视觉测量技术(一)_视觉系统构成

摄像机
照 明
接 口
3.1 摄像机 - 镜头 – 型号
摄像机
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3.1 摄像机 - 镜头 – 型号
摄像机
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3.1 摄像机 - 镜头 – 焦距
薄透镜原理
f: 透镜焦距长度 F: 透镜焦点 z’: 摄像机常数
1 1 1 = z' z f
摄像机
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3.1 摄像机 - 镜头 – 焦距
控制进光量 F2.2、F2.8、F4….. 光圈F值愈小，在同一 单位时间内的进光量便 愈多 由于光学原理和制造 成本的限制，摄影镜头 在全开光圈时的像质并 不是最佳的，通常在收 缩光圈后，像质有明显 的改善。 每个摄影镜头都有 一个或者多个最佳光圈， 在这些最佳光圈下，画 面的质量达到最好，分 辨率高、反差均衡等。
而相同尺寸的CCD，像素越多，图像质量越好。价格越高。
摄像机
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3.1 摄像机 - 镜头 - Lens
镜头是一种光学设备，用于聚焦光线在 摄像机内部成像。镜头的作用是收集光 线，产生锐利的图像，以得到被测物体 的细节。
通常由一块或者多块光学玻璃或 塑料组成的透镜组，基本单元为 凹透镜、凸透镜，或其组合
光分束器 Beam Splitter
漫散射器 Diffuser 物体 Object
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入射光照-关于光轴的漫射光照
纹理表面光照
突出光洁表面与纹理表面反射光的不同 Courtesy of RVSI/NER
Emphasize Finish/Texture (reflection) Differences
视觉测量技术
（一） 视觉系统组成
丁雅斌
１、什麽是机器视觉 ？
人类的眼睛
机器视觉传感器
以光电传感器和计算机为核心组成的能够
模拟人类视觉而完成某项工作的方法及装备
通过两维图像建立三维或高维真实世界的模型
2、机器视觉应用
• 目标识别与定位
2、机器视觉应用
• 质量检测
2、机器视觉应用
• 几何量测量
零件外观检测 滚轴的外观检测 轴承的外观检测
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光照技术-照明的方向
背光照射
光源在摄像机对面
入射光照射
光源在摄像机一方
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光照技术-背光照射
半透明物体测量
形状测量
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光照技术-背光照射的效果
• 增强被测工件的边缘轮廓 • 看到半透明物体的透光性（相对障碍物光的通
过特性）
• 观察出物体表面的光洁度、颜色、发射光 和不明显的高度变化
wfov是摄像机视野在X方向的尺寸，hfov是Y方向的尺寸 w是物体X方向上的最小特征，h是Y方向上的最小特征
则所需最小像素分辨率为
w fov max w 2,
h fov
2 h
摄像机
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3.1 摄像机 –选型步骤
根据被测物体尺寸确定视野大小， 进而确定所需CCD 的尺寸 CCD上的像素数目≥最小像素分辨率 数目
摄像机
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光照技术-入射光照
1、普通用途的光照(明场或暗场 ) General Purpose - Bright or Dark Field
2、关于光轴的漫射光照（区域照射） DOAL - Diffused On-Axis Light 3、均匀光的漫（散）射 （同轴照射） DOME
入射光照射
如果工作距离不变，可选择定焦镜头 如果工作距离时变，可选择变焦镜头 如果被测物体本身高度变化大，即需要测量 的景深大，根据最大、最小距离都可清晰成 像选择焦距范围
摄像机
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3.2 照明
目的：使被测物体的 重要特征显现，抑制 不重要的特征
1 光源类型 2 光照技术
摄像机
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光源类型
3、 机器视觉检测系统的构成
5 摄像机-计算机接口 3 计算机 2 摄像机 4 光照系统 6 控制机构
1 被测物体
摄像机
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3.1 摄像机
镜头 Lens
（工业）摄像机 Camera
聚焦光线
生成图像
摄像机
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3.1 摄像机- Sensor
• 摄像机的作用：将通过镜头聚焦于像平面的光 线生产图像。 • 摄像机最重要的部件：数字传感器
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光照技术-背光照射图像比较
用环型光照的灯丝
Lamp filament with ring light
用背光光照的灯丝
Lamp filament with backlight
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光照技术-背光照射图像比较
通过塑料连接器的金属针
Metal pins through plastic connector
摄像机
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3.1 摄像机 – 几种专业术语
① 分辨率 Resolution: 被检测物体的最小特征 尺寸 ⑦像素 Pixel ⑧像素分辨率 Pixel resolution: 图像上需要表达被测物 体所需的最小像素个数 ② 视野 Field of view 物体可被检测到的区域， 换言之,它是物体填满传 感器图象的区域 ③ 工作距离 Working distance 从镜头前端到被检测物 体表面的距离
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3.1 摄像机 - 镜头 Vs. 人眼
晶状体
视网膜
虹膜调节瞳孔的大小，对光线大小 进行控制。 光线通过焦距20的晶状体，在视网 膜上成像。
瞳孔
虹膜
摄像机
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3.1 摄像机 - 镜头 – 型号
保证通光量 Lens尺寸 ≥ Sensor尺寸
摄像机
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3.1 摄像机 - 镜头 – 型号
• 2.立体视觉（Stereo Vision）：对目标在三维笛卡尔空间内的信 息进行测量的视觉测量与控制。
• 3.结构光视觉（Structured Light Vision）：利用特定光源照射 目标，形成人工特性，由摄像机采集这些特征进行测量。结构光视 觉可简化图像处理中的特征提取，大幅度提高图像处理速度。 • 4.主动视觉（Active Vision）：对目标主动照明或者主动改变摄 像机参数的视觉系统。 • 5.被动视觉（Passive Vision）：如双目视觉。
成本 亮度 稳定性 寿命 温度
名称
荧光灯
低
低
低
一般 一般
卤素灯
高
高
一般
低
高
LED光源 一般 一般
高
高
低
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光照技术
利用有效照明使被测特征对比度最大化
用环型光照皱折物体失败
用连续漫射光照皱折物体成功
摄像机
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光照技术-反射类型
镜面反射 对角直接反射光线 漫射反射 所有方向漫射光线
• 8.视觉控制（Vision Control/Visual Control）：根据视觉测量 获得目标的位置和姿态，将其作为给定或者反馈对机器人的位置和 姿态进行的控制。 • 9.视觉伺服（Visual Servo/Visual Servoing ）：利用视觉信息对 机器人进行的伺服控制，是视觉控制的一种。
摄像机
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3.1 摄像机 – 几种专业术语
④传感器尺寸 Sensor size 传感器的有效面积,典型 的指标是水平尺寸
⑤景深 Depth of field: 在整个聚焦范围内，能 够维持清楚成像对应的 最大物体的深度； 也可定义为在允许聚焦 的范围内，允许物体移 动的范围。
⑥图像 Image
摄像机
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3.1 摄像机 –选型步骤
1 明确被测物体的测量精 度要求，选择适合的CCD 尺寸和像素数目
关注的要素： 视野 CCD尺寸 像素分辨率 基本要求：被测物体 在某一方向上尽量充 满摄像机的视野
摄像机
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3.1 摄像机 –选型步骤
基本要求：被测物体在某一方向上尽量充满摄像机的视野
低
低 一般 低 高
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3.1 摄像机-CCD 传感器-尺寸
CCD的尺寸，是说感光器件的 面积大小。
摄像机
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3.1 摄像机-CCD 传感器-尺寸
主要有2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。 面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。 2/3英寸的300万像素相机效果通常好于1/2英寸的400万像素 相机(后者的感光面积只有前者的53%)。
高速检测连续冲孔的 冲压零部件。
可使用2台线型相机 高精度检测长尺的 金属滚轴表面缺陷
曲面外观检测
2、机器视觉应用
• 导航
Rocky 7 火星车
Rocky7视觉系统获取的立体图象对
(a) 深度图象
(b)障碍物探测示意图
Rocky7 视觉系统对场景的深度恢复
2、机器视觉应用
• 导航
2、机器视觉应用
面阵
线阵
摄像机
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3.1 摄像机- Sensor
CMOS（complementary metal-oxide semiconductor） 互补金属氧化物半导体
摄像机
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3.1 摄像机- Sensor
CCD
CCD
Vs
CMOS 低
CMOS
灵敏度
高
成本
分辨率 抗噪声 功耗 速度
高
高 好 高 低
光源在“W”之外 除有纹理的表面和凸高变化的表 面之外，光线被反射而不进入照 相机
摄像机
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入射光照-明场、暗场
Leabharlann Baidu
摄像机
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入射光照-明场、暗场
摄像机
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入射光照-明场、暗场
摄像机
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接 口
入射光照-明场、暗场
摄像机
照 明
接 口
入射光照-明场、暗场
摄像机
照 明
接 口
光源在摄像机一方
摄像机
照 明
接 口
入射光照-明场、暗场
了解 “ W ” 反射光与光源角度相同。 明场：光线反射后进入摄像机。 暗场：光线反射后未进入摄像机。
摄像机
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入射光照-明场、暗场
对形成高对比度有益，但反光表 面会生成镜面反射 光源范围应在照相机透镜视野的 两倍处
漫射光被反射进入照相机但镜面 反射光线被反射离开
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入射光照-关于光轴的漫射光照
缺针的连接器
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入射光照-关于光轴的漫射光照
Courtesy of RVSI/NER 金属轴上的激光码
摄像机
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入射光照-关于光轴的漫射光照
倾角光照
突出倾角的变化
摄像机
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你应该知道：
90% 机器视觉应用的成功案例来 自于恰当的照明. 摄像机并不能看到物体；只能看 到从物体表面反射过来的光。 如果摄像机无法看到部件和标记， 也就无法读取和检测。
摄像机
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3.1 摄像机 –选型步骤
1 明确被测物体的测量精 度要求，选择适合的CCD 尺寸和像素数目 2 确定相机的接口类型
C
or
CS
or
F
3 确定镜头的焦距 关注的要素： 工作距离 CCD尺寸 视野 景深
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3.1 摄像机 –选型步骤
焦距=（CCD尺寸×工作距离）/ 视野
摄像机
机器视觉的一些基本概念
• 6.视觉测量（Vision Measure/Visual Measure）：根据摄像机获 得的视觉信息对目标的位置和姿态进行的测量。
• 7.手眼系统（Hand-Eye System）：摄像机和机械手构成的机器人 视觉系统。 .Eye-in-Hand：摄像机安装在机械手末端并随机械手一起运动 的视觉系统。 Eye-to-Hand：摄像机不安装在机械手末端，不随机械手运动 的视觉系统。
• 其他应用
智能交通监控
• • • • • •
三维重建
遥感图像分析（植被分析、考古发掘） 医学图像分析（骨骼定位） 安全鉴别、监视与跟踪（门禁系统、视频监控） 国防系统（目标自动识别与目标跟踪） 文物保护（数字博物馆） 其他（游戏、动画、体育、人机交互） „„„„
机器视觉的一些基本概念
• 1.平面视觉（Planar Vision）：被测对象处在平面内，只对目标 在平面的信息进行测量的视觉测量与控制。
入射光照-均匀光的漫（散）射
Object
Light source (off-axis)
摄像机
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入射光照-均匀光的漫（散）射
用区域光照的加工表面
用DOME光照的加工表面
摄像机
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入射光照-均匀光的漫（散）射
摄像机
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入射光照-关于光轴的漫射光照
光源Light source
–CCD （charge-coupled device）电荷耦合元件 –CMOS（complementary metal-oxide semiconductor） 互补金属氧化物半导体
摄像机
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3.1 摄像机- Sensor
CCD （charge-coupled device）电荷耦合元件 也称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件， 能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入 的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD 上包含的像素数越多，其提供的图像分辨率也 就越高。