機器視覺基礎(chǔ)知識

中國大恒（集團）有限公司北京圖像視覺技術(shù)分公司主講人：陳欣機器視覺系統(tǒng)概述提綱機器視覺系統(tǒng)概述照明光源鏡頭工業(yè)攝像機機器視覺系統(tǒng)機器視覺是一門技術(shù)，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)制造等行業(yè)?？捎脕肀ＷC產(chǎn)品質(zhì)量、控制生產(chǎn)流程、感知環(huán)境等。機器視覺系統(tǒng)是基于機器視覺技術(shù)為機器或自動化生產(chǎn)線建立的一套視覺系統(tǒng)。機器視覺vs人類視覺人類視覺機器視覺適應(yīng)性適應(yīng)性強，可在復(fù)雜及變化的環(huán)境中識別目標(biāo)適應(yīng)性差，容易受復(fù)雜背景及環(huán)境變化的影響智能具有高級智能，可運用邏輯分析及推理能力識別變化的目標(biāo)，并能總結(jié)規(guī)律雖然可利用人工智能及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但智能很差，不能很好地識別變化的目標(biāo)彩色識別能力對色彩的分辨能力強，但容易受人的心理影響，不能量化受硬件條件的制約，目前一般的圖像采集系統(tǒng)對色彩的分辨能力較差，但具有可量化的優(yōu)點灰度分辨力差，一般只能分辨64個灰度級強，目前一般使用256灰度級，采集系統(tǒng)可具有10bit、12bit、16bit等灰度級機器視覺vs人類視覺人類視覺機器視覺空間分辨力分辨率較差，不能觀看微小的目標(biāo)目前有4K×4K的面陣攝像機和12K的線陣攝像機，通過備置各種光學(xué)鏡頭，可以觀測小到微米大到天體的目標(biāo)速度0.1秒的視覺暫留使人眼無法看清較快速運動的目標(biāo)快門時間可達(dá)到10微妙左右，高速像機幀率可達(dá)到1000以上，處理器的速度越來越快感光范圍400nm-750nm范圍的可見光從紫外到紅外的較寬光譜范圍，另外有X光等特殊攝像機環(huán)境要求對環(huán)境溫度、濕度的適應(yīng)性差，另外有許多場合對人有損害對環(huán)境適應(yīng)性強，另外可加防護裝置機器視覺系統(tǒng)作用機器視覺技術(shù)功能縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場時間100%檢測100%質(zhì)量保證提高產(chǎn)量集成化生產(chǎn)精確測量改進(jìn)生產(chǎn)流程及時過程監(jiān)控機器視覺應(yīng)用領(lǐng)域高速檢測精確機器人導(dǎo)航定位及配準(zhǔn)裝配檢測PCB檢測表面檢測紋理分析遙感醫(yī)學(xué)圖像分析測量一維碼讀取OCR&OCV匹配印刷檢測Blob分析機器視覺應(yīng)用領(lǐng)域光學(xué)行業(yè)紙制品藥物照相學(xué)和遙感印刷鐵路運輸監(jiān)控航空宇航造船無線通信交通木材等等半導(dǎo)體汽車制造制陶業(yè)化學(xué)業(yè)電子部件及設(shè)備食品業(yè)玻璃業(yè)生命科學(xué)醫(yī)學(xué)鋼鐵礦業(yè)機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成——模擬相機光源CCD/CMOS圖像傳感器鏡頭被測物體模擬視頻流攝像機圖像采集卡圖像內(nèi)存中數(shù)字圖像應(yīng)用結(jié)果孔半徑1233.147mm3.052mm2.785mm機器視覺軟件FGI/O機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成——數(shù)字?jǐn)z像機光源CCD/CMOS圖像傳感器鏡頭被測物體圖像數(shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)z像機（USB/1394a/1394b/GigE/CameraLink）圖像內(nèi)存中數(shù)字圖像應(yīng)用結(jié)果孔半徑1233.147mm3.052mm2.785mm機器視覺軟件FGI/O機器視覺系統(tǒng)構(gòu)成——智能攝像機光源CCD/CMOS圖像傳感器鏡頭被測物體模擬圖像數(shù)據(jù)智能攝像機圖像內(nèi)存中數(shù)字圖像應(yīng)用結(jié)果孔半徑1233.147mm3.052mm2.785mm機器視覺軟件FGI/O機器視覺市場機器視覺系統(tǒng)中部件包括：光源、工業(yè)攝像機、圖像采集卡、鏡頭、圖像處理設(shè)備等。機器視覺市場包括:部件生產(chǎn)商代理商系統(tǒng)集成商機器視覺系統(tǒng)組件——照明光源照明光源機器視覺系統(tǒng)——照明光源分類高頻熒光燈鹵素?zé)鬖ED燈機器視覺系統(tǒng)——照明光源對比LED光源特點可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度；可根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時調(diào)節(jié)亮度；通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩(wěn)定；使用壽命長（約3萬小時，間斷使用壽命更長）；反應(yīng)快捷，可在10us或更短的時間內(nèi)達(dá)到最大亮度；電源帶有外觸發(fā)，可以通過計算機控制，起動速度快，可以用作頻閃燈；運行成本低、壽命長的LED，會在綜合成本和性能方面體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢；可根據(jù)客戶的需要，進(jìn)行特殊設(shè)計。光源選型對成像影響實例照明技術(shù)：亮視野與暗視野暗視野亮視野雜散光雜散光直射光直射光照明技術(shù)：低角度照明常應(yīng)用于檢測平滑表面上變化的部分

如：劃痕、刀痕、邊緣低角度照明應(yīng)用實例照明技術(shù)：前向光直射照明前向光直射照明示例照明技術(shù)：前向光漫射照明前向光漫射照明示例前向光漫射照明示例照明技術(shù)：背光照明背光照明示例TCLTCLTCI照明技術(shù)：顏色與補色照射物白色光(混合色)藍(lán)色其它顏色被吸收顏色與補色示例白光紅光藍(lán)光綠光照明技術(shù)：偏光技術(shù)應(yīng)用偏光板偏光鏡片光源A光源B偏光技術(shù)應(yīng)用實例照明技術(shù)：防外亂光技術(shù)應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)組件——鏡頭鏡頭成像尺寸焦距與視場角焦距與視場角例如：使用HV1303UM拍攝視野為440mm*330mm拍攝距離為2500mm常用公式放大率物距像距焦距物高像高鏡頭分辨率分辨率單位：lp/mm影響因素：

鏡頭結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工精度

鏡頭的相對孔徑越大，分辨率越高

光波長度，波長越短分辨率越高

視場中心較邊緣分辨率高

同檔次的固定焦距鏡頭較變焦鏡頭分辨率高

短焦鏡頭一般邊緣分辨率較中心低，長焦鏡頭一般中

心較邊緣分辨率低。理想光學(xué)系統(tǒng)的最小分辨距離b=(0.61λ)/nsinωmax其中，λ為光的波長n為像空間介質(zhì)折射率ωmax為像方孔徑角當(dāng)鏡頭對無限遠(yuǎn)成像，且像方為空氣時（近似計算公式）

b=1.22λF其中，F(xiàn)為光圈數(shù)遠(yuǎn)心鏡頭鏡頭選型分辨率焦距光圈景深成像尺寸視場角遠(yuǎn)心畸變機器視覺系統(tǒng)組件——工業(yè)攝像機工業(yè)攝像機工業(yè)攝像機分類按不同芯片類型劃分：1、CCD攝像機2、CMOS攝像機CCDSensor—FullFrameArraySensorOutput(Amplifier)Serialreadoutregister優(yōu)點：填充因子(fillfactor)可以達(dá)到非常高，甚至達(dá)到100%。這樣Sensor靈敏度非常大。缺點：由于傳輸和讀出使用的時鐘相同，因此Sensor上面的部分曝光時間比下面的長，這會造成Smear現(xiàn)象。為了解決這個問題，必須使用機械快門或閃光燈。CCDSensor—FrameTransferSensor解決了FullFrameArraySensor發(fā)生Smear現(xiàn)象的問題從感光部分轉(zhuǎn)移到屏蔽存儲區(qū)域的時間約為500us優(yōu)點：在曝光時間較長的情況下，Smear現(xiàn)象比FullFrameArraySensor小很多缺點：由于需要兩個Sensor，因此成本非常高LightsensitiveCCD-sensorShieldedmemoryareaReadoutregister...............................CCDSensor—InterlineTransferSensors轉(zhuǎn)移時間約為1us，因此完全不存在Smear現(xiàn)象。優(yōu)點：由于轉(zhuǎn)移時間非常短，因此不需要使用機械快門或閃光燈缺點：由于屏蔽區(qū)占用了Sensor的部分面積，因此使得此種傳感器填充因子只能在20%~70%添加微鏡頭可以增加填充因子HorizontalshiftregistersverticalshiftregisterShielded(Photodiodes)SensorelementsOutput(Amplifier)Electronicshutter&MicroLensesOverflowDrain主要用來消除CCDSensor的Blooming現(xiàn)象它也被用來實現(xiàn)電子快門通過MicroLenses可以將傳感器的填充因子提高。CCD可以從80%提高到約100%CMOS可以從30%提高到約80%CMOSSensorAOI由于CMOS可直接訪問單個像素，因此在AOI非常小的情況下，CMOS與CCD相比，幀率上有較大的優(yōu)勢。CMOS

Sensor甚至可以將A/D轉(zhuǎn)換集成到每個像素中去，在不使用AOI時幀率上也有優(yōu)勢CCDvsCMOSCCDCMOS優(yōu)1.圖像質(zhì)量高2.靈敏度高3.對比度高1.體積小2.片上數(shù)字化3.很多片上處理功能4.低功耗5.沒有Blooming現(xiàn)象6.直接訪問單個像素7.高動態(tài)范圍（120dB）8.幀率可以更高劣1.Blooming2.不能直接訪問每個像素3.沒有片上處理功能1.一致性較差2.光靈敏度差3.噪聲大CCDvsCMOSCCDCMOS串行處理并行處理，可直接訪問單像素線性度好高動態(tài)范圍低噪聲存在固定模式噪聲功耗一般功耗較低集成度較低高集成度，芯片上集成了很多功能InterlacedScanvsProgressiveScanInterlacedScanProgressiveScanRollingShuttervsGlobalShutterRollingShutterGlobalShutter

彩色攝像機1.Bayer2.3CCD3.3Lines4.…………

彩色攝像機效果對比3CCDRawImageBayerDifference工業(yè)攝像機接口類型模擬接口CameraLink1394a1394bUsb2.0GigEEthernet……工業(yè)攝像機接口類型CameraLinkUsb2.01394a1394bGigEEthernet速度Base:1.5GbpsMedium:3.8GbpsFull:5.1Gbps480Mbps400Mbps800Mbps1000Gbps100Mbps距離10m5m4.5m4.5m100m100m優(yōu)勢1.帶寬高2.有帶預(yù)處理功能的采集設(shè)備3.抗干擾能力強1.易用2.價格低3.多相機1.易用，價格低，多相機2.傳輸距離遠(yuǎn)，實際線纜可達(dá)到17.5m，光纖傳輸可達(dá)100m3.有標(biāo)準(zhǔn)DCAM協(xié)議4.CPU占用最低1.易用，價格低，多相機2.傳輸距離遠(yuǎn)，線纜價格低3.標(biāo)準(zhǔn)GigEVision協(xié)議1.易用，價格低2.傳輸距離遠(yuǎn)，線纜價格低缺點1.價格高2.線中不帶供電1.無標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議2.CPU占用高1.長距離傳輸線纜價格稍貴1.CPU占用高2.對主機配置要求高3.有時存在丟包現(xiàn)象1.無標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議2.帶寬過低3.CPU占用過高PCIvsPCI-EPCI-32PCI-64PCI-Express速度133MBps266MBps1x266MBps2x266*2MBps4x266*4MBps8x16x32x8.25GBpsPCIExpress采用的是點對點通信機制，各個插槽都將通過各自獨享的通道發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，這樣就可以避免出現(xiàn)不同設(shè)備同時爭搶系統(tǒng)和CPU資源的情況。同步采集vs異步采集工業(yè)攝像機選型1.根據(jù)攝像機拍攝的視野以及系統(tǒng)需要達(dá)到的精度選擇分辨率2.根據(jù)拍攝對象運動與否選擇合適相機3.根據(jù)生產(chǎn)線速度選擇合適幀率4.根據(jù)相機接口類型以及相機數(shù)量選擇合適的采集卡例如：某視覺檢測系統(tǒng)需要兩個檢測工位拍攝過程中工件不停止。兩個工位視野相同，均為400mm*300mm。要求檢測精度達(dá)到0.4mm以上。檢測速度大于每分鐘1000工件?；仡櫤唵谓榻B了機器視覺系統(tǒng)以及機器視覺系統(tǒng)中幾個重要的組成部分，包括光源、鏡頭和攝像機。后面的培訓(xùn)中將按照產(chǎn)品類型進(jìn)行詳細(xì)介紹。并且將細(xì)致地介紹與某產(chǎn)品類型相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)。如模擬相機、1394傳輸協(xié)議、GigE傳輸協(xié)議、各種光源選型、HALCON功能介紹等等。ThankYouForYourAttention!附錄資料：不需要的可以自行刪除節(jié)能與新能源汽車

--純電動汽車目錄1概述2新能源汽車現(xiàn)狀

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純電動汽車技術(shù)原理及優(yōu)勢4純電動汽車商業(yè)模式簡介5遠(yuǎn)期展望概述基本概念以內(nèi)燃機為主要動力系統(tǒng)，綜合利用各種技術(shù)降低油耗的叫節(jié)能汽車。

“新能源汽車”是指采用新型動力系統(tǒng)，使用非石油燃料的汽車。規(guī)劃中的新能源汽車主要是指純電動汽車、插電式混合動力汽車、燃料電池汽車。純電動汽車是以電池為儲能單元，以電動機為驅(qū)動系統(tǒng)的車輛。純電動汽車的特點：結(jié)構(gòu)相對簡單，生產(chǎn)工藝相對成熟。新能源汽車現(xiàn)狀國外政策世界各國普遍將發(fā)展電動汽車確立為節(jié)能減排的重要途徑和政府戰(zhàn)略性計劃，出臺各類發(fā)展鼓勵政策和行動計劃。序號國家/區(qū)域鼓勵政策行動計劃1美國《2001年美國未來能源保證法案》《美國新的綜合性能源計劃》《美國下一代電動汽車協(xié)議》未來10年投入10億美元，至2015年普及100萬輛插電式混合動力汽車2歐盟歐洲汽車制造商協(xié)會《2010稅收導(dǎo)則》，除意大利和盧森堡，所有西歐國家出臺了對電動車的減稅、免稅或補貼政策奧地利：25萬輛推廣計劃丹麥：2020年，電動汽車占新售車輛1/10西班牙：2014年普及100萬輛3德國《國家電動車發(fā)展計劃》，2009-2012年投入5億歐元用于純電動和插電式混合動力汽車的研發(fā)產(chǎn)業(yè)化到2020年、2030年分別普及100萬輛和500萬輛純電動汽車和插電式混合動力汽車4法國《新車置換金》《法國清潔汽車購買獎勵體系》2015年推廣電動汽車10萬輛5英國《私人購買新能源汽車補貼細(xì)則》低碳汽車示范運行與研發(fā)資助政策2015年推廣電動汽車24萬輛6日本《下一代汽車的補助金制度》《日本電動汽車購買補助手冊》到2020年普及以電動汽車為主體的“下一代汽車”達(dá)到1350萬輛新能源汽車現(xiàn)狀電動汽車科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃 形成“三橫三縱三大平臺”（三縱：混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池汽車；三橫：電池、電機、電控;三大平臺：標(biāo)準(zhǔn)檢測、能源供給、集成

示范戰(zhàn)略重點與任務(wù)布局）

國內(nèi)政策新能源汽車已經(jīng)成為我國七大戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)之一《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020）》

汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向——純電驅(qū)動當(dāng)前重點推進(jìn)——純電動汽車和混合動力汽車產(chǎn)業(yè)化推廣普及：非插電式混合動力汽車、節(jié)能內(nèi)燃機汽車

新能源汽車現(xiàn)狀國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r經(jīng)過多年的醞釀，國內(nèi)純電動汽車日趨成熟，有多款電動車已取得國家公告吉利熊貓EK電動汽車系列動力源：鉛酸電池最高車速：80km/h北汽福田迷迪純電動轎車動力源：鋰電池組續(xù)航：100—150公里

東風(fēng)風(fēng)神，EJ02純電動汽車動力源：磷酸鐵鋰電池，電機類型：風(fēng)神采用永磁同步電機長安奔奔MINI純電動汽車動力源：磷酸鐵鋰電池組電機類型：永磁直流無刷電機

比亞迪E6純電動汽車動力源：鐵電池續(xù)航：200—300公里

眾泰2008EV純電動汽車動力源：鋰離子電池續(xù)航：300公里純電動汽車純電動汽車技術(shù)原理分類和領(lǐng)域分類領(lǐng)域整車共性技術(shù)

整車和系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)通訊和控制技術(shù)強電安全技術(shù)電磁兼容性技術(shù)整車輕量化技術(shù)整車匹配標(biāo)定和試驗技術(shù)系統(tǒng)標(biāo)定和優(yōu)化技術(shù)智能感應(yīng)及顯示技術(shù)故障診斷和容錯控制技術(shù)熱管理技術(shù)純電動汽車核心技術(shù)分類領(lǐng)域控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)電制動技術(shù)安全技術(shù)控制軟件開發(fā)仿真系統(tǒng)設(shè)計診斷技術(shù)車用驅(qū)動電機系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)驅(qū)動電機及其控制技術(shù)系統(tǒng)集成系統(tǒng)熱管理位置/轉(zhuǎn)速傳感器高性能絕緣材料高性能永磁材料電力電子元器件IGBT車用動力電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

動力電池及成組技術(shù)系統(tǒng)集成電池管理系統(tǒng)正負(fù)極材料鋰離子電池隔膜純電動汽車核心技術(shù)分類領(lǐng)域電動輔助系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)電空調(diào)電轉(zhuǎn)向電制動電動汽車的主要組成和核心部件“三大件”驅(qū)動系統(tǒng)電動汽車的心臟驅(qū)動系統(tǒng)的功用是將存儲在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動能，并能夠在汽車減速制動時，將車輪的動能轉(zhuǎn)化為電能充入蓄電池中。實現(xiàn)一種“再生”效應(yīng)。驅(qū)動系統(tǒng)包括：電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動機、機械傳動裝置和驅(qū)動車輪等。常用的驅(qū)動電機：

1、直流有刷電動機、

2、交流感應(yīng)電動機、

3、開關(guān)磁阻電動機、

4、無刷直流電動機及永磁同步電機控制系統(tǒng)對驅(qū)動機的控制

主要功能是根據(jù)駕駛員的操作和當(dāng)前的工況，在保證安全和動力性要求的前提下選擇盡可能優(yōu)化的工作模式。動力源電池管理系統(tǒng)電池組鋰離子電池鉛酸蓄電池鎳氫蓄電池鎳鎘蓄電池鈉硫蓄電池重量輕、儲能大、無污染、無記憶效應(yīng)、使用壽命長；它是一種真正的綠色節(jié)能環(huán)保電池可靠性好、原材料易得，價格便宜；性能差，使用壽命短屬