机器视觉组成部分及基础知识

明亮、射角窄、会有光点
较暗、射角宽、 无光点、光斑均匀
照明技术之一
镜面反射和漫反射 (Regular reflection & Diffused reflection)
表面光滑
表面粗糙
明亮 与照射距离无关 与角度有关 不反映照射物的颜色
较暗 与照射距离有关 与角度无关 反映照射物的颜色
照明技术之二
姿态 图像处理
镜头——主要参数
分辨率（Resolution）
工作距离（WD） 视 野 ︵ ︶
靶面
FOV 景深（DOF）
镜头——影响图像质量的关键因素
图像质量参数 分辨率（Resolution） 对比度（Contrast） 景深（Depth of Field） 失真（Distortion），也叫畸变 投影误差
LWD 10mm
照明技术之二
• 案例：塑料饮料瓶肩部OCR——条型照明(直接光)
明视野照明
暗视野照明
照明技术之三
折射照明 (Refraction light)
光由一种介质(物质)斜射到另一种介质，传播方向发生改变 当入射角满足一定的条件时，不会发生折射
照明技术之三
案例：钻石棱角测定
电源带有外触发，可以用作频闪灯； 运行成本低、寿命长的LED，会在综合成本和性能方面体现出更大的优势；
可根据客户的需要，进行特殊设计。
光源—— LED光源的颜色
主要颜色
红色 蓝色 绿色
白色
其他颜色
橙色 红外 紫外
照明技术之一
直射光和漫射光 (Regular light & Diffused light)
机器视觉市场包括:
部件生产商【部门工作】 代理商 【部门工作】
系统集成商【系统部工作】
计算机视觉系统组成——光源
机器视觉案例 标准计算机 智能摄像机 嵌入式系统
处理结果 孔 1 2 3 直径 3.15 mm 3.05 mm 2.79 mm
姿态 图像处理
光源——光源的种类
相机镜头接口 C-mount CS-mount F-mount M42 M72 等……
图 像 传 感 器
智能相机处理器 DSP ARM PowerPC 等……
工业摄像机——传感芯片
工业摄像机——曝光方式和扫描方式
行曝光CMOS 帧曝光CMOS GRS CMOS
隔行CCD
逐行CCD
工业摄像机——传感芯片
黑白面阵相机 彩色面阵相机 2CCD面阵相机
3CCD相机
黑白线阵相机
3线彩色线阵相机
双线彩色线阵相机
其他……
工业相机接口及协议
常见接口：
• USB2.0/3.0
• 1394A/B • GigE • CameraLink • CameraLinkHS
协议标准：
• USB3Vision
• IIDC • GigEVision • GenICam
使用红光可以检测基板 使用蓝光可以检测图层
光源——光源配件的应用
偏光器(Polarizer)
偏光镜片 偏光板
两者结合，用来消除照明时产生的反光
光源——光源配件的应用
偏光技术的应用
未使用偏光器 使用偏光器
光源——光源配件的应用
防外乱光滤镜(Shape-cut filter)
R-64系列
景深影响因素
镜头光圈 光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大； 镜头焦距 镜头焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大； 拍摄距离 距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。
计算机视觉系统组成——摄像机
机器视觉案例 标准计算机 智能摄像机 嵌入式系统
处理结果 孔 1 2 3 直径 3.15 mm 3.05 mm 2.79 mm
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机器视觉组成部分 及基础知识
计算机视觉系统组成：
机器视觉案例 标准计算机 智能摄像机 嵌入式系统
处理结果 孔 1 2 3 直径 3.15 mm 3.05 mm 2.79 mm
姿态 图像处理
机器视觉市场
机器视觉系统中部件包括：
光源、工业摄像机、图像采集卡、镜头、图像处理设备等。
R、C；G、M；B、Y互为补色
红
光的三原色
黄 绿 白 品红
印刷的三原色
•C–青 • M – 品红
•R–红
•G–绿 •B–蓝
青 蓝
•Y–黄
•K–黑
照明技术之五
• 非发光物体的颜色
白色光 (混合色) 照射物
蓝色
其它颜色 被吸收
照明技术之五
•案例
白光 红光
蓝光
绿光
照明技术之五
照明技术之五
案例二：金属涂层的表面检测
照明技术之四
透射照明 (Penetrating light)——背光的运用
透射照明，即使光线透射对象物，并观察其透射光的照明手法 因材质和厚度不同，对光的透过特性(透明度)各异 光根据其波长之长短，对物质的穿透能力(穿透率)各异
• 波长越长，对物质的
扩散比率 颜色 红外 红 绿 蓝 紫外 波长(nm) 950 660 525 470 370 扩散比率 0.23 1.00 2.25 3.89 10.12
V-44系列
光源——光源配件的应用
防外乱光滤镜的应用——金属工件的轮廓检测
防外乱光濾波片的効果
防外乱光濾波片的効果
金属工件輪廓模糊
金属工件輪廓清晰
来自室内的光源产生了漫射光， 不需源自文库的细节也进入了摄像机
添加滤镜将漫射光滤掉，得 到对比度良好的对象轮廓
光源——光源配件的应用
光线控制薄膜(Light control film)
影响图像质量的因素 镜头 摄像机 显示设备 镜头 光源 镜头 镜头 镜头 摄像机
镜头——焦距，物距，成像尺寸
焦距
拍摄物距
镜头的分辨率 影响分辨率的主要因素：
⁻ 镜头结构、材质、加工精度等。
其它因素：
⁻ ⁻ ⁻ 镜头光圈越大，分辨率越高； 光波长度，波长越短分辨率越高； 同档次的固定焦距镜头比变焦镜头分辨率高；
透过力越强。
• 波长越短，在物质表 面的扩散率(反射和透
射的比率)越大
照明技术之四
• 案例一：读取塑封带内的TSOP型号
使用红色照明(660nm)
使用蓝色照明(470nm)
照明技术之四
• 案例二：药片包装 (LDL-TP-51x51)
照明技术之五
色和补色 (Utilization of color)
• CoaXPress
工业相机接口及协议
接口 1394A 带宽（bps） 400M 距离(m) 4.5 单相机用户 易用性评价 比较方便 很方便
1394B
USB2.0 USB3.0 CameraLink CameraLinkHS GigE CoaXPress
800M
480M 5G 6.8G 48G 1000M N×6.25G
高频荧光灯
卤 素 灯
LED灯
光源——光源性能对比
光源—— LED光源特点
可制成各种形状、尺寸及各种照射角度； 可根据需要制成各种颜色，并可随时调节亮度； 散热效果更好，光亮度更稳定； 使用寿命长（约3万小时，间断使用寿命更长）；
反应快捷，可在10us或更短的时间内达到最大亮度；
姿态 图像处理
工业摄像机——典型结构
IO控制模块 供电 触发信号 闪光同步信号 参数控制模块 调整 曝光时间 调整增益 等相机参数 预处理模块 自动白平衡 3A控制 Bayer变换 等预处理功能 数据传输模块 接口类型 USB2.0 CameraLink GigE Ethernet 1394a/b 光纤 USB3.0 1394S3200 HSLink …..
其中： working F# = F#(infinity) * (1+magnification ratio)
• F#(infinity) = 光圈值 (当被测物在无限远处)
•
• • •
Working F# =光圈值 (被测物在近处)
Magnification ratio = 放大倍率 （计算方法：传感器的大小 / 视野） DOF (object)= 景深(物方) Circle of confusion = 模糊圆。当一点光投影在一张纸上，如果焦点十分准确，理论上会 形成一点的影像，但如果焦点错落于焦点之前或之后附近，会变成一个模糊的圆，即模糊 圆（简称CoC）。 经验值：像圆尺寸的3倍
排列着微细遮光线条的塑料薄膜
由微细遮光线条控制光线的方向和指向性
将散射光转化为类似平行光
光源——光源配件的应用
光线控制薄膜的应用——螺钉的轮廓检测
无光线控制薄膜
有光线控制薄膜
计算机视觉系统组成——镜头
机器视觉案例 标准计算机 智能摄像机 嵌入式系统
处理结果 孔 1 2 3 直径 3.15 mm 3.05 mm 2.79 mm
⁻
短焦镜头一般边缘分辨率比中心低，长焦镜头一般中心
比边缘分辨率低。
焦距计算公式
传感器大小d
焦距快速计算方法:
像方 焦距f
d/W = f /L f=d*L/W
物方
工作距离L
焦距标准计算方法: f = L / ( 1 + 1/ β ) 方法倍率β = d / W
视野W
景深的概念
景深计算公式
物方景深的计算机公式： DOF = 2 * working F# * circle of confusion / magnification^2
4.5
5 5 10 15 光纤300 100 40
不是很方便
谢谢！
明视野和暗视野 (Bright field & Dark field))
照明
(暗视野) 反射光 (明视野)
照射平面 散乱光
(暗视野)
透射光 (明视野)
照明技术之二
明视野：
用直射光来观察对象物（散乱 光呈黑色）
暗视野：
用散乱光来观察对象物（散乱 光呈白色）
FPQ-75
LWD 90mm
FPQ-75