机器视觉基础知识

分辨率较差，不能观看微小 的目标
目前有4K×4K的面阵摄像机和 12K的线阵摄像机，通过备置 各种光学镜头，可以观测小 到微米大到天体的目标
速度
0.1秒的视觉暂留使人眼无法 快门时间可达到10微妙左右，高
看清较快速运动的目标
速像机帧率可达到1000以上，
处理器的速度越来越快
感光范 400nm-750nm范围的可见 从紫外到红外的较宽光谱范围，
Sensors
Sensor elements
Shielded
(Photo diodes) vertical shift register
转移时间约为1us，因此完全不存 在Smear现象。 优点：由于转移时间非常短，因 此不需要使用机械快门或闪光灯 缺点：由于屏蔽区占用了Sensor 的部分面积，因此使得此种传感 器填充因子只能在20%~70%
中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技 术分公司
机器视觉系统概述
主讲人：陈欣
提纲
机器视觉系统概述 照明光源 镜头 工业摄像机
机器视觉系统
机器视觉是一门技术，该技术被广泛应用在生产制 造等行业。可用来保证产品质量、控制生产流程、 感知环境等。
机器视觉系统是基于机器视觉技术为机器或自动化 生产线建立的一套视觉系统。
围
光
另外有X光等特殊摄像机
环境要 对环境温度、湿度的适应性 对环境适应性强，另外可加防护
求
差，另外有许多场合对
装置
人有损害
机器视觉系统作用
100%质量保证 100%检测
改进生产流程
提高产量
机器视觉技术 功能
缩短产品 进入市场时间
及时过程监控
精确测量 集成化生产
机器视觉应用领域
高速检测 精确机器人导航 定位及配准 装配检测 PCB检测 表面检测 纹理分析 遥感
光源 镜头
机器视觉软件
FG I/O
图像数据
图像 内存中
结果 孔 半径
1 3.147 mm ✓ 2 3.052 mm ✓ 3 2.785 mm
被测物体 CCD/CMOS图像传感器
数字图像
应用
机器视觉系统构成——智能摄像机
智能摄像机
光源 镜头
机器视觉软件
FG
图像
I/O
内存中
模拟图像数据 数字图像
结果 孔 半径
力
度级
虽然可利用人工智能及神经网络 技术，但智能很差，不能很 好地识别变化的目标
受硬件条件的制约，目前一般的 图像采集系统对色彩的分辨 能力较差，但具有可量化的 优点
强，目前一般使用256灰度级， 采集系统可具有10bit、12bit、 16bit等灰度级
机器视觉 vs 人类视觉
人类视觉
机器视觉
空间分 辨力
照明技术：前向光直射照明
前向光直射照明示例
照明技术：前向光漫射照明
前向光漫射照明示例
前向光漫射照明示例
照明技术：背光照明
背光照明示例
TCL
TCL
TCI
照明技术：颜色与补色
照射物
白色光 (混合色)
蓝色
其它颜色 被吸收
颜色与补色示例
白光
红光
蓝光
绿光
照明技术：偏光技术应用
偏光板
偏光镜片
线性度好 低噪声 功耗一般 集成度较低
CMOS 并行处理，可直接访问单 像素 高动态范围
存在固定模式噪声
功耗较低
高集成度，芯片上集成了 很多功能
Interlaced Scan vs Progressive Scan
Interlaced Scan
Progressive Scan
Rolling Shutter vs Global Shutter
镜头分辨率
分辨率单位：lp/mm 影响因素：
镜头结构、材质、加工精度 镜头的相对孔径越大，分辨率越高 光波长度，波长越短分辨率越高 视场中心较边缘分辨率高 同档次的固定焦距镜头较变焦镜头分辨率高 短焦镜头一般边缘分辨率较中心低，长焦镜头一般中 心较边缘分辨率低。 理想光学系统的最小分辨距离 b = (0.61λ)/nsinωmax 其中，λ为光的波长 n为像空间介质折射率 ωmax为像方孔径角 当镜头对无限远成像，且像方为空气时（近似计算公式） b = 1.22 λF 其中，F为光圈数
1.根据摄像机拍摄的视野以及系统需要达到的精度选择分辨率 2.根据拍摄对象运动与否选择合适相机 3.根据生产线速度选择合适帧率 4.根据相机接口类型以及相机数量选择合适的采集卡
例如： 某视觉检测系统需要两个检测工位 拍摄过程中工件不停止。 两个工位视野相同，均为400mm*300mm。 要求检测精度达到0.4mm以上。 检测速度大于每分钟1000工件。
1x 266MBps 2x 266*2 MBps 4x 266*4 MBps 8x 16x 32x 8.25GBps
PCI Express采用的是点对点通信机制，各个插槽都将通过各自 独享的通道发送和接受数据，这样就可以避免出现不同设备同 时争抢系统和CPU资 源的情况。
同步采集 vs 异步采集
工业摄像机选型
以用作频闪灯； 运行成本低、寿命长的LED，会在综合成本和性能方面体
现出更大的优势； 可根据客户的需要，进行特殊设计。
光源选型对成像影响实例
照明技术：亮视野与暗视野
杂散光
直射光
暗视野
杂散光
直射光 亮视野
照明技术：低角度照明
常应用于检测平滑表面上变化的部分 如：划痕、刀痕、边缘
低角度照明应用实例
Shielded memory area
优点：在曝光时间较长的情况下， Smear现象比Full Frame Array Sensor 小很多 缺点：由于需要两个Sensor，因此成 本非常高
...............................
Readout register
CCD Sensor—Interline Transfer
Rolling Shutter
Global Shutter
彩色摄像机
1.Bayer 2.3CCD 3.3Lines 4. …………
彩色摄像机效果对比
3CCD Bayer
Raw Image Difference
工业摄像机接口类型
1. 模拟接口 2. CameraLink 3. 1394a 4. 1394b 5. Usb2.0 6. GigE 7. Ethernet 8. ……
缺点 1.价格高 2.线中不带供电
1.无标准协议 1.长距离传输线缆价格稍 2.CPU占用高 贵
1.CPU占用高 2.对主机配置 要求高 3.有时存在丢 包现象
1.无标准 协议 2.带宽过 低 3.CPU占 用过高
PCI vs PCI-E
PCI-32
速度
133MBps
PCI-64 266MBps
PCI-Express
• 医学图像分析 • 测量 • 一维码读取 • OCR&OCV • 匹配 • 印刷检测 • Blob分析
机器视觉应用领域
• 半导体 • 汽车制造 • 制陶业 • 化学业 • 电子部件及设备 • 食品业 • 玻璃业 • 生命科学 • 医学 • 钢铁 • 矿业
• 光学行业 • 纸制品 • 药物 • 照相学和遥感 • 印刷 • 铁路运输 • 监控 • 航空宇航 • 造船 • 无线通信 • 交通 • 木材 • 等等
1 3.147 mm ✓ 2 3.052 mm ✓ 3 2.785 mm
被测物体
应用
CCD/CMOS图像传感器
机器视觉市场
机器视觉系统中部件包括： 光源、工业摄像机、图像采集卡、镜头、图像 处理设备等。
机器视觉市场包括: 部件生产商 代理商 系统集成商
机器视觉系统组件——照明光源
照明光源
添加微镜头可以增加填充因子
Horizontal shift registers
Output (Amplifier)
Electronic shutter & Micro Lenses
Overflow Drain主要用来消除 CCD Sensor的Blooming现象 它也被用来实现电子快门
通过Micro Lenses可以将传感器 的填充因子提高。 CCD可以从80%提高到约100% CMOS可以从30%提高到约80%
机器视觉系统——照明光源分类
高频荧光灯
卤
素
灯
LED灯
机器视觉系统——照明光源对比
LED光源特点
可制成各种形状、尺寸及各种照射角度； 可根据需要制成各种颜色，并可以随时调节亮度； 通过散热装置，散热效果更好，光亮度更稳定； 使用寿命长（约3万小时，间断使用寿命更长）； 反应快捷，可在10us或更短的时间内达到最大亮度； 电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，可
工业摄像机接口类型
CameraLink
Usb2.0
1394a
1394b
GigE
Ethernet
速度 Base: 1.5Gbps
480Mbps
Medium: 3.8Gbps
Full: 5.1 Gbps
400Mbps 800Mbps 1000Gbps
100Mbps
距离 10m
5m
4.5m
4.5m
100m
远心镜头
镜头选型
分辨率 焦距 光圈 景深 成像尺寸ຫໍສະໝຸດ Baidu视场角 远心 畸变
机器视觉系统组件——工业摄像机
工业摄像机
工业摄像机分类
按不同芯片类型划分： 1、CCD摄像机 2、CMOS摄像机
CCD Sensor—Full Frame Array Sensor
优点：填充因子(fill factor)可以达到非常高，甚至达到100%。 这样Sensor灵敏度非常大。 缺点：由于传输和读出使用的时钟相同，因此Sensor上面的部分 曝光时间比下面的长，这会造成Smear现象。为了解决这个问题， 必须使用机械快门或闪光灯。
光源A
光源B
偏光技术应用实例
防外乱光濾波片的効果
照明技术：防外乱光技术应金用属工件輪廓模糊
防外乱光濾波片的効果
金属工件輪廓清晰
机器视觉系统组件——镜头
镜头
成像尺寸
焦距与视场角
焦距与视场角
例如： 使用HV1303UM 拍摄视野为440mm*330mm 拍摄距离为2500mm
常用公式
放大率 m h' / h L' / L 物距 L f (11/ m) 像距 L' f (1 m) 焦距 f L /(11/ m) 物高 h h' / m h'(L f ) / f 像高 h' mh h(L' f ) / f
机器视觉 vs 人类视觉
人类视觉
机器视觉
适应性 适应性强，可在复杂及变 适应性差，容易受复杂背景及环
化的环境中识别目标
境变化的影响
智能
具有高级智能，可运用逻 辑分析及推理能力识别 变化的目标，并能总结 规律
彩色识别 对色彩的分辨能力强，但 能力 容易受人的心理影响， 不能量化
灰度分辨 差，一般只能分辨64个灰
机器视觉系统构成——模拟相机
光源 镜头 摄像机 图像采集卡
机器视觉软件
结果
FG
图像
孔 半径
I/O
内存中
1 3.147 mm ✓ 2 3.052 mm ✓
3 2.785 mm
被测物体
模拟视频流 数字图像
CCD/CMOS图像传感器
应用
机器视觉系统构成——数字摄像机
数字摄像机 （USB/1394a/1394b/GigE/CameraLink）
100m
优势
1.带宽高 2.有带预处理功能 的采集设备 3.抗干扰能力强
1.易用 2.价格低 3.多相机
1.易用，价格低，多相机 2.传输距离远，实际线缆 可达到17.5m，光纤传输 可达100m 3.有标准DCAM协议 4.CPU占用最低
1.易用，价格 1.易用， 低，多相机 价格低 2.传输距离远， 2.传输距 线缆价格低 离远，线 3.标准GigE 缆价格低 Vision协议
Serial readout register
Output (Amplifier)
CCD Sensor—Frame Transfer Sensor
Light sensitive CCD-sensor
解决了Full Frame Array Sensor发生 Smear现象的问题 从感光部分转移到屏蔽存储区域的时 间约为500us
1.体积小 2.片上数字化 3.很多片上处理功能 4.低功耗 5.没有Blooming现象 6.直接访问单个像素 7.高动态范围（120dB） 8.帧率可以更高
劣 1.Blooming
1.一致性较差
2.不能直接访问每个像素 2.光灵敏度差
3.没有片上处理功能
3.噪声大
CCD vs CMOS
CCD 串行处理
CMOS Sensor
AOI
由于CMOS可直接访问单个像素， 因此在AOI非常小的情况下，CMOS 与CCD相比，帧率上有较大的优势。
CMOS Sensor甚至可以将A/D转换集成 到每个像素中去，在不使用AOI时帧率 上也有优势
CCD vs CMOS
CCD
CMOS
优 1.图像质量高 2.灵敏度高 3.对比度高