机器视觉基础知识演示幻灯片课件.ppt

1,中国大恒（集团）有限公司北京图像视觉技,术分公司,主讲人：陈欣,机器视觉系统概述,2,提纲,?,机器视觉系统概述,?,照明光源,?,镜头,?,工业摄像机,3,机器视觉系统,机器视觉是一门技术，该技术被广泛应用在生产制,造等行业。可用来保证产品质量、控制生产流程、,感知环境等。,机器视觉系统是基于机器视觉技术为机器或自动化,生产线建立的一套视觉系统。,4,机器视觉,vs,人类视觉,人类视觉,机器视觉,适应性,适应性强，可在复杂及变,化的环境中识别目标,适应性差，容易受复杂背景及环,境变化的影响,智能,具有高级智能，可运用逻,辑分析及推理能力识别,变化的目标，并能总结,规律,虽然可利用人工智能及神经网络,技术，但智能很差，不能很,好地识别变化的目标,彩色识别,能力,对色彩的分辨能力强，但,容易受人的心理影响，,不能量化,受硬件条件的制约，目前一般的,图像采集系统对色彩的分辨,能力较差，但具有可量化的,优点,灰度分辨,力,差，一般只能分辨,64,个灰,度级,强，目前一般使用,256,灰度级，,采集系统可具有,10bit,、,12bit,、,16bit,等灰度级,5,机器视觉,vs,人类视觉,人类视觉,机器视觉,空间分,辨力,分辨率较差，不能观看微小,的目标,目前有,4K,4K,的面阵摄像机和,12K,的线阵摄像机，通过备置,各种光学镜头，可以观测小,到微米大到天体的目标,速度,0.1,秒的视觉暂留使人眼无法,看清较快速运动的目标,快门时间可达到,10,微妙左右，高,速像机帧率可达到,1000,以上，,处理器的速度越来越快,感光范,围,400nm-750nm,范围的可见,光,从紫外到红外的较宽光谱范围，,另外有,X,光等特殊摄像机,环境要,求,对环境温度、湿度的适应性,差，另外有许多场合对,人有损害,对环境适应性强，另外可加防护,装置,6,机器视觉系统作用,机器视觉技术,功能,缩短产品,进入市场时间,100%,检测,100%,质量保证,提高产量,集成化生产,精确测量,改进生产流程,及时过程监控,7,机器视觉应用领域,?,高速检测,?,精确机器人导航,?,定位及配准,?,装配检测,?,PCB,检测,?,表面检测,?,纹理分析,?,遥感,?,医学图像分析,?,测量,?,一维码读取,?,OCR&OCV,?,匹配,?,印刷检测,?,Blob,分析,8,机器视觉应用领域,?,光学行业,?,纸制品,?,药物,?,照相学和遥感,?,印刷,?,铁路运输,?,监控,?,航空宇航,?,造船,?,无线通信,?,交通,?,木材,?,等等,?,半导体,?,汽车制造,?,制陶业,?,化学业,?,电子部件及设备,?,食品业,?,玻璃业,?,生命科学,?,医学,?,钢铁,?,矿业,9,机器视觉系统构成,模拟相机,光源,CCD/CMOS,图像传感器,镜头,被测物体,模拟视频流,摄像机,图像采集卡,图像,内存中,数字图像,应用,结果,孔,半径,1,2,3,3.147 mm,3.052 mm,2.785 mm,?,?,?,机器视觉软件,FG,I/O,10,机器视觉系统构成,数字摄像机,光源,CCD/CMOS,图像传感器,镜头,被测物体,图像数据,数字摄像机,（,USB/1394a/1394b/GigE/CameraLink,）,图像,内存中,数字图像,应用,结果,孔,半径,1,2,3,3.147 mm,3.052 mm,2.785 mm,?,?,?,机器视觉软件,FG,I/O,11,机器视觉系统构成,智能摄像机,光源,CCD/CMOS,图像传感器,镜头,被测物体,模拟图像数据,智能摄像机,图像,内存中,数字图像,应用,结果,孔,半径,1,2,3,3.147 mm,3.052 mm,2.785 mm,?,?,?,机器视觉软件,FG,I/O,12,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。,?,机器视觉市场包括,:,?,部件生产商,?,代理商,?,系统集成商,13,机器视觉系统组件,照明光源,照明光源,14,机器视觉系统,照明光源分类,高频荧光灯,卤,素,灯,LED,灯,15,机器视觉系统,照明光源对比,16,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，并可以随时调节亮度；,?,通过散热装置，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；,?,电源带有外触发，可以通过计算机控制，起动速度快，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。,17,光源选型对成像影响实例,18,照明技术：亮视野与暗视野,暗视野,亮视野,杂散光,杂散光,直射光,直射光,19,照明技术：低角度照明,常应用于检测平滑表面上变化的部分,如：划痕、刀痕、边缘,20,低角度照明应用实例,21,照明技术：前向光直射照明,22,前向光直射照明示例,23,照明技术：前向光漫射照明,24,前向光漫射照明示例,25,前向光漫射照明示例,26,照明技术：背光照明,27,背光照明示例,TCL,TCL,TCI,28,照明技术：颜色与补色,照射物,白色光,(,混合色,),蓝色,其它颜色,被吸收,29,颜色与补色示例,白光,红光,蓝光,绿光,30,照明技术：偏光技术应用,偏光板,偏光镜片,光源,A,光源,B,31,偏光技术应用实例,32,照明技术：防外乱光技术应用,防外乱光濾波片的効果,金属工件輪廓清晰,防外乱光濾波片的効果,金属工件輪廓模糊,33,机器视觉系统组件,镜头,镜头,34,成像尺寸,35,焦距与视场角,36,焦距与视场角,例如：,使用,HV1303UM,拍摄视野为,440mm*330mm,拍摄距离为,2500mm,37,常用公式,放大率,物距,像距,焦距,物高,像高,L,L,h,h,m,/,/,?,?,),/,1,1,(,m,f,L,?,?,),1,(,m,f,L,?,?,),/,1,1,/(,m,L,f,?,?,f,f,L,h,m,h,h,/,),(,/,?,?,?,f,f,L,h,mh,h,/,),(,?,?,?,38,镜头分辨率,分辨率单位：,lp/mm,影响因素：,镜头结构、材质、加工精度,镜头的相对孔径越大，分辨率越高,光波长度，波长越短分辨率越高,视场中心较边缘分辨率高,同档次的固定焦距镜头较变焦镜头分辨率高,短焦镜头一般边缘分辨率较中心低，长焦镜头一般中,心较边缘分辨率低。,理想光学系统的最小分辨距离,b=(0.61,)/nsin,max,其中，,为光的波长,n,为像空间介质折射率,max,为像方孔径角,当镜头对无限远成像，且像方为空气时（近似计算公式）,b=1.22,F,其中，,F,为光圈数,39,远心镜头,40,镜头选型,分辨率,焦距,光圈,景深,成像尺寸,视场角,远心,畸变,41,机器视觉系统组件,工业摄像机,工业摄像机,42,工业摄像机分类,按不同芯片类型划分：,1,、,CCD,摄像机,2,、,CMOS,摄像机,43,CCD Sensor,Full Frame Array Sensor,Output,(Amplifier),Serial readout register,优点：填充因子,(fill factor),可以达到非常高，甚至达到,100%,。,这样,Sensor,灵敏度非常大。,缺点：由于传输和读出使用的时钟相同，因此,Sensor,上面的部分,曝光时间比下面的长，这会造成,Smear,现象。为了解决这个问题，,必须使用机械快门或闪光灯。,44,CCD Sensor,Frame Transfer Sensor,解决了,Full Frame Array Sensor,发生,Smear,现象的问题,从感光部分转移到屏蔽存储区域的时,间约为,500us,优点：在曝光时间较长的情况下，,Smear,现象比,Full Frame Array Sensor,小很多,缺点：由于需要两个,Sensor,，因此成,本非常高,Light sensitive,CCD-sensor,Shielded,memory area,Readout register,.,45,CCD Sensor,Interline Transfer,Sensors,转移时间约为,1us,，因此完全不存,在,Smear,现象。,优点：由于转移时间非常短，因,此不需要使用机械快门或闪光灯,缺点：由于屏蔽区占用了,Sensor,的部分面积，因此使得此种传感,器填充因子只能在,20%70%,添加微镜头可以增加填充因子,Horizontal shift registers,vertical shift register,Shielded,(Photo diodes),Sensor elements,Output,(Amplifier),46,Electronic shutter&Micro Lenses,Overflow Drain,主要用来消除,CCD Sensor,的,Blooming,现象,它也被用来实现电子快门,通过,Micro Lenses,可以将传感器,的填充因子提高。,CCD,可以从,80%,提高到约,100%,CMOS,可以从,30%,提高到约,80%,47,CMOS Sensor,48,AOI,由于,CMOS,可直接访问单个像素，,因此在,AOI,非常小的情况下，,CMOS,与,CCD,相比，帧率上有较大的优势。,CMOS,Sensor,甚至可以将,A/D,转换集成,到每个像素中去，在不使用,AOI,时帧率,上也有优势,49,CCD vs CMOS,CCD,CMOS,优,1.,图像质量高,2.,灵敏度高,3.,对比度高,1.,体积小,2.,片上数字化,3.,很多片上处理功能,4.,低功耗,5.,没有,Blooming,现象,6.,直接访问单个像素,7.,高动态范围（,120dB,）,8.,帧率可以更高,劣,1.Blooming,2.,不能直接访问每个像素,3.,没有片上处理功能,1.,一致性较差,2.,光灵敏度差,3.,噪声大,50,CCD vs CMOS,CCD,CMOS,串行处理,并行处理，可直接访问单,像素,线性度好,高动态范围,低噪声,存在固定模式噪声,功耗一般,功耗较低,集成度较低,高集成度，芯片上集成了,很多功能,51,Interlaced Scan vs Progressive Scan,Interlaced Scan,Progressive Scan,52,Rolling Shutter vs Global Shutter,Rolling Shutter,Global Shutter,53,彩色摄像机,1.Bayer,2.3CCD,3.3Lines,4.,54,彩色摄像机效果对比,3CCD,Raw Image,Bayer,Difference,55,工业摄像机接口类型,1.,模拟接口,2.,CameraLink,3.,1394a,4.,1394b,5.,Usb2.0,6.,GigE,7.,Ethernet,8.,56,工业摄像机接口类型,CameraLink,Usb2.0,1394a,1394b,GigE,Ethernet,速度,Base:1.5Gbps,Medium:3.8Gbps,Full:5.1 Gbps,480Mbps,400Mbps,800Mbps,1000Gbps,100Mbps,距离,10m,5m,4.5m,4.5m,100m,100m,优势,1.,带宽高,2.,有带预处理功能,的采集设备,3.,抗干扰能力强,1.,易用,2.,价格低,3.,多相机,1.,易用，价格低，多相机,2.,传输距离远，实际线缆,可达到,17.5m,，光纤传输,可达,100m,3.,有标准,DCAM,协议,4.CPU,占用最低,1.,易用，价格,低，多相机,2.,传输距离远，,线缆价格低,3.,标准,GigE,Vision,协议,1.,易用，,价格低,2.,传输距,离远，线,缆价格低,缺点,1.,价格高,2.,线中不带供电,1.,无标准协议,2.CPU,占用高,1.,长距离传输线缆价格稍,贵,1.CPU,占用高,2.,对主机配置,要求高,3.,有时存在丢,包现象,1.,无标准,协议,2.,带宽过,低,3.CPU,占,用过高,57,PCI vs PCI-E,PCI-32,PCI-64,PCI-Express,速度,133MBps,266MBps,1x 266MBps,2x 266*2 MBps,4x 266*4 MBps,8x,16x,32x 8.25GBps,PCI Express,采用的是点对点通信机制，各个插槽都将通过各自,独享的通道发送和接受数据，这样就可以避免出现不同设备同,时争抢系统和,CPU,资,源的情况。,58,同步采集,vs,异步采集,59,工业摄像机选型,1.,根据摄像机拍摄的视野以及系统需要达到的精度选择分辨率,2.,根据拍摄对象运动与否选择合适相机,3.,根据生产线速度选择合适帧率,4.,根据相机接口类型以及相机数量选择合适的采集卡,例如：,某视觉检测系统需要两个检测工位,拍摄过程中工件不停止。,两个工位视野相同，均为,400mm*300mm,。,要求检测精度达到,0.4mm,以上。,检测速度大于每分钟,1000,工件。,60,回顾,简单介绍了机器视觉系统以及机器视觉系统中几个,重要的组成部分，包括光源、镜头和摄像机。,后面的培训中将按照产品类型进行详细介绍。并且,将细致地介绍与某产品类型相关的技术细节。如,模拟相机、,1394,传输协议、,GigE,传输协议、各种,光源选型、,HALCON,功能介绍等等。,61,Thank You For Your,Attention!,