《電子技術(shù)應(yīng)用》
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入門:什么是機器視覺,,視覺系統(tǒng)組成部分

2022-11-29
來源:人工智能科學(xué)與技術(shù)
關(guān)鍵詞: 機器視覺 LED光源

  機器視覺,,就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統(tǒng)是指通過機器視覺產(chǎn)品(即圖像攝取裝置,,分 CMOS 和CCD 兩種)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號,傳送給專用的圖像處理系統(tǒng),根據(jù)像素分布和亮度,、顏色等信息,轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號,;圖像系統(tǒng)對這些信號進(jìn)行各種運算來抽取目標(biāo)的特征,,進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

  視覺系統(tǒng)組成部分:

  1.照明光源 2.鏡頭 3.工業(yè)攝像機 4.圖像采集/處理卡 5.圖像處理系統(tǒng) 6.其它外部設(shè)備

  一,、相機篇

  工業(yè)相機又俗稱攝像機,,相比于傳統(tǒng)的民用相機(攝像機)而言,它具有高的圖像穩(wěn)定性,、高傳輸能力和高抗干擾能力等,,目前市面上工業(yè)相機大多是基于CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的相機。   其中,,CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器,。它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移,、信號讀取于一體,,是典型的固體成像器件。

  CCD的突出特點是以電荷作為信號,,而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號,。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包,而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移,、放大輸出圖像信號,。   典型的CCD相機由光學(xué)鏡頭,、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器,、模擬/數(shù)字信號處理電路組成,。CCD作為一種功能器件,與真空管相比,,具有無灼傷,、無滯后、低電壓工作,、低功耗等優(yōu)點,。

  CMOS圖像傳感器的開發(fā)則最早出現(xiàn)在20世紀(jì)70 年代初,90 年代初期,,隨著超大規(guī)模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術(shù)的發(fā)展,,CMOS圖像傳感器得到迅速發(fā)展。   CMOS圖像傳感器將光敏元陣列,、圖像信號放大器,、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上,,還具有局部像素的編程隨機訪問的優(yōu)點。   目前,,CMOS圖像傳感器以其良好的集成性,、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應(yīng)用,。

  分類:

  任何東西一定有它自己的分類標(biāo)準(zhǔn),,工業(yè)相機也不例外。

  按照芯片類型可以分為CCD相機,、CMOS相機,;

  按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機、面陣相機,;

  按照掃描方式可以分為隔行掃描相機,、逐行掃描相機;

  按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機,、高分辨率相機,;

  按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數(shù)字相機,;

  按照輸出色彩可以分為單色(黑白)相機,、彩色相機,;

  按照輸出信號速度可以分為普通速度相機,、高速相機,;

  按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見光(普通)相機、紅外相機,、紫外相機等,。

  區(qū)別:

  1、性能穩(wěn)定可靠易于安裝,,相機結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實不易損壞,,連續(xù)工作時間長,可在較差的環(huán)境下使用,,一般的數(shù)碼相機是做不到這些的,。例如:讓民用數(shù)碼相機一天工作24小時或連續(xù)工作幾天肯定會受不了的。

  2,、快門時間非常短,,可以抓拍高速運動的物體。例如,,把名片貼在電風(fēng)扇扇葉上,,以最大速度旋轉(zhuǎn),設(shè)置合適的快門時間,,用工業(yè)相機抓拍一張圖像,,仍能夠清晰辨別名片上的字體。用普通的相機來抓拍,,是不可能達(dá)到同樣效果的,。

  3、圖像傳感器是逐行掃描的,,而普通的相機的圖像傳感器是隔行掃描的,, 逐行掃描的圖像傳感器生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜,成品率低,,出貨量少,,世界上只有少數(shù)公司能夠提供這類產(chǎn)品,例如Dalsa,、Sony,,而且價格昂貴。

  4,、幀率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通相機,。工業(yè)相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片,而普通相機只能拍攝2-3幅圖像,,相差較大,。

  5、輸出是裸數(shù)據(jù)(raw data),,其光譜范圍也往往比較寬,,比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法,,例如機器視覺(Machine Vision)應(yīng)用。而普通相機拍攝的圖片,,其光譜范圍只適合人眼視覺,,并且經(jīng)過了mjpeg壓縮,圖像質(zhì)量較差,,不利于分析處理,。   6、相對普通相機(DSC)來說價格較貴,。

  如何選擇:

  1,、根據(jù)應(yīng)用的不同分別選用CCD或CMOS相機CCD工業(yè)相機主要應(yīng)用在運動物體的圖像提取,如貼片機機器視覺,,當(dāng)然隨著CMOS技術(shù)的發(fā)展,,許多貼片機也在選用CMOS工業(yè)相機。用在視覺自動檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD工業(yè)相機比較多,。CMOS工業(yè)相機由成本低,,功耗低也應(yīng)用越來越廣泛。   2,、分辨率的選擇首先考慮待觀察或待測量物體的精度,,根據(jù)精度選擇分辨率。相機像素精度=單方向視野范圍大小/相機單方向分辨率,。則相機單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度,。若單視野為5mm長,理論精度為0.02mm,,則單方向分辨率=5/0.02=250,。然而為增加系統(tǒng)穩(wěn)定性,不會只用一個像素單位對應(yīng)一個測量/觀察精度值,,一般可以選擇倍數(shù)4或更高,。這樣該相機需求單方向分辨率為1000,選用130萬像素已經(jīng)足夠,。   其次看工業(yè)相機的輸出,,若是體式觀察或機器軟件分析識別 ,分辨率高是有幫助的,;若是VGA輸出或USB輸出,,在顯示器上觀察,則還依賴于顯示器的分辨率,,工業(yè)相機的分辨率再高,,顯示器分辨率不夠,也是沒有意義的;利用存儲卡或拍照功能,,工業(yè)相機的分辨率高也是有幫助的,。   3、與鏡頭的匹配傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸,,C或CS安裝座也要匹配(或者增加轉(zhuǎn)接口)。   4,、相機幀數(shù)選擇當(dāng)被測物體有運動要求時,,要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機。但一般來說分辨率越高,,幀數(shù)越低,。

  二、鏡頭篇

  鏡頭的基本功能就是實現(xiàn)光束變換(調(diào)制),,在機器視覺系統(tǒng)中,,鏡頭的主要作用是將成像目標(biāo)在圖像傳感器的光敏面上。鏡頭的質(zhì)量直影響到機器視覺系統(tǒng)的整體性能,,合理地選擇和安裝鏡頭,,是機器視覺系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。

  基礎(chǔ)知識:

  1,、鏡頭匹配

  大家如何選擇合適鏡頭,,鏡頭選配時需要選擇與攝像機接口和CCD的尺寸相匹配的鏡頭。鏡頭C和CS的接口方式占主流,。小型的安防用的CS接口攝像機得到普及,、FA行業(yè)則大部分是C接口的攝像機與鏡頭的組合。對應(yīng)的CCD尺寸,、市場上一般根據(jù)用途使用2/3寸到1/3寸的產(chǎn)品,。

  2、互換性   C接口鏡頭可以與C接口攝像機,、CS接口攝像機互用,; CS接口鏡頭不可以應(yīng)用在C接口攝像機,只可以應(yīng)用在CS接口攝像機,。

  3,、KERARE

  攝像機如果使用配備小CCD尺寸的鏡頭,那么周邊沒有攝取到圖像的部分呈現(xiàn)出黑色,,我們稱其為KERARE,。

  4、鏡頭的作用:   將折射率不同的各種硝材通過研磨,,加工成高精度的曲面,、把這些鏡頭進(jìn)行組合,就是設(shè)計鏡頭。從伽利略時代開始使用的普遍技術(shù)是其基本原理,。為得到更清晰的圖像,,一直在研究開發(fā)試制新的硝材和非球面鏡片。

  三,、光源篇

  LED光源,、鹵素?zé)簦ü饫w光源)、高頻熒光燈,。目前LED光源最常用,,主要有如下幾個特點:

  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,;

  反應(yīng)快捷,,可在10微秒或更短的時間內(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。

  LED光源按形狀通??煞譃橐韵聨最悾?/p>

  1,、環(huán)形光源環(huán)形光源提供不同照射角度、不同顏色組合,,更能突出物體的三維信息,;高密度LED陣列,高亮度,;多種緊湊設(shè)計,,節(jié)省安裝空間;解決對角照射陰影問題,;可選配漫射板導(dǎo)光,,光線均勻擴散,。應(yīng)用領(lǐng)域:PCB基板檢測,IC元件檢測,,顯微鏡照明,,液晶校正,塑膠容器檢測,,集成電路印字檢查,。

  2、背光源用高密度LED陣列面提供高強度背光照明,,能突出物體,。的外形輪廓特征,尤其適合作為顯微鏡的載物臺,。紅白兩用背光源,、紅藍(lán)多用背光源,,能調(diào)配出不同顏色,,滿足不同被測物多色要求。應(yīng)用領(lǐng)域:機械零件尺寸的測量,,電子元件,、IC的外型檢測,膠片污點檢測,,透明物體劃痕檢測等,。

  3、條形光源條形光源是較大方形結(jié)構(gòu)被測物的首選光源,;顏色可根據(jù)需求搭配,,自由組合;照射角度與安裝隨意可調(diào),。應(yīng)用領(lǐng)域:金屬表面檢查,,圖像掃描,表面裂縫檢測,,LCD面板檢測等,。

  4、同軸光源同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影,,從而減少干擾,;部分采用分光鏡設(shè)計,減少光損失,,提高成像清晰度,,均勻照射物體表面。應(yīng)用領(lǐng)域:系列光源最適宜用于反射度極高的物體,,如金屬,、玻璃,、膠片、晶片等表面的劃傷檢測,,芯片和硅晶片的破損檢測,,Mark點定位,包裝條碼識別,。

  5,、AOI專用光源不同角度的三色光照明,照射凸顯焊錫三維信息,;外加漫射板導(dǎo)光,,減少反光;不同角度組合,;應(yīng)用領(lǐng)域:用于電路板焊錫檢測,。

  6、球積分光源具有積分效果的半球面內(nèi)壁,,均勻反射從底部360度發(fā)射出的光線,,使整個圖像的照度十分均勻。應(yīng)用領(lǐng)域:合于曲面,,表面凹凸,,弧形表面檢測,或金屬,、玻璃表面反光較強的物體表面檢測,。

  7、線形光源超高亮度,,采用柱面透鏡聚光,,適用于各種流水線連續(xù)檢測場合。應(yīng)用領(lǐng)域:陣相機照明專用,,AOI專用,。

  8、點光源大功率LED,,體積小,,發(fā)光強度高;光纖鹵素?zé)舻奶娲?,尤其適合作為鏡頭的同軸光源等,;高效散熱裝置,大大提高光源的使用壽命,。應(yīng)用領(lǐng)域:適合遠(yuǎn)心鏡頭使用,,用于芯片檢測,Mark點定位,,晶片及液晶玻璃底基校正,。   9,、組合條形光源四邊配置條形光,每邊照明獨立可控,;可根據(jù)被測物要求調(diào)整所需照明角度,,適用性廣。應(yīng)用案例:CB基板檢測,,IC元件檢測,,焊錫檢查,Mark點定位,,顯微鏡照明,,包裝條碼照明,球形物體照明等,。

  10,、對位光源對位速度快;視場大,;精度高,;體積小,便于檢測集成,;亮度高,,可選配輔助環(huán)形光源,。應(yīng)用領(lǐng)域:VA系列光源是全自動電路板印刷機對位的專用光源,。

  四、光源的選型

  1,、前提信息

 ?。?)檢測內(nèi)容 外觀檢查、OCR,、尺寸測定,、定位   (2)對象物

  想看什么?(異物,、傷痕,、缺損、標(biāo)識,、形狀等)

  表面狀態(tài)(鏡面,、糙面、曲面,、平面)

  立體,?平面?

  材質(zhì),、表面顏色

  視野范圍,?

  動態(tài)還是靜態(tài)(相機快門速度)

 ?。?)限制條件

  工作距離(鏡頭下端到被測物表面距離)

  設(shè)置條件(照明的大小、照明下端到被測物表面的距離,、反射型or透射型)

  周圍環(huán)境(溫度,、外亂光)

  相機的種類,面陣or線陣

  2,、簡單的預(yù)備知識:

 ?。?)。因材質(zhì)和厚度不同,、對光的透過特性(透明度)各異,。

  (2),。光根拠其波長之長短,、對物質(zhì)的穿透能力(穿透率)各異。

 ?。?),。光的波長越長、對物質(zhì)的透過力越強,,光的波長越短,、在物質(zhì)表面的拡散率越大。

 ?。?),。透射照明、即是使光線透射對象物,、并觀察其透過光之照明手法,。

  3、光源:

  穩(wěn)定均勻的光源極其重要

  目的:將被測物與背景盡量明顕區(qū)分

  攝取圖像時,、最重要之處是如何鮮明地獲得:被測物與背景的濃淡差

  目前,、在圖像處理領(lǐng)域中最廣范的技術(shù)手法是:二值化(白黒)處理為了能夠突出特征點,將特征圖像突出出來,,在打光手法上,,常用的包括有明視野與暗視野。

  明視野:用直射光來觀察對象物整體(散亂光呈黒色)   暗視野:用散亂光來觀察對象物整體(直射光呈白色)具體的光源選取方法還在于試驗的實踐經(jīng)驗,。



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