 22Dl l D Z =+， （4） 设21Z Z Z ==，21Z Z Z '''==，Z Z β

'

=代入(3)、 (4)式，

可得1Dl l D Z ββ=

'

-，2Dl l D Z ββ=

'

+，

图7-4

图7-3 像方远心光路

景深21222

2Dl Z l l D Z ββ'

∆=-=-'

-。 综上所述，景深与光瞳（光圈）口径D ，对准距离l ，垂轴放大率β，允许弥散斑直径Z '等诸多因素有关。当l 、β、Z '固定时，景深∆随光瞳（孔径光阑）口径D 的加大而减小。远心光路的孔径光阑一般不大，且由于主光线的特性使得系统在一定离焦范围内成像倍率不变，所以其景深比非远心光路要大。

3）、畸变

在理想光学系统中，一对共轭的物像平面上，放大率是常数。但是对于实际光学系统只有视场较小时有这个性质。当视场较大或很大时，像的放大率随视场而异，这就使像相对于物会失去相似性。这种使像变形的成像缺陷称为畸变。

设某一视场实际放大率为β，它与理想放大率β之差ββ-与β之比的百分数就作为该视场的畸变，以q 表示，

即100%q ββ

β

-=

⨯， 式中β为像高与物高之比，设p y '为实际像高，o y '为理想像高。

则,p o y y y y ββ''

==，因此100%100%p o p o o o y y y y y y q y y y ''''--=⨯=⨯''

。 四、实验内容及步骤

本实验的内容包括让用户通过实验对远心镜头有个实践上的认识，并对远心

镜头的重要参数景深和畸变进行测量。实验步骤如下： 1)、远心镜头景深测量

（1

）按照图7-5建好实验光路，并将各部件的光轴调至同轴等高。

（2）将CMOS 摄像机拧上镜头，USB 插头连接上计算机。在计算机上打开该摄像机（如果计算机事先没有安装驱动程序，需用光盘安装相应的CMOS 摄像机的驱动程序）。

（3）将分辨率板数字朝上，正面（刻字面）面对镜头，稳定的置于干板架

光源

图7-5 景深测量光路图