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机器视觉系统构成 概述 构成各部分介绍 项目开发

机器视觉系统构成 概述 构成各部分介绍 项目开发. 图像与视觉. 图像 安防监控、显微成像、医疗影像、天文观测； 航天测绘、智能交通 视觉（视 + 觉） 表面质量检测、工件尺寸测量和定位、各种标识的识别等，电子、半导体、包装、印刷 …. 机 器 （ Machine). 视 觉 （ Vision). +. 机械. 运动. 控制. 视 ( 硬件 ). 觉 ( 软件 ). 包括光源、镜头、相机、图像采集卡等。. 机器视觉（ Machine Vision).

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机器视觉系统构成 概述 构成各部分介绍 项目开发

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Presentation Transcript

  1. 机器视觉系统构成 概述 构成各部分介绍 项目开发

  2. 图像与视觉 • 图像 • 安防监控、显微成像、医疗影像、天文观测； • 航天测绘、智能交通 • 视觉（视+觉） • 表面质量检测、工件尺寸测量和定位、各种标识的识别等，电子、半导体、包装、印刷…

  3. 机 器 （Machine) 视 觉 （Vision) + 机械 运动 控制 视(硬件) 觉(软件) 包括光源、镜头、相机、图像采集卡等。 机器视觉（Machine Vision) 机器视觉是一个系统的概念，运用现代先进的控制技术、计算机技术及传感技术，表现为光机电的结合。凌云公司的口号：“致力于为机器植入眼睛和大脑！”

  4. 节省时间 • 降低生产成本 • 优化物流过程 • 缩短机器停工期 • 提高生产率和产品质量 • 减轻测试及检测人员劳动强度 • 减少不合格产品的数量 • 提高机器利用率 为什么要采用机器视觉

  5. 机器视觉应用简介 GIGI(Gauge、Inspection、Guide、dentification) 一、Gauge(Measurement)

  6. 机器视觉应用简介 二、Inspection(应用范围最广）

  7. 机器视觉应用简介 三、Guide

  8. 机器视觉应用简介 四、Identification

  9. 视觉行业发展的关键要素 从欧美、日韩及台湾视觉行业的发展能历程来看，视觉行业发展的驱动因素在于： 1、用户对于提升产品质量、保持产品一致性的需求。 2、用户对于提高生产效率、减少浪费、降低成本的要求。 视觉行业发展的关键因素在于： 1、有庞大的产业作为基础； 2、产业结构中，高附加值产品比重高； 3、设备制造商的水平（OEM）高 。

  10. 技术层面 嵌入式系统和智能相机是发展方向 1、嵌入式系统能力的提升使智能相机性能显著提升。 2、从AIA连续两年的数据来看，智能相机在所有产品 中增长最快；图像处理卡市场保持稳定。 机器视觉技术中的核心技术包括： 1、定位 2、检测 3、测量 4、识别

  11. 中国有可能成为全球视觉行业发展的主要动力 视觉行业发展的关键因素在于： 1、有庞大的产业为基础； 2、产业结构中，高附加值产品比重高； 3、设备制造商的水平（OEM）高 。 1、制造业基础 为视觉行业发展提供产业基础。 2、中国正在经历结构调整，大 部分产业也在经历由低端向 高端的调整。 巨大的潜在需求逐步释放出来。 3、装备制造业水平快速提升 为系统的广泛推广提供可能。

  12. 中国企业有可能成为推动视觉行业发展的重要力量中国企业有可能成为推动视觉行业发展的重要力量 1、对视觉技术的潜在需求强烈 有市场 2、客户价格承受能力有限 国外产品进入困难 3、中国视觉行业具备低成本优势 具备成本、价格优势 4、中国视觉行业的技术差距并不大 产品性能能满足需求

  13. 行业市场机会 对于中国视觉企业来说，市场机会在于： 1、最大限度的开发高性价比的机器视觉产品，利用价格优势有效激发国内的 潜在需求市场。 2、以广泛的市场为基础，积累研发经验，提升产品性能，在国内市场获得全 面竞争优势。 3、以高性价比产品冲击国际市场。 仿制 低价 占领 国内市场 冲击 国际市场

  14. 行业市场机会

  15. 行业发展方向 虽然，中国机器视觉行业会迎来高速发展，但是还没有一个行业可以独立支撑中国视觉行业的快速发展。 所以，在产品研发上，一方面要关注行业，继续挖掘具有垄断优势的行业。 更重要的是，要注重以应用来划分产品，寻找各行业中的共同需求，开发能够覆盖多行业类似应用的产品。 如：开发嵌入式定位系统，可应用于半导体、PCB等行业； 表面检测系统，可应用于印刷、薄膜、纺织、钢铁等。 同时，要关注那些在中国有产业基础、国外产品的高价格难以被国内用户广泛接受、国内OEM 厂商水平较高的市场。 器件研发，要紧跟中国视觉行业发展的趋势，开发能够提升中国视觉系统的性价比的产品。

  16. 中国机器视觉的发展 如何找到推动中国机器视觉发展的行业： 半导体？ 印刷？ 推动 中国机器视觉的发展 电子？ FPD? 色选？ 棉纺？

  17. 机器视觉原理简介 系统构成：

  18. 机器视觉原理简介 一、光源（光源是基准，打光是艺术） 种类：LED、萤光灯、卤素灯（光纤光源)、特殊光源 Garbage In, Garbage Out 特点：LED寿命长/可以有各种颜色/便于做成各种复杂形状/光均匀稳定/可以闪光； 萤光灯光场均匀/价格便宜/亮度较LED高； 卤素灯亮度特别高/通过光纤传输后可做成

  19. 光源为什么重要 • 好的打光方式等于成功了一大半(Garbage in，Garbage out) • 光源调制目标信息后传递探测器给（将目标想成我们自己） • 探测器所获得的光线必须包含足够的信息以便分离感兴趣的主要特征信息，并便于处理器将它们区分开来(光源是基准，打光有技巧） • 我们的目标就是最大化感兴趣区域的特征同时抑制其他的特征（噪声）

  20. + + Red MCEP-CR8 Green MCEP-CG8 Blue MCEP-CB8 Designed Color

  21. 光源选择的注意事项 影响因素： 相机的光谱响应特性、形状、打光方式（dark field, bright field, low angle, structure light)、 LED器件（颜色、发光角、 亮度、寿命等）、辅助手段（偏光片、滤光片、漫射片等） 即结构、光谱、强度、寿命、修正手段、价格等） 选择原则： 满足应用、综合考虑； 理论分析+实验；

  22. 解决问题的一般过程 • 提出问题 • 定义检测目标 • 收集制订完整的规格列表 • 可行性研究 • 这个零件是如何被肉眼看到的？ • 这个零件将如何照在其上的光的特性？ • 将自己想成是那个零件 • 概念设计 • 实验室的反复实验 • 原型机生产 • 批量生产，先进制造

  23. 机器视觉原理简介 二、镜头（低通滤波器，完成信号传递） 接口形式：C-Mount/CS-Mount/F-Mount/Others 镜头类型：标准、远心、广角、近摄、远摄等 选择依据：相机接口/物距/拍摄范围/CCD尺寸/畸变的允许范围/放大率/焦距/光圈等

  24. 2）镜头 主要参数：光圈、景深、相对孔径、视场角、口径、放大率、焦距、传函、光谱 几何光学成象公式（Basic Formula） 放大率（Magnification） 视场（Field of View） 工作距离（Working Distance） 分辨率（Resolution）

  25. 光圈与景深 • 光圈（Aperture） • 景深（Depth of Field） • 光圈越大景深越小

  26. 镜头相关参数 • 放大率 • 焦距 • 对焦范围 • f-N F数 • 失真 • 视场

  27. f-number • 收集光线的能力 • 景深 • 分辨率 • 失真

  28. 分辨率和调制传递函数MTF VB低频暗区最低亮度 。 VW低频亮区最高亮度。 Vmin频率 f处的最低亮度 。 Vmax频率 f处的最高亮度 。 低频对比度 C(0) =(VW- VB )/(VW+VB) 。 频率 f处的对比度 C( f ) =(Vmax - Vmin)/(Vmax + Vmin) 成像系统的品质通常用调制传递函数 MTF来描述，其定义如下： MTF( f )= 100%*C( f )/C(0)

  29. 分辨率和调制传递函数MTF 表征分辨率的指标是MTF。 MTF 描述的是成像系统的空间频率响应。右图为佳能镜头实例。 兰实线：镜头＋胶片的MTF； 兰虚线：镜头的MTF。

  30. 分辨率和调制传递函数MTF 由 100% 到2% 的对比度图形。MTF = 50%为中等对比度，MTF = 2% 被认为是人视觉对比度的极限，低于2% 无法分辩。

  31. 分辨率和调制传递函数MTF 系统传递函数 CCD传递函数 其中 p 为像元间距， a 为像元尺寸， k 为角频率，而 h(x) 为单位脉冲响应

  32. 分辨率和调制传递函数MTF CCD像面上，每毫米像元数的1/2称为该CCD的Nyquist 频率。 如XC－75CE，水平像元尺寸为8.6μm ，垂直像元尺寸为8.3μm。该CCD水平和垂直Nyquist 频率分别为 1000/(2×8.6)= 58 lp/mm 1000/(2×8.3)= 60 lp/mm

  33. 机器视觉光学系统 • 光学系统 • 镜头（低通滤波器，完成信号传递） • 反光镜（改变光路） • 棱镜、分光镜、聚光棒（镜） • 光源、偏光片、滤光片等

  34. 接口 主要有螺口和卡口两种 螺口：0.75（M42/M58/M72等）、C/CS(32thread/inch) 卡口：F口(Nikon)、Cannon、Petax等

  35. 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。

  36. Standard Lens Telecentric lens

  37. 机器视觉系统的构成—光学系统 远心镜头

  38. 远心镜头

  39. 远心镜头

  40. 远心镜头在机器视觉中的应用 在用于测量的机器视觉中，有一些因素影响测量精度或重复性。 a) 物体位置变化引起比例尺改变； b) 畸变 c) 投影误差 d)物体边缘测量误差大 有一种镜头可以很大程度上降低以上误差，甚至消除这些误差，这种镜头就是远心镜头。

  41. 远心镜头在机器视觉中的应用 如果一个镜头的投影中心在无穷远，称其为物方远心镜头。 物方远心镜头镜头 普通镜头

  42. 远心镜头在机器视觉中的应用 普通镜头 f = 12 mm, 相机CCD为1/3” ， 观察距离 s = 200 mm ，高为 H = 20 mm的物体。如果物体由原位置移动了s = 1mm，则高度测量值的变化为 DH=(ds/s)·H=(1/200) ·20 mm = 0,1 mm 在焦深范围内像面移动有什么影响？

  43. 远心镜头在机器视觉中的应用 远心镜头中，这种比例尺的变化取决于远心斜率。 较好的远心镜头，其远心斜率为 0,1° (1.7 mrad) 左右。这就意味着，在与前面物体同样移动 1 mm 的情况下，测量值只变化了 0,0017 mm 。

  44. 远心镜头在机器视觉中的应用 投影误差的改善

  45. 远心镜头在机器视觉中的应用 远心镜头可以改善普通镜头测量中的边缘效应 左图：普通镜头测量时，由于投影误差（物体晃动）和周围杂光的影响，测量精度降低。 左图：远心镜头可以改善由于物体晃动和周围杂光的影响，提高测量精度。

  46. 远心镜头在机器视觉中的应用 为了更大程度的消除边缘效应的影响，采用与镜头匹配的远心光路照明系统。

  47. 远心镜头在机器视觉中的应用 远心镜头的优点： • 没有视差畸变 • 是尺寸测量的理想镜头 • 可以在工作距离变化的条件下精密测量 下面的观点也是不对的： • 远心镜头景深长 • 只有远心镜头才能完成精密测量

  48. 远心镜头在机器视觉中的应用 远心光路成像是机器视觉中一个很重要的原理。但是它有一个很大的缺点，那就是远心镜头的口径至少要与需要观察的物体尺寸相等或更大。这也是为什么远心镜头非常贵的原因之一。

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