视觉检测技术.ppt

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（1）零件的识别与定位,领域：

工业、农业、航天、军事等,1、工业检测,例：

双目立体视觉检测系统简单视觉的机器人系统,自动连接引线、对准芯片和封装；,自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自动浇注系统等。

视觉检测技术,一、应用,

（2）零件尺寸的在线测量,（3）零件外观及内部缺陷检测,芯片定位,芯片管脚检测,钢板厚度的在线测量,（4）产品分类、分组,（5）产品标识、编码识别,苹果分级、分色、配色,商品条码、印鉴、标签,“手-眼”定位：

两个摄像机-两幅平面图像-三维场景信息,用于：

目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人,实例：

美国Sojourner系列和Rocky系列火星探测移动机器人,2、机器人导航,“机遇”号火星车拍摄火星土壤的显微照片,“勇气”号火星车发回的彩色照片,美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人,3、生物医学图像分析,

（1）医学临床诊断：

X射线、B超、CT、核磁共振（MRI）,医学影像融合分析,细胞个数统计,CT图像,自动检测：

染色体切片、癌细胞切片、超声波图象,三维人体扫描,

（2）生物图像分析：

形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析,叶片细胞显微放大图片,转基因大豆孢子,例：

水果分类；发芽土豆；杂草识别,4、遥感图像分析：

卫星遥感图像-气象卫星（红外成象-云图-气象状况）资源卫星（多光谱成象-地质、矿藏、森林、灾害）海洋卫星（合成孔径雷达成象-海洋、海浪、海滩）,航空摄影图像-（多目成象-大地测量、测绘）,交通-车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测,安全-指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）,监视-超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视,6、军事与国防：

5、监控、安防、交通管理：

超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象,7、办公与家电：

办公设备-数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器-数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃,二、视觉系统的一般构成,工作原理：

光敏感元件电（光电元件）,传感器：

单目视觉：

一个摄像组件（镜头+摄像机）多目视觉：

多个摄像组件（镜头+摄像机）,图像采集部分、图像处理部分、通信和I/O部分以及输出和执行机构,图像采集系统：

可视化图像或特征数据,图像质量好图像处理简单、结果理想图像质量差图象处理麻烦、结果不理想,由光源、镜头、摄像机、图像采集卡等构成,1、眼睛的结构及成像,人类视觉眼睛计算机视觉图像输入系统,晶状体镜头；视网膜像敏面；,远物体晶状体扁平屈光能力小距离大（最大17mm）近物体晶状体厚屈光能力大距离小（最小14mm）,物体,光谱,-紫外可见光红外,2、电磁波谱,可见光谱,1、光源,

（1）光源的作用：

使视场具有足够照度-整体亮度、突出特征量,满足一定的投影关系-位置变化、成像质量,满足一定的滤光要求-区别、对比度,选择：

几何形状、照明亮度、均匀度、光谱特性，发光效率、使用寿命,

（2）光源的种类：

自然光源,-天体（地球、太阳、星体）、大气,三、图像采集系统,按发光机理：

荧光灯、卤素灯、气体放电灯、发光二极管（LED）、激光二极管LD,白炽光源：

器件：

白炽灯-钨丝（熔点3600K）,特点：

谱线丰富（可见光+红外光）,应用：

滤色片窄带频率光，避免杂光干扰仪器,气体放电光源：

原理：

气体分子激发放电（电弧灯）,器件：

碳弧灯、钠弧灯、氙弧灯、水银弧灯,特点：

功率大，光色接近日光，紫外线丰富,应用：

强光、色温要求接近日光,人工光源：

卤钨灯-改进的白炽灯（碘、溴）,特点-亮度高、发光效率高、体积小、成本低,发光二极管：

激光光源：

原理：

半导体，电致发光,器件：

LED，可见光、红外光,体积小、功耗低、寿命长、响应快、易于数字控制、比普通光源单色性好、亮度高,应用：

电路（信号）、仪器面板（提示、报警、状态显示）,原理：

特点：

外界光光原子能级跃迁受激辐射光放大谐振辐射激光,方向性好-发散角很小（约0.18），比普通光小23数量级亮度高-能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍单色性好-光谱范围极小，频率单一；（He-Ne激光:

=632.8nm,=10-6nm）相干性好-受激辐射，传播方向/振动方向/频率/相位一致时间相干性、空间相干性均好,器件：

固体激光器-体积小，坚固，功率高红宝石、（少用）,气体激光器-小巧、单色性好、能连续工作、功率小氦氖、CO2,液体激光器-激光波长可连续调节（范围）染科,半导体激光器-效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性,特点：

LED光源的种类（形状）：

面光源-专用,线光源,b.按安装方式：

光源放在物体的后面便于安装,结构光照明：

被测物在光源和摄像机之间-对比度好,频闪光照明：

点光源-发光二极管,背向照明：

前向照明：

光源有特定的方向，光束有精确的形状。

-光栅或线光源畸变三维形状,高频率的光脉冲-高速运动物体,其中LED光源凭借其诸多的优点在现代视觉系统中得到越来越多的应用。

2、光学系统,成像物镜+光电器件,照相摄影系统：

组成：

显微系统,NIKON测量显微镜,望远系统,投影系统,数字式测量投影仪,相当于人眼的晶状体,没有镜头，摄像机不能采集到任何图像。

输出被噪声淹没,成像：

聚焦：

变焦：

改变镜头的焦距-改变成象大小（人眼所不具备的功能）,

（1）作用：

曝光：

a、摄影镜头,当镜头成像平面不在摄像机像面上时，输出图像模糊不清-调整镜头的位置，改变CCD与镜头基准面的距离,改变光积分时间/曝光量-改变灰度（人眼所不具备的功能）,

（2）镜头的主要指标：

焦距：

焦距小（短），视场角大，观察范围大，但远处物体分辨不很清楚,焦距大（长），视场角小，观察范围小，很远的物体也能看清楚,焦距的大小决定着视场角的大小。

选择焦距：

观测范围是要观测细节，还是要较大的观测范围,焦距的计算：

f=vD/Vf=hD/H,选择比计算值小的固定焦距，则视角还会大一些,近距离大场面小焦距广角；远处细节大长焦,焦距大小：

几毫米数米,光圈：

（光圈指数、光阑系数），表示光通量大小，用F表示，F数,光圈指数序列的标值：

1.4，2，2.8，4，5.6，8，11，16，22等，,安装方式：

方式-C式和CS式两种，差别是镜头和CCD像面的距离不同，,-螺纹连接,专用接圈-C式镜头比CS式镜头多一个专用接圈的长度，,以镜头焦距f和通光孔径D的比值来衡量：

F=f/D（镜头标明）,C式安装座从基准面到焦点的距离为17.562毫米，CS式安装座从基准面到焦点距离为12.5毫米。

镜头上标注-焦距、光圈确定镜头,光通量与F值的平方成反比关系，F值越小，光通量越大。

摄影镜头-螺距为1英寸32牙，直径为1英寸（英制）,照相镜头-M421（直径为42mm，螺距为1mm）,单板式CCD镜头-M120.5（直径为12mm，螺距为0.5mm）,（3）镜头的种类：

按焦距大小分类：

按变焦方式分类：

按光圈方式分类：

固定光圈镜头、手动变光圈镜头、自动变光圈镜头,按安装方式分类：

分为普通安装镜头、隐蔽安装镜头（针孔镜头）,分为广角镜头、标准镜头、长焦距镜头,固定焦距镜头、手动变焦距镜头、电动变焦距镜头,固定焦距镜头-固定视场大小和距离，,手动变焦镜头-偶尔改变观察范围和目标大小,电动变焦镜头-经常性改变观察范围，变焦范围大，既可以看大范围，也可以聚焦某个细节。

固定光圈镜头-固定场景和目标，亮度不变，用于光线变化大且频繁的场合。

手动变光圈镜头-适合亮度变化不大的场合（光圈环）一次性调整合适为止，不变,自动变光圈镜头-会随着光线的变化而自动调整，,按变焦倍数：

2倍变焦、6倍变焦、10倍变焦、20倍变焦等。

按用途分类：

照相镜头、摄影镜头、单板式CCD镜头,b、光电器件,

（1）外光电效应及其器件,外光电效应,特点：

速度快-从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。

需足够光能-光子能力表面溢出功,原理：

光阴极光电子阳极空间电子流外接电阻压降U=f（I）,原理：

光物体表面光电子发射,光电管,应用：

足够的光强，高速-光电开关,特点：

简单，灵敏度低（充入惰性气体气体轰击自由电子）,光电倍增管,原理：

光阴极光电倍增极阳极电流,应用：

开关测量光电开关，计数,

（2）内光电效应,原理：

光电导效应：

器件：

光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管,原理：

光电子-空穴对导电性电阻,光生伏特效应:

原理：

光PN结（无偏置）电子N,空穴P电动势,器件：

光电池（硅，锗）,特点：

光电流大，灵敏度高倍增率=n,-单极倍增率（36）n-倍增极数（414）,光半导体电子吸收能量跃迁电子-空穴对,光敏电阻：

原理：

电阻器件，加直流偏压，无极性无光照-电子-空穴对很少-电阻大（暗电阻）有光照-电子-空穴对增多-导电性增强,特点：

灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定批量生产，价格便宜,应用：

工业自动化-开关元件，快速响应家电-（感应式节能灯：

判断照度）,特性：

光照特性为非线性，光谱特性存在单峰，动态特性好,光照特性,结构：

金属封装-防潮,光谱特性,动态特性,光敏二极管（光电二极管,PD:

Photo-Diode）,原理：

半导体PN结-无光时-高阻特性，微弱电流暗电流，A；光照时-电子N,空穴P光电流光照愈强-光电流愈大,光照特性,光敏三极管（光电三极管,PT:

Photo-Triode）,原理：

光敏二极管（bc结）+三极管,应用：

线性转换元件，开关元件，,特点：

灵敏度高于光敏二极管，,特性：

光照特性-灵敏度和线性好，光谱特性-单峰性,光谱特性,特性：

光照特性-灵敏度高于光敏二极管，线性好光谱特性-单峰性动态特性-响应速度低于光敏二极管,应用：

线性转换元件，开关元件,高速光电二极管,PIN结光电二极管（PIN-PD）：

I-高电阻率的本征半导体响应速度快，灵敏度高，线性好，用于光通讯，光测量,光谱特性,动态特性,雪崩光电二极管：

PN+P+APD响应速度快，灵敏度高，线性差，用于光通讯脉冲编码,连接方式：

开路电压输出-（a）短路电流输出-（b）,特性：

光照特性-开路电压输出：

非线性（电压-光强），灵敏度高短路电流输出：

线性好（电流-光强），灵敏度低光谱特性-硅电池：

0.51.2m（红-红外），峰值0.8m（近红外）锗电池：

0.30.7m（紫-红），峰值0.5m（绿）,光电池,原理：

光PN结电子N,空穴P电动势光电能光电池（硅电池：

单晶硅）,特点：

有源器件，轻便、简单、无污染，动态特性好（硅）工作于可见光波段-太阳能电池,应用：

宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表（计算器）-开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）,四象限光电池,位置敏感器件（PSD-PositionalSensingDevice）,原理：

光光电二极管空穴由N向P移动空穴1端I1空穴2端I2,说明：

对于各种光电元件：

（1）暗电流：

无光照时输出电流热噪声

（2）温度特性：

温度灵敏度、光谱特性降温、恒温、温度补偿（3）器件材料：

硅好于锗,原理：

集成4光电池-四象限光斑4分量I1、I2、I3、I4；,应用：

二维位置检测，准直,固态摄像器件：

电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice）-CCD,比值：

应用：

位置检测（一维、二维）,比值：

（1）CCD的种类：

3、CCD摄像机,按成象器件分类：

线阵CCD、面阵CCD,按颜色分类：

黑白摄像机、彩色摄像机,按输出信号分类：

模拟式、数字式,黑白摄像机：

信息量小，时间、空间少彩色摄像机：

信息量大，时间、空间多,线阵CCD：

一行，扫描；体积小，价格低；面阵CCD:

整幅图像；直观；价格高，体积大；,按扫描方式分类：

逐行扫描、隔行扫描,逐行扫描：

高速运动，避免边缘模糊,数字摄像机-电子快门,曝光时间:

1/50s、1/