視覺測量技術(一)-視覺系統構成

視覺測量技術（一）視覺系統組成丁雅斌１、什麼是機器視覺？人類的眼睛機器視覺傳感器以光電傳感器和計算機為核心組成的能夠模擬人類視覺而完成某項工作的方法及裝備通過兩維圖像建立三維或高維真實世界的模型2、機器視覺應用目標識別與定位2、機器視覺應用質量檢測2、機器視覺應用幾何量測量高速檢測連續(xù)沖孔的沖壓零部件。滾軸的外觀檢測可使用2臺線型相機高精度檢測長尺的金屬滾軸表面缺陷零件外觀檢測軸承的外觀檢測曲面外觀檢測Rocky7火星車2、機器視覺應用導航

Rocky7視覺系統獲取的立體圖象對(a)深度圖象

(b)障礙物探測示意圖Rocky7視覺系統對場景的深度恢復

2、機器視覺應用導航2、機器視覺應用其他應用智能交通監(jiān)控三維重建遙感圖像分析（植被分析、考古發(fā)掘）醫(yī)學圖像分析（骨骼定位）安全鑒別、監(jiān)視與跟蹤（門禁系統、視頻監(jiān)控）國防系統（目標自動識別與目標跟蹤）文物保護（數字博物館）其他（游戲、動畫、體育、人機交互）…………機器視覺的一些基本概念1.平面視覺（PlanarVision）：被測對象處在平面內，只對目標在平面的信息進行測量的視覺測量與控制。2.立體視覺（StereoVision）：對目標在三維笛卡爾空間內的信息進行測量的視覺測量與控制。3.結構光視覺（StructuredLightVision）：利用特定光源照射目標，形成人工特性，由攝像機采集這些特征進行測量。結構光視覺可簡化圖像處理中的特征提取，大幅度提高圖像處理速度。4.主動視覺（ActiveVision）：對目標主動照明或者主動改變攝像機參數的視覺系統。5.被動視覺（PassiveVision）：如雙目視覺。被動視覺采用自然測量，機器視覺的一些基本概念6.視覺測量（VisionMeasure/VisualMeasure）：根據攝像機獲得的視覺信息對目標的位置和姿態(tài)進行的測量。7.手眼系統（Hand-EyeSystem）：攝像機和機械手構成的機器人視覺系統。.Eye-in-Hand：攝像機安裝在機械手末端并隨機械手一起運動

的視覺系統。

Eye-to-Hand：攝像機不安裝在機械手末端，不隨機械手運動

的視覺系統。8.視覺控制（VisionControl/VisualControl）：根據視覺測量獲得目標的位置和姿態(tài)，將其作為給定或者反饋對機器人的位置和姿態(tài)進行的控制。9.視覺伺服（VisualServo/VisualServoing）：利用視覺信息對機器人進行的伺服控制，是視覺控制的一種。3、

機器視覺檢測系統的構成1被測物體4光照系統2攝像機5攝像機-計算機接口3計算機6控制機構3.1攝像機鏡頭Lens（工業(yè)）攝像機Camera聚焦光線生成圖像攝像機照明接口3.1攝像機-Sensor攝像機的作用：將通過鏡頭聚焦于像平面的光

線生產圖像。攝像機最重要的部件：數字傳感器CCD（charge-coupleddevice）電荷耦合元件CMOS（complementarymetal-oxidesemiconductor）互補金屬氧化物半導體攝像機照明接口CCD（charge-coupleddevice）電荷耦合元件也稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導體器件，能夠把光學影像轉化為數字信號。CCD上植入的微小光敏物質稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數越多，其提供的圖像分辨率也就越高。

攝像機照明接口面陣線陣3.1攝像機-Sensor

攝像機照明接口CMOS（complementarymetal-oxidesemiconductor）互補金屬氧化物半導體3.1攝像機-Sensor

攝像機照明接口CCDVsCMOSCCDCMOS靈敏度

高低成本高低分辨率高低抗噪聲好一般功耗高低速度低高3.1攝像機-Sensor

攝像機照明接口3.1攝像機-CCD傳感器-尺寸CCD的尺寸，是說感光器件的面積大小。主要有2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。面積越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。2/3英寸的300萬像素相機效果通常好于1/2英寸的400萬像素相機(后者的感光面積只有前者的53%)。而相同尺寸的CCD，像素越多，圖像質量越好。價格越高。攝像機照明接口3.1攝像機-CCD傳感器-尺寸

攝像機照明接口3.1攝像機-鏡頭-Lens鏡頭是一種光學設備，用于聚焦光線在攝像機內部成像。鏡頭的作用是收集光線，產生銳利的圖像，以得到被測物體的細節(jié)。通常由一塊或者多塊光學玻璃或塑料組成的透鏡組，基本單元為凹透鏡、凸透鏡，或其組合攝像機照明接口瞳孔視網膜晶狀體虹膜虹膜調節(jié)瞳孔的大小，對光線大小進行控制。光線通過焦距20的晶狀體，在視網膜上成像。3.1攝像機-鏡頭Vs.人眼攝像機照明接口保證通光量Lens尺寸≥Sensor尺寸3.1攝像機-鏡頭–型號攝像機照明接口控制進光量F2.2、F2.8、F4…..光圈F值愈小，在同一單位時間內的進光量便愈多由于光學原理和制造成本的限制，攝影鏡頭在全開光圈時的像質并不是最佳的，通常在收縮光圈后，像質有明顯的改善。每個攝影鏡頭都有一個或者多個最佳光圈，在這些最佳光圈下，畫面的質量達到最好，分辨率高、反差均衡等。3.1攝像機-鏡頭–型號攝像機照明接口3.1攝像機-鏡頭–型號攝像機照明接口3.1攝像機-鏡頭–型號薄透鏡原理f:透鏡焦距長度F:透鏡焦點z’:攝像機常數攝像機照明接口3.1攝像機-鏡頭–焦距攝像機照明接口3.1攝像機-鏡頭–焦距攝像機照明接口3.1攝像機–幾種專業(yè)術語①分辨率Resolution:被檢測物體的最小特征尺寸⑦像素Pixel⑧像素分辨率

Pixelresolution:圖像上需要表達被測物體所需的最小像素個數②視野Fieldofview物體可被檢測到的區(qū)域，

換言之,它是物體填滿傳感器圖象的區(qū)域③工作距離Workingdistance從鏡頭前端到被檢測物體表面的距離攝像機照明接口3.1攝像機–幾種專業(yè)術語⑤景深Depthoffield:在整個聚焦范圍內，能夠維持清楚成像對應的最大物體的深度；也可定義為在允許聚焦的范圍內，允許物體移動的范圍。⑥圖像Image④傳感器尺寸

Sensorsize傳感器的有效面積,典型的指標是水平尺寸攝像機照明接口3.1攝像機–選型步驟1明確被測物體的測量精度要求，選擇適合的CCD尺寸和像素數目關注的要素：視野CCD尺寸像素分辨率基本要求：被測物體在某一方向上盡量充滿攝像機的視野攝像機照明接口3.1攝像機–選型步驟基本要求：被測物體在某一方向上盡量充滿攝像機的視野wfov是攝像機視野在X方向的尺寸，hfov是Y方向的尺寸w是物體X方向上的最小特征，h是Y方向上的最小特征則所需最小像素分辨率為攝像機照明接口3.1攝像機–選型步驟根據被測物體尺寸確定視野大小，進而確定所需CCD的尺寸CCD上的像素數目≥最小像素分辨率數目攝像機照明接口3.1攝像機–選型步驟1明確被測物體的測量精度要求，選擇適合的CCD尺寸和像素數目2確定相機的接口類型3確定鏡頭的焦距關注的要素：工作距離CCD尺寸視野景深CorCSorF攝像機照明接口3.1攝像機–選型步驟焦距=（CCD尺寸×工作距離）/視野如果工作距離不變，可選擇定焦鏡頭如果工作距離時變，可選擇變焦鏡頭如果被測物體本身高度變化大，即需要測量的景深大，根據最大、最小距離都可清晰成像選擇焦距范圍3.2照明攝像機照明接口1光源類型2光照技術目的：使被測物體的重要特征顯現，抑制不重要的特征名稱成本亮度穩(wěn)定性壽命溫度熒光燈低低低一般一般鹵素燈高高一般低高LED光源一般一般高高低光源類型攝像機照明接口光照技術攝像機照明接口利用有效照明使被測特征對比度最大化用環(huán)型光照皺折物體失敗用連續(xù)漫射光照皺折物體成功光照技術-反射類型攝像機照明接口鏡面反射對角直接反射光線

漫射反射所有方向漫射光線光照技術-照明的方向攝像機照明接口背光照射入射光照射光源在攝像機對面

光源在攝像機一方

光照技術-背光照射攝像機照明接口形狀測量半透明物體測量增強被測工件的邊緣輪廓

看到半透明物體的透光性（相對障礙物光的通過特性）觀察出物體表面的光潔度、顏色、發(fā)射光和不明顯的高度變化光照技術-背光照射的效果攝像機照明接口用環(huán)型光照的燈絲Lampfilamentwithringlight用背光光照的燈絲Lampfilamentwithbacklight光照技術-背光照射圖像比較攝像機照明接口

通過塑料連接器的金屬針Metalpinsthroughplasticconnector光照技術-背光照射圖像比較攝像機照明接口光照技術-入射光照攝像機照明接口入射光照射光源在攝像機一方

1、普通用途的光照(明場或暗場)GeneralPurpose-BrightorDarkField2、關于光軸的漫射光照（區(qū)域照射）DOAL-DiffusedOn-AxisLight

3、均勻光的漫（散）射（同軸照射）DOME入射光照-明場、暗場攝像機照明接口了解“W”反射光與光源角度相同。明場：光線反射后進入攝像機。暗場：光線反射后未進入攝像機。入射光照-明場、暗場攝像機照明接口對形成高對比度有益，但反光表面會生成鏡面反射

光源范圍應在照相機透鏡視野的兩倍處漫射光被反射進入照相機但鏡面反射光線被反射離開

光源在“W”之外

除有紋理的表面和凸高變化的表面之外，光線被反射而不進入照相機入射光照-明場、暗場攝像機照明接口入射光照-明場、暗場攝像機照明接口攝像機照明接口入射光照-明場、暗場攝像機照明接口入射光照-明場、暗場入射光照-明場、暗場攝像機照明接口入射光照-均勻光的漫（散）射攝像機照明接口ObjectLightsource(off-axis)入射光照-均勻光的漫（散）射攝像機照明接口用區(qū)域光照的加工表面用DOME光照的加工表面入射光照-均勻光的漫（散）射攝像機照明接口入射光照-關于光軸的漫射光照攝像機照明接口光源Lightsource物體Object漫散射器Diffuser光分束器BeamSplitter入射光照-關于光軸的漫射光照攝像機照明接口CourtesyofRVSI/NER突出光潔表面與紋理表面反射光的不同EmphasizeFinish/Texture(reflection)Differences紋理表面光照入射光照-關于光軸的漫射光照攝像機照明接口缺針的連接器入射光照-關于光軸的漫射光照攝像機照明接口CourtesyofRVSI/NER金屬軸上的激光碼入射光照-關于光軸的漫射光照攝像機照明接口傾角光照突出傾角的變化90%機器視覺應用的成功案例來自于恰當的照明.攝像機并不能看到物體；只能看到從物體表面反射過來的光。

如果攝像機無法看到部件和標記，也就無法讀取和檢測。

你應該知道：攝像機照明接口攝像機-計算機接口攝像機照明接口圖像采集卡是將模擬攝像機的圖像信號經過A/D轉換，或將數字攝像機的輸出信號，通過計算機總線傳輸到計算機內存或顯存，使計算機能對攝像機拍攝到的現場圖像進行實時處理、存儲和顯示的硬件設備。攝像機-計算機接口攝像機照明接口模擬信號經A/D轉換，傳輸至內存的圖像相機“看”到的圖像攝像機-計算機接口攝像機照明接口傳統數字信號（RS-422,LVDS)CameraLinkIEEE1394(Firewire)USBGigabitEthernet數字接口-LVDS攝像機照明接口優(yōu)點：高速，可靠性高，傳輸距離遠，支持多相機連接。缺點：管腳定義不統一，兼容性差，電纜成本高。LVDS是一個低波動、差分I/O技術的高速接口。每線對最大傳輸率為655Mb/s。數字接口-CameraLink攝像機照明接口13對線（其中有6線對數據線），使得接插件的尺寸更加的小巧。允許相機設計的體積更小。更高的傳輸速率。采用ChannelLink芯片組(支持速率達2.3Gb/s)滿足對數據傳輸速率越來越高的要求。集成有串口通訊協議。數字接口-USB攝像機照明接口接口是4芯，其中2根為電源線、2根為信號線，接口體積小，可熱拔插，可真正實現即插即用，適合傳送多媒體數據的傳送模式，連接方便。USB2.0向下兼容USB1.1、USB1.0，數據的傳輸率可以達到120Mbps～480Mbps。傳輸距離短，0.6米。數字接口-IEEE1394攝像機照明接口兩種接口標準，一種是6針接口，另一種是4針接口。6針接口可以從端口獲得電源，以給那些無法自己供電的產品提供電源。1394A傳輸速率為400Mb/s，1394B可達800Mb/s。不需要控制器，可以實現對等傳輸，最大連線4.5米，大于4.5米可采用中繼設備。支持即插即用。它是目前唯一支持數字攝錄機的總線。數字接口-GigabitEthernet攝像機照明接口帶寬可達到1000Mbps，圖像可以無損失實時傳輸。最遠可傳輸100米。標準的網絡連接器，電纜線成本低。帶寬易于升級，包括10M,100M,1000M等，在工業(yè)機器視覺中將被廣泛應用。數字接口-

比較攝像機照明接口GigE1394USBCameraLink帶寬<1000Mb/s125MBytes<400Mb/s50MBytes<12Mb/sUSB1<480Mb/sUSB260MBytes<2380Mb/s(base)<7140Mb/s(full)890MBytes距離<10