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機器視覺入門知識詳解
日期：2019-08-08
來源：J9九游会中国
機器視覺的應用領域:
識別：標準一維碼、二維碼的解碼；光學字符識別（OCR）和確認（OCV）
檢測：色彩和瑕疵檢測；零件或部件的有無檢測；目標位置和方向檢測•測量；尺寸和容量檢測；預設標記的測量，如孔位到孔位的距離
機械手引導：輸出空間坐標引導機械手精確定位
機器視覺係統的分類
智能相機
基於嵌入式，基於PC
機器視覺係統的組成
圖像獲取：光源、鏡頭、相機、采集卡、機械平台
圖像處理與分析：工控主機、圖像處理分析軟件、圖形交互界麵。
判決執行：電傳單元、機械單元
光源---光路原理：照相機並不能看見物體，而是看見從物體表麵反射過來的光。
鏡麵反射：平滑表麵以對頂角反射光線
漫射反射：粗糙表麵會從各個方向漫射光線
發散反射：多數表麵既有紋理，又有平滑表麵，會對光線進行發散反射
光源---作用和要求
在機器視覺中的作用：照亮目標，提高亮度，形成有利於圖像處理的效果，克服環境光照影響，保證圖像穩定性，用作測量的工具或參照，良好的光場設計要求，對比度明顯，目標與背景的邊界清晰，背景盡量淡化而且均勻，不幹擾圖像處理，與顏色有關的還需要顏色真實，亮度適中，不過曝或欠曝；
光源---光場構造
明場：光線反射進入照相機
暗場：光線反射離開照相機
光源---構造光源
使用不同照明技術對被測目標會產生不同的影響，以滾珠軸承為例：
相機
種類：線&麵、隔/逐、黑/彩、數/模、低/高、CCD/CMOS
指標：象元尺寸、分辨率、靶麵大小、感應曲線、動態範圍、靈敏度、速度噪聲、填充因子、體積、質量、工作環境等
工作模式：Freerun、Trigger（多種）、長時間曝光等
傳輸方式：GIGE，Cameralinker,模擬
相機--按照圖像傳感器區分
CCD相機：使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機,集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取於一體，是典型的固體成像器件。
CMOS相機：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機,將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控製器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優點。
相機--按照輸出圖像顏色區分：
單色相機：輸出圖像為單色圖像的相機。
彩色相機：輸出圖像為彩色圖像的相機。
相機--按輸出信號區分
模擬信號相機：從傳感器中傳出的信號，被轉換成模擬電壓信號，即普通視頻信號後再傳到圖像采集卡中。
數字信號相機：信號自傳感器中的像素輸出後，在相機內部直接數字化並輸出。數字相機又包含1394相機、USB相機、Gige相機、CameraLink相機等
相機--按照傳感器類型區分
麵掃描相機：傳感器上像素呈麵狀分布的相機，其所成圖像為二維“麵”圖像。
線掃描相機：傳感器上呈線狀（一行或三行）分布的相機，其所成圖像為一維“線”圖像。
相機--傳感器的尺寸：圖像傳感器感光區域的麵積大小。這個尺寸直接決定了整個係統的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數模擬相機的傳感器的長寬比例是4：3(H：V)，數字相機的長寬比例則包括多種：1：1，4：3，3：2等。
相機--像素：是成像於相機芯片的圖像的最小組成單位。以200萬像素的相機為例，滿屏有1600*1200個像素,成像於1/1.8英寸大小的CCD芯片。
相機--分辨率：由相機所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶麵排列的像元數量。通常麵陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數字表示，如：1920（H）x1080(V)，前麵的數字表示每行的像元數量，即共有1920個像元，後麵的數字表示像元的行數，即1080行。
相機--幀率和行頻：由相機的幀率/行頻表示相機采集圖像的頻率，通常麵陣相機用幀率表示，單位fps（FramePersecond），如30fps,表示相機在1秒鍾內最多能采集30幀圖像；線性相機通常用行頻表示，單位KHz,如12KHz表示相機在1秒鍾內最多能采集12000行圖像數據。
相機--快門速度（ShutterSpeed）：CCD/CMOS相機多數采用電子快門，通過電信號脈衝的寬度來控製傳感器的光積分（曝光）時間。對於一般性能的的相機快門速度可以達到1/10000-1/100000秒。
卷簾快門（RollingShutter）：多數CMOS圖像傳感器上使用的快門，其特征是逐行曝光，每一行的曝光時間不一致。
全局快門（GlobalShutter）：CCD傳感器和極少數CMOS傳感器采用的快門，傳感器上所有像素同時刻曝光。
相機--智能相機：智能工業相機是一種高度集成化的微小型機器視覺係統。它將圖像的采集、處理與通信功能集成於單一相機內，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易於實現的機器視覺解決方案。智能工業相機一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網絡通信裝置等構成。由於應用了最新的DSP、FPGA及大容量存儲技術，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機器視覺的應用需求。
鏡頭---主要參數：工業的鏡頭大都是多組鏡片組合在一起的。計算時會忽略厚度對透鏡的影響將其等效成沒有厚度的播透鏡模型，即理想凸透鏡。
參數：焦距/視場/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍數/畸變/接口
分辨率：對色彩和紋理的分辨能力。
畸變：鏡頭中心區域和四周區域的放大倍數不相同。畸變的校正一般用黑白分明的方格圖像來進行，過程並不複雜。一般如果畸變小於2%，人眼觀察不到；若畸變小於CCD的一個像素，攝像機也看不見。
鏡頭---遠心鏡頭：在測量係統中，物距常發生變化，從而使像高發生變化，所以測得的物體尺寸也發生變化，即產生了測量誤差；即使物距是固定的，也會因為CCD敏感表麵不易精確調整在像平麵上，同樣也會產生測量誤差。采用遠心物鏡中的像方遠心物鏡可以消除物距變化帶來的測量誤差，而物方遠心物鏡則可以消除CCD位置不準帶來的測量誤差。
識別：標準一維碼、二維碼的解碼；光學字符識別（OCR）和確認（OCV）
檢測：色彩和瑕疵檢測；零件或部件的有無檢測；目標位置和方向檢測•測量；尺寸和容量檢測；預設標記的測量，如孔位到孔位的距離
機械手引導：輸出空間坐標引導機械手精確定位
機器視覺係統的分類
智能相機
基於嵌入式，基於PC
機器視覺係統的組成
圖像獲取：光源、鏡頭、相機、采集卡、機械平台
圖像處理與分析：工控主機、圖像處理分析軟件、圖形交互界麵。
判決執行：電傳單元、機械單元
光源---光路原理：照相機並不能看見物體，而是看見從物體表麵反射過來的光。
鏡麵反射：平滑表麵以對頂角反射光線
漫射反射：粗糙表麵會從各個方向漫射光線
發散反射：多數表麵既有紋理，又有平滑表麵，會對光線進行發散反射
光源---作用和要求
在機器視覺中的作用：照亮目標，提高亮度，形成有利於圖像處理的效果，克服環境光照影響，保證圖像穩定性，用作測量的工具或參照，良好的光場設計要求，對比度明顯，目標與背景的邊界清晰，背景盡量淡化而且均勻，不幹擾圖像處理，與顏色有關的還需要顏色真實，亮度適中，不過曝或欠曝；
光源---光場構造
明場：光線反射進入照相機
暗場：光線反射離開照相機
光源---構造光源
使用不同照明技術對被測目標會產生不同的影響，以滾珠軸承為例：
相機
種類：線&麵、隔/逐、黑/彩、數/模、低/高、CCD/CMOS
指標：象元尺寸、分辨率、靶麵大小、感應曲線、動態範圍、靈敏度、速度噪聲、填充因子、體積、質量、工作環境等
工作模式：Freerun、Trigger（多種）、長時間曝光等
傳輸方式：GIGE，Cameralinker,模擬
相機--按照圖像傳感器區分
CCD相機：使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機,集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取於一體，是典型的固體成像器件。
CMOS相機：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機,將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控製器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優點。
相機--按照輸出圖像顏色區分：
單色相機：輸出圖像為單色圖像的相機。
彩色相機：輸出圖像為彩色圖像的相機。
相機--按輸出信號區分
模擬信號相機：從傳感器中傳出的信號，被轉換成模擬電壓信號，即普通視頻信號後再傳到圖像采集卡中。
數字信號相機：信號自傳感器中的像素輸出後，在相機內部直接數字化並輸出。數字相機又包含1394相機、USB相機、Gige相機、CameraLink相機等
相機--按照傳感器類型區分
麵掃描相機：傳感器上像素呈麵狀分布的相機，其所成圖像為二維“麵”圖像。
線掃描相機：傳感器上呈線狀（一行或三行）分布的相機，其所成圖像為一維“線”圖像。
相機--傳感器的尺寸：圖像傳感器感光區域的麵積大小。這個尺寸直接決定了整個係統的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數模擬相機的傳感器的長寬比例是4：3(H：V)，數字相機的長寬比例則包括多種：1：1，4：3，3：2等。
相機--像素：是成像於相機芯片的圖像的最小組成單位。以200萬像素的相機為例，滿屏有1600*1200個像素,成像於1/1.8英寸大小的CCD芯片。
相機--分辨率：由相機所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶麵排列的像元數量。通常麵陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數字表示，如：1920（H）x1080(V)，前麵的數字表示每行的像元數量，即共有1920個像元，後麵的數字表示像元的行數，即1080行。
相機--幀率和行頻：由相機的幀率/行頻表示相機采集圖像的頻率，通常麵陣相機用幀率表示，單位fps（FramePersecond），如30fps,表示相機在1秒鍾內最多能采集30幀圖像；線性相機通常用行頻表示，單位KHz,如12KHz表示相機在1秒鍾內最多能采集12000行圖像數據。
相機--快門速度（ShutterSpeed）：CCD/CMOS相機多數采用電子快門，通過電信號脈衝的寬度來控製傳感器的光積分（曝光）時間。對於一般性能的的相機快門速度可以達到1/10000-1/100000秒。
卷簾快門（RollingShutter）：多數CMOS圖像傳感器上使用的快門，其特征是逐行曝光，每一行的曝光時間不一致。
全局快門（GlobalShutter）：CCD傳感器和極少數CMOS傳感器采用的快門，傳感器上所有像素同時刻曝光。
相機--智能相機：智能工業相機是一種高度集成化的微小型機器視覺係統。它將圖像的采集、處理與通信功能集成於單一相機內，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易於實現的機器視覺解決方案。智能工業相機一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網絡通信裝置等構成。由於應用了最新的DSP、FPGA及大容量存儲技術，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機器視覺的應用需求。
鏡頭---主要參數：工業的鏡頭大都是多組鏡片組合在一起的。計算時會忽略厚度對透鏡的影響將其等效成沒有厚度的播透鏡模型，即理想凸透鏡。
參數：焦距/視場/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍數/畸變/接口
分辨率：對色彩和紋理的分辨能力。
畸變：鏡頭中心區域和四周區域的放大倍數不相同。畸變的校正一般用黑白分明的方格圖像來進行，過程並不複雜。一般如果畸變小於2%，人眼觀察不到；若畸變小於CCD的一個像素，攝像機也看不見。
鏡頭---遠心鏡頭：在測量係統中，物距常發生變化，從而使像高發生變化，所以測得的物體尺寸也發生變化，即產生了測量誤差；即使物距是固定的，也會因為CCD敏感表麵不易精確調整在像平麵上，同樣也會產生測量誤差。采用遠心物鏡中的像方遠心物鏡可以消除物距變化帶來的測量誤差，而物方遠心物鏡則可以消除CCD位置不準帶來的測量誤差。
