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机器视觉基础知识详解
机器视觉基础知识详解
随着工业4.0时代的到来，机器视觉在智能制造业领域的作用越来越重要，为了能让更多用户获取机器视觉的相关基础知识，包括机器视觉技术是如何工作的、它为什么是实现流程自动化和质量改进的正确选择等。
小编为你准备了这篇机器视觉入门学习资料。
机器视觉是一门学科技术，广泛应用于生产制造检测等工业领域，用来保证产品质量，控制生产流程，感知环境等。
机器视觉系统是将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
机器视觉优势：
机器视觉系统具有高效率、高度自动化的特点，可以实现很高的分辨率精度与速度。
机器视觉系统与被检测对象无接触，安全可靠。
人工检测与机器视觉自动检测的主要区别有：
为了更好地理解机器视觉，下面，我们来介绍在具体应用中的几种案例。
案例一：
机器人+视觉自动上下料定位的应用：
现场有两个振动盘，振动盘1作用是把玩偶振动到振动盘2中，振动盘2作用是把玩偶从反面振动为正面。
该应用采用了深圳视觉龙公司VD200视觉定位系统，该系统通过判断玩偶正反面，把玩偶处于正面的坐标值通过串口发送给机器人，机器人收到坐标后运动抓取产品，当振动盘中有很多玩偶处于反面时，VD200视觉定位系统需判断反面玩偶数量，当反面玩偶数量过多时，VD200视觉系统发送指令给振动盘2把反面玩偶振成正面。
该定位系统通过玩偶表面的小孔来判断玩偶是否处于正面，计算出玩偶中心点坐标，发送给机器人。
通过VD200视觉定位系统实现自动上料，大大减少人工成本，大幅提高生产效率。
案例二：
视觉检测在电子元件的应用：
此产品为电子产品的按钮部件，产品来料为料带模式，料带上面为双排产品。
通过对每个元器件定位后，使用斑点工具检测产品固定区域的灰度值，来判断此区域有无缺胶情况。
该应用采用了深圳视觉龙公司的DragonVision视觉系统方案，使用两个相机及光源配合机械设备，达到每次检测双面8个产品，每分钟检测大约1500个。
当出现产品不良时，立刻报警停机，保证了产品的合格率和设备的正常运行，提高生产效率。
案例三：
啤酒厂采用的填充液位检测系统案例：
当每个啤酒瓶移动经过检测传感器时，检测传感器将会触发视觉系统发出频闪光，拍下啤酒瓶的照片。
采集到啤酒瓶的图像并将图像保存到内存后，视觉软件将会处理或分析该图像，并根据啤酒瓶的实际填充液位发出通过-未通过响应。
如果视觉系统检测到一个啤酒瓶未填充到位，即未通过检测，视觉系统将会向转向器发出信号，将该啤酒瓶从生产线上剔除。
操作员可以在显示屏上查看被剔除的啤酒瓶和持续的流程统计数据。
机器视觉的应用领域:
•识别
标准一维码、二维码的解码
光学字符识别（OCR）和确认（OCV）
•检测
色彩和瑕疵检测
零件或部件的有无检测
目标位置和方向检测•测量
尺寸和容量检测
预设标记的测量，如孔位到孔位的距离
•机械手引导
输出空间坐标引导机械手精确定位
机器视觉系统的分类
•智能相机
•基于嵌入式
•基于PC
机器视觉系统的组成
•图像获取：
光源、镜头、相机、采集卡、机械平台
•图像处理与分析：
工控主机、图像处理分析软件、图形交互界面。
•判决执行：
电传单元、机械单元
光源---光路原理
照相机并不能看见物体，而是看见从物体表面反射过来的光。
镜面反射：
平滑表面以对顶角反射光线
漫射反射：
粗糙表面会从各个方向漫射光线
发散反射：
多数表面既有纹理，又有平滑表面，会对光线进行发散反射
•光源---作用和要求
在机器视觉中的作用
照亮目标，提高亮度
形成有利于图像处理的效果
克服环境光照影响，保证图像稳定性
用作测量的工具或参照
良好的光场设计要求
对比度明显，目标与背景的边界清晰
背景尽量淡化而且均匀，不干扰图像处理
与颜色有关的还需要颜色真实，亮度适中，不过曝或欠曝；
•光源---光场构造
明场：
光线反射进入照相机
暗场：
光线反射离开照相机
•光源---构造光源
使用不同照明技术对被测目标会产生不同的影响，以滚珠轴承为例：
•相机
种类：
线&面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高、CCD/CMOS
指标：
象元尺寸、分辨率、靶面大小、感应曲线、动态范围、灵敏度、速度噪声、填充因子、体积、质量、工作环境等
工作模式：
Freerun、Trigger（多种）、长时间曝光等
传输方式：
GIGE，Cameralinker,模拟
•相机--按照图像传感器区分
CCD相机（ChargeCoupledDevice）：
使用CCD感光芯片为图像传感器的相机,集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。
CMOS相机（ComplementaryMetalOxideSemiconductor）：
使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机,将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。
•相机--按照输出图像颜色区分：
单色相机：
输出图像为单色图像的相机。
彩色相机：
输出图像为彩色图像的相机。
•相机--按输出信号区分
模拟信号相机：
从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信号后再传
到图像采集卡中。
数字信号相机：
信号自传感器中的像素输出后，在相机内部直接数字化并输出。
数字相机
又包含1394相机、USB相机、Gige相机、CameraLink相机等
•相机--按照传感器类型区分
面扫描相机：
传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图像为二维“面”图像。
线扫描相机：
传感器上呈线状（一行或三行）分布的相机，其所成图像为一维“线”图像。
•相机--CMOSVSCCD
CCD
CMOS
串行处理
并行处理
光线灵敏度高，图像对比度高
光线灵敏度低，图像对比度低，高动态范围
低噪声
存在固定模式噪音
集成度较低
高集成度，芯片上集成了很多功能
取图速度慢，帧率低
取图速度块，帧率高
功耗一般
功耗较低
成本较高
成本低
•相机--传感器的尺寸
图像传感器感光区域的面积大小。
这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。
如：
1/3“、1/2”等。
绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4：
3（H：
V），数字相机的长宽比例则包括多种：
1：
1，4：
3，3：
2等。
•相机--像素
是成像于相机芯片的图像的最小组成单位。
以200万像素的相机为例，满屏有1600*1200个像素,成像于1/1.8英寸大小的CCD芯片。
•相机--分辨率
由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。
通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：
1920（H）x1080（V），前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元，后面的数字表示像元的行数，即1080行。
•相机--帧率和行频
由相机的帧率/行频表示相机采集图像的频率，通常面阵相机用帧率表示，单位fps（FramePersecond），如30fps,表示相机在1秒钟内最多能采集30帧图像；线性相机通常用行频表示，单位KHz,如12KHz表示相机在1秒钟内最多能采集12000行图像数据。
•相机--快门速度（ShutterSpeed）
CCD/CMOS相机多数采用电子快门，通过电信号脉冲的宽度来控制传感器的光积分（曝光）时间。
对于一般性能的的相机快门速度可以达到1/10000-1/100000秒。
卷帘快门（RollingShutter）：
多数CMOS图像传感器上使用的快门，其特征是逐行曝光，每一行的曝光时间不一致。
全局快门（GlobalShutter）：
CCD传感器和极少数CMOS传感器采用的快门，传感器上所有像素同时刻曝光。
•相机--智能相机
智能工业相机是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。
它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。
智能工业相机一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成。
由于应用了最新的DSP、FPGA及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需求。
•镜头---主要参数
工业的镜头大都是多组镜片组合在一起的。
计算时会忽略厚度对透镜的影响将其等效成没有厚度的播透镜模型，即理想凸透镜。
参数：
焦距/视场/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍数/畸变/接口
分辨率：
对色彩和纹理的分辨能力。
畸变：
镜头中心区域和四周区域的放大倍数不相同。
畸变的校正一般用黑白分明的方格图像来进行，过程并不复杂。
一般如果畸变小于2%，人眼观察不到；若畸变小于CCD的一个像素，摄像机也看不见。
•镜头---分类
CCTV镜头
专业摄影镜头
远心镜头
•镜头---远心镜头
在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样也会产生测量误差。
采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。
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