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工业机器视觉系统的图像采集与手眼标定工业机器视觉系统在现代制造业中扮演着重要的角色。
它利用技术手段实现自动化的视觉检测与监控，可以广泛应用于产品质量检测、生产线控制、安全监测等领域。
而在工业机器视觉系统中，图像采集和手眼标定是其中两个关键的环节。
本文将详细介绍工业机器视觉系统的图像采集与手眼标定的原理、方法和应用。
一、图像采集图像采集是工业机器视觉系统的基础环节，它通过相机或其他图像传感器将物体的图像信息转化为数字信号。
图像采集过程需要考虑到物体形状、表面特性、光照条件等多个因素，并通过适当的硬件设备和图像处理算法来实现高质量的图像采集。
在工业机器视觉系统中，常用的图像采集设备有CCD相机和CMOS相机。
CCD相机具有较高的灵敏度和动态范围，在光线较暗或对图像质量要求较高的场景中表现优秀。
而CMOS相机则具有较高的速度和较低的功耗，适合于快速采集和处理大量图像的应用。
在图像采集的过程中，还需要考虑到物体的尺寸、距离和角度，以及摄像头的位置和角度等因素。
通过适当调整相机的焦距、光圈和曝光时间等参数，可以获得清晰、准确的图像信息。
二、手眼标定手眼标定是工业机器视觉系统中的一个重要环节，它用于确定相机和机械臂之间的坐标变换关系，从而实现准确的机器视觉引导和控制。
手眼标定的关键是确定相机坐标系和机械臂坐标系之间的转换关系，通常采用外标定和内标定的方法。
外标定是通过将相机固定在机械臂末端，通过移动机械臂在不同位置和姿态下拍摄物体图像，然后利用图像处理算法提取特征点，最终计算得到相机的外参矩阵。
外参矩阵包括旋转矩阵和平移矩阵，它们描述了相机坐标系相对于机械臂坐标系的位置和姿态关系。
内标定是通过将相机固定在静止平台上，拍摄特定的标定板图像，利用图像处理算法提取特征点，最终计算得到相机的内参矩阵。
内参矩阵描述了相机的主要参数，包括焦距、光心以及畸变系数等。
手眼标定的过程中，需要采集足够多的图像样本，并使用适当的图像处理算法进行特征点提取和匹配。
机器视觉行业知识点总结在这篇文章中，我们将对机器视觉行业的一些知识点进行总结和梳理，以帮助读者更好地理解这一领域的发展和应用。
一、机器视觉的基本原理1.图像采集和传感器技术图像采集是机器视觉系统的第一步，也是至关重要的一步。
图像传感器的选择将直接影响到后续的图像处理和分析效果。
常见的图像传感器有CCD（Charge-Coupled Device）和CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）两种类型，它们在成本、灵敏度和分辨率等方面各有优劣。
2.图像预处理图像预处理包括对图像进行去噪、增强、滤波、边缘检测等操作，目的是减少图像中的噪声和干扰，从而提高后续的图像处理和分析效果。
3.特征提取和描述特征提取和描述是机器视觉系统中的关键步骤，它涉及到对图像中的特征进行提取和描述，常用的特征包括边缘、角点、纹理等。
特征提取和描述的质量将直接影响到后续的目标检测、识别和跟踪效果。
4.目标检测、识别和跟踪目标检测、识别和跟踪是机器视觉系统中的核心任务之一，它涉及到对图像中的目标进行定位、识别和跟踪。
常见的目标检测和识别算法包括Haar特征、HOG特征、深度学习等技术。
5.应用领域机器视觉技术在工业自动化、智能制造、医疗影像诊断、交通监控、安防监控等领域都有广泛的应用。
其中，工业自动化是机器视觉技术应用最为广泛的领域之一，它包括产品的质量检测、组装线的监控、机器人视觉导航等方面。
二、机器视觉的发展趋势1.深度学习与机器视觉深度学习作为机器学习的一种方法，在图像识别和分析领域表现出了强大的能力，因此也在机器视觉领域得到了广泛的应用。
通过深度学习技术，机器视觉系统可以更准确地识别和分析图像中的目标，实现更高水平的自动化。
2.智能传感器与机器视觉智能传感器集成了传感器、处理器和通信接口等功能，它可以直接在传感器端进行数据的处理和分析，从而减轻了计算机端的负担。
智能传感器的发展将进一步推动机器视觉系统的智能化和自动化。
第一章硬件部分一、视频信号的结构与使用图象采集卡是对模拟视频信号采样并作A/D转换而成为数字信号的，为了获得正确的数字信号，对模拟视频信号有一个大概的了解是十分重要的，尤其在一些特殊的应用领域，例如：●实时处理●多路视频输入●非标准视频采集●立体视觉●序列图象分析●运动图象等都对摄象机的同步连接；多路切换；图象处理与视频信号的同步配合；图象窗口的选择；亮度与对比度的调节有着特殊的要求，为了满足这些要求，把视频信号的结构了解清楚后，会对用户很快构成并调试好自己的图象处理系统；设计好自己的软件；充分提高CPU处理图象的效率等带来很大的好处，为此本节对视频信号的概要作一介绍，这里不是教材，只给用户提供一些使用图象卡应有的视频信号的基本知识。
1-1、视频信号的概述视频信号最初是用于广播电视的，也就是说是要经过传输，尤其是无线传输而送到观众接收机上，由于图象的信息量是如此巨大，如果不对视频信号作一定的处理，就会占据无线通讯很宽的宝贵频带，为此对全电视信号在清晰度、闪烁性、叠加彩色后的与黑白图象的兼容性、所占用的带宽等方方面面作了精心的权衡与安排，研究设计出目前的黑白/彩色全电视信号标准。
例如隔行扫描就是考虑到带宽、抗闪烁、清晰度等方面而巧妙设计的；PAL或NTSC的彩色图象制式就是考虑到人眼对颜色的着色特性，与原黑白视频的兼容性，在不影响黑白灰度信息的前提下，而将彩色信息调制后插入黑白全电视信号频谱的缝隙之中的。
而所谓的不影响仅仅是理论上的，由于技术上的局限性，在接收端将黑白信息与彩色信息分离时，在大多数情况下会大大影响黑白信息的分辨率。
视频信号的这些特性在广播电视中带来了巨大的好处，但在图象处理的使用场合又会带来很大的不便与缺陷。
所以在用图象采集卡时大致了解一些视频信号的特性，对有效的构建用户自己的系统是很必要的。
1-2、黑白全电视信号及采集摄象机获取图象形成视频信号是用扫描的方式逐行顺序进行的，从景物的左上角开始扫描第一行，然后向下移动扫描第二行，直至这场扫描完312行（PAL制），到第313行的一半时，这一场结束，形成了一幅奇场图象；从图象的最上部中间开始第313行的后半部扫描，见图一，开始第二场即偶场的扫描，第二场的每一行夹在第一场的相邻行中间，直至625行结束，第二场图象结束，形成了一幅偶场图象，同时相邻行由奇场和偶场图象交叉形成了一帧图象。
图像采集卡基本概念及分类图像采集卡（Image Gr abber）又称为图像卡，它将摄像机的图像视频信号，以帧为单位，送到计算机的内存和VGA帧存，供计算机处理、存储、显示和传输等使用；在机器视觉系统中，图像卡采集到的图像，供处理器作出工件是否合格、运动物体的运动偏差量、缺陷所在的位置等等处理。
基本概念1、图像采集卡（Fr ame Graber）图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。
图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的过程，叫做采集、数字化。
2、A/D转换视频量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字信号的过程，即A/D转换。
视频信号的量化处理是图像采集处理的重要组成部分。
3、传输通道数（Channel）采集卡同时对多个相机进行A/D转换的能力。
如：2通道、4通道。
4、分辨率采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。
即，其所能支持的相机最大分辨率。
5、采样频率采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。
在进行高速图像采集时，需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。
6、传输速率指图像由采集卡到达内存的速度。
普通PCI接口理论传输速度为132MB/S，PCI-E，PCI-X是更高速的总线接口。
7、图像格式（像素格式）(1) 黑白图像：通常情况下，图像灰度等级可分为256级，即以8位表示。
在对图像灰度有更精确要求时，可用10位，12位等来表示。
(2) 彩色图像：彩色图像可由RGB（YUV）3种色彩组合而成，根据其亮度级别的不同有8－8－8，10－10－10等格式。
8、颜色空间对一种颜色进行编码的方法统称为“颜色空间”或“色域”(Color Space)。
——RGB(16位/24位/32位)——YUV(YCbCr)——其他(HSV、CMYK、数码相机自定义格式等)——Alpha通道9、帧和场——标准的模拟视频信号是隔行信号，一帧分成两场——偶数场包含所有的偶数行(0, 2, . . . )——奇数场包含所有的奇数行(1, 3, . . . )——采集和传输的过程中使用的是场，而不是帧——一帧图像的两场之间有时间差可采集的视频信号·模拟视频和数字视频；·标准视频和非标准视频信号；·隔行和逐行扫描方式；·黑白和彩色摄像机输出；·复合和各种分量式彩色视频信号图像采集卡的分类1. 依据输入信号类型可以分为：模拟制式图像采集卡数字图像采集卡2. 根据采集信号颜色可分为：黑白图像采集卡彩色图像采集卡输出接口类型根据不同的应用方向，为配合所接摄像头，图像采集卡有多种输出接口，其主要接口有BN C、VGA、Camer alink、LVDS、DVI、USB、FireWir e等。
图像采集卡介绍及分类1 按图像采集卡的主要特性可作如下分类（1） Microvision彩色图像采集卡与黑白图像采集卡根据系统中摄像机的不同，图像采集卡也相应地分为彩色图像采集卡和黑白图像采集卡。
但是，彩色图像采集卡也可以采集同灰度级别的黑白图像。
（2） Microvision模拟图像采集卡与数字图像采集卡目前现场广泛应用的摄像机是模拟信号摄像机，与此相应所采用的图像采集卡也是模拟图像采集卡。
模拟图像采集卡上设有A/D转换芯片，其对输入信号以4:2:2格式进行采样，然后进行量化，一般对YUV（也即对RGB）各8位量化，则传入的视频信号转换为数字图像信号。
与数字摄像机配套使用的图像采集卡，可称为数字图像采集卡。
（3） Microvision面扫描图像采集卡和线扫描图像采集卡与面扫描相机配套的采集卡是面扫描图像采集卡，其一般不支持线扫描相机。
配合线扫描相机使用的是线扫描图像采集卡。
支持线扫描相机的图像采集卡往往也支持面扫描相机。
2 Microvision板卡的基本技术参数图像采集卡的技术参数主要有以下几方面：（1） Microvision图像传输格式Microvision图像采集卡需要支持系统中摄像机所采用的输出信号格式。
大多数摄像机采用RS422或EIA644（LVDS）作为输出信号格式。
在数字相机中，IEEE1394，USB2.0和CameraLink几种图像传输形式则得到了广泛应用。
（2）图像格式（像素格式）Microvision黑白图像：通常情况下，图像灰度等级可分为256级，即以8位表示。
在对图像灰度有更精确要求时，可用10位，12位等来表示。
彩色图像：彩色图像可由RGB（YUV）3种色彩组合而成，根据其亮度级别的不同有8－8－8，10－10－10等格式。
（3）传输通道数当摄像机以较高速率拍摄高分辨率图像时，会产生很高的输出速率，这一般需要多路信号同时输出，图像采集卡应能支持多路输入。
一般情况下，有1路，2路，4路，8路输入等。
当选定好机器视觉的软硬件平台后，下一步就是图像采集。
本章将详细讨论基于USB 摄像头的图像采集和工业相机的图像采集，大家可以根据手中硬件的不同而选读不同的部分。
从软件的视角来看，尽管硬件不同，但编程的思路和模式是基本一致的。
本文使用的工业相机是Panasonic的BP330，它是一款遵循CCIR标准的黑白相机，图像采集卡是NI公司的PCI-1407(任何标准制式的黑白模拟相机都可以接到PCI-1407)。
把相机连接到PCI-1407后，即可在MAX下找到PCI-1407，点击Grab 按钮，还可以采集到图像，如图3.1所示。
图3.1 在MAX里面采集图像如果你使用的是USB 摄像头，那么请参考Error! Reference source not found.Error! Reference source not found.，运行imaqUSB examples.llb中的Grab.vi。
在软硬件正常工作的情况下，可以看到从USB 摄像头中传出的图像，如Error! Reference source not found.所示。
在进行机器视觉系统开发前，我们通常都会如上所示先验证软硬件是否能正常工作，以便后续开发。
3.1 采集单幅图像3.1.1基于图像采集卡的Snap操作采集单幅图像是基本的图像采集操作之一，对应的动作叫Snap。
每次Snap时，图像数据先从相机传到图像采集卡，然后再传到计算机的内存(图像处理缓冲区)中去，如图3.2所示。
图3.2 Snap方式采集图像过程Snap方式的图像采集程序如图3.3所示：第1步：调用IMAQ Init.vi完成图像采集板卡的初始化工作。
第2步：调用IMAQ Create.vi为图像数据创建一个数据缓冲区。
第3步：调用IMAQ Snap.vi从图像采集板卡中读入一帧图像数据，并把它放入先前创建的数据缓冲区中，并放入Image中显示。
第4步：当图像数据缓冲区被释放后，我们在前面板上将看不到采集的图像了，所以特地添加一个人为的延时程序，等待用户停止。
工业机器视觉系统的构成和原理工业机器视觉系统是一种利用计算机图像处理技术，通过硬件设备采集、处理、分析物体的视觉信息，并控制相应机械臂或其他设备进行智能化操作的系统。
它的应用范围非常广泛，涉及到制造业、医疗、交通等领域。
那么，工业机器视觉系统究竟由哪些部分构成，它的原理是什么呢？下面我们就来一一探讨。
一、工业机器视觉系统的基本构成1、传感器工业机器视觉系统必不可少的部分就是传感器。
它负责采集物体的图像信息，能够对环境、物体等一系列参数进行测量和控制。
常见的传感器有光学传感器、线性传感器和特定用途传感器等。
2、镜头镜头是传感器不可或缺的兴趣组成部分。
它可以将物体图像反射到传感器上，同时也影响到成像质量。
镜头的品质直接影响到成像效果。
3、图像采集卡图像采集卡是工业机器视觉系统中的核心部分。
它能够实时、高速地将镜头采集到的图像信号转换成计算机可处理的数字信号。
同时，它还负责将信号发送到计算机进行进一步分析处理。
4、计算机工业机器视觉系统中的计算机通常是一台高性能的工控机，因为对计算机的计算速度和精度要求非常高。
计算机负责采集、处理、分析和输出图像信息，将处理后的结果反馈给机器人或其他设备进行控制，形成闭环反馈系统。
5、软件系统软件系统是工业机器视觉系统最为关键的一部分。
它运行在计算机上，负责图像处理、分析、识别等关键任务。
软件能够根据不同的应用场景和需求进行定制，实现精确定位、测量、品质检测、分类、识别等功能。
二、工业机器视觉系统的工作原理1、图像采集当光线通过镜头进入传感器时，传感器就开始将图像转换成数字信号并将其发送给计算机。
由于采集精度和速度都非常高，因此图像的获取和采集非常迅速。
2、图像处理采集到的图像需要在计算机上进行处理以达到机器视觉的需求。
图像处理可以包括图像滤波、图像增强、几何校正和标准化、灰度阈值分割、边缘检测等过程。
这些处理能够去除噪声、纠正形状和尺寸等因素，使得采集到的图像更加完美。
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图像采集卡基础知识
图像卡工作原理是将摄像机等输入的模拟图像信号经过A/D转换，或将数字摄像机的输出信号，通过计算机总线传输到计算机内存或显存，计算机可以对现场采集的图像进行实时处理和存储。
图像采集卡是基于PCI总线、PC/104-Plus总线、PCI-E总线和Mini PCI总线。
对于模拟信号输出的摄像机，PAL制电视信号每帧有用的扫描行是576，因此PAL制的最高垂直分辨率为576，PAL制信号通常为4:3，因此模拟图像采集卡的分辨率一般为768×576。
对于NTSC制信号，分辨率为640×480。
由于标准视频信号是隔行扫描，在数字化的过程中每帧图像分成两场，奇数场和偶数场，两场之间相差20ms，每场的分辨率是288行或240行。
对于高速运动的物体，按帧方式采集图像后有拖尾的现象，要解决这一问题需要采用仅采集一场并缩短曝光时间的方法，或采用数字逐行摄像机并缩短曝光时间的方案。
不同型号图像卡的区别主要表现在输入信号、图像质量、总线形式、处理功能等方面。
对于模拟图像卡，一般有复合视频输入、S-VIDEO即(Y/C)输入，RGB输入、YPbPr输入等。
图像质量由于不同板卡使用的芯片及设计的不同有较大差异。
同时，不同用途的图像卡图像质量及价格也有很大的差别。
目前使用较多的总线有PCI、PC/104-Plus、PCI-E、Mini PCI 及笔记本所用的PCMCIA总线。
PCI总线使用最多，多数PC机及工控机均使用PCI总线，PCI总线的缺点是总线使用金手指抗震动能力不强，总线带宽限133MB/s,对于大量数据无法传输。
PCI-Express是近几年新发展的计算机总线，PCI-Express有×1、×2、×4、×8、×16多个版本，×1总线带宽为256MB/s, ×16为4096MB/s,由于PCI-Express具有高带宽的优势，支持PCI-Express总线的主板越来越多。
PC/104-Plus采用多排插针及定位螺钉，抗震动能力大大加强，目前一些工控机使用该总线，比较适合于嵌入式系统。
Mini PCI 是PCI 的变形，可以使得整个系统体积更小。
PCMCIA是笔记本使用的总线，目前PCMCIA总线的图像卡种类不多。
数字图像采集卡采集数字摄像机的输出信号，有LVDS、Camera Link两种视频总线方式，两者均是国际商用标准。
