视觉测量技术(一)-视觉系统构成.ppt
视觉测量技术,（一）视觉系统组成,丁雅斌,、什麽是机器视觉？,人类的眼睛,机器视觉传感器,以光电传感器和计算机为核心组成的能够模拟人类视觉而完成某项工作的方法及装备 通过两维图像建立三维或高维真实世界的模型,2、机器视觉应用,目标识别与定位,2、机器视觉应用,质量检测,2、机器视觉应用,几何量测量,Rocky 7 火星车,2、机器视觉应用,导航,Rocky7视觉系统获取的立体图象对,(a)深度图象(b)障碍物探测示意图Rocky7 视觉系统对场景的深度恢复,2、机器视觉应用,导航,2、机器视觉应用,其他应用,智能交通监控,遥感图像分析（植被分析、考古发掘）医学图像分析（骨骼定位）安全鉴别、监视与跟踪（门禁系统、视频监控）国防系统（目标自动识别与目标跟踪）文物保护（数字博物馆）其他（游戏、动画、体育、人机交互）,机器视觉的一些基本概念,1.平面视觉（Planar Vision）：被测对象处在平面内，只对目标在平面的信息进行测量的视觉测量与控制。2.立体视觉（Stereo Vision）：对目标在三维笛卡尔空间内的信息进行测量的视觉测量与控制。3.结构光视觉（Structured Light Vision）：利用特定光源照射目标，形成人工特性，由摄像机采集这些特征进行测量。结构光视觉可简化图像处理中的特征提取，大幅度提高图像处理速度。4.主动视觉（Active Vision）：对目标主动照明或者主动改变摄像机参数的视觉系统。5.被动视觉（Passive Vision）：如双目视觉。,被动视觉采用自然测量，,机器视觉的一些基本概念,6.视觉测量（Vision Measure/Visual Measure）：根据摄像机获得的视觉信息对目标的位置和姿态进行的测量。7.手眼系统（Hand-Eye System）：摄像机和机械手构成的机器人视觉系统。.Eye-in-Hand：摄像机安装在机械手末端并随机械手一起运动 的视觉系统。Eye-to-Hand：摄像机不安装在机械手末端，不随机械手运动 的视觉系统。8.视觉控制（Vision Control/Visual Control）：根据视觉测量获得目标的位置和姿态，将其作为给定或者反馈对机器人的位置和姿态进行的控制。9.视觉伺服（Visual Servo/Visual Servoing）：利用视觉信息对机器人进行的伺服控制，是视觉控制的一种。,3、机器视觉检测系统的构成,1 被测物体,4 光照系统,2 摄像机,5 摄像机-计算机接口,3 计算机,6 控制机构,3.1 摄像机,聚焦光线,生成图像,3.1 摄像机-Sensor,摄像机的作用：将通过镜头聚焦于像平面的光 线生产图像。摄像机最重要的部件：数字传感器CCD（charge-coupled device）电荷耦合元件CMOS（complementary metal-oxide semiconductor）互补金属氧化物半导体,CCD（charge-coupled device）电荷耦合元件 也称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的图像分辨率也就越高。,3.1 摄像机-Sensor,CMOS（complementary metal-oxide semiconductor）互补金属氧化物半导体,3.1 摄像机-Sensor,CCD Vs CMOS,3.1 摄像机-Sensor,3.1 摄像机-CCD 传感器-尺寸,主要有2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。面积越大，捕获的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。2/3英寸的300万像素相机效果通常好于1/2英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的53%)。而相同尺寸的CCD，像素越多，图像质量越好。价格越高。,3.1 摄像机-CCD 传感器-尺寸,3.1 摄像机-镜头-Lens,镜头是一种光学设备，用于聚焦光线在摄像机内部成像。镜头的作用是收集光线，产生锐利的图像，以得到被测物体的细节。,通常由一块或者多块光学玻璃或塑料组成的透镜组，基本单元为凹透镜、凸透镜，或其组合,虹膜调节瞳孔的大小，对光线大小进行控制。光线通过焦距20的晶状体，在视网膜上成像。,3.1 摄像机-镜头 Vs.人眼,3.1 摄像机-镜头 型号,3.1 摄像机-镜头 型号,3.1 摄像机-镜头 型号,3.1 摄像机-镜头 型号,3.1 摄像机-镜头 焦距,3.1 摄像机-镜头 焦距,3.1 摄像机 几种专业术语,分辨率 Resolution:被检测物体的最小特征尺寸,像素 Pixel像素分辨率 Pixel resolution:图像上需要表达被测物体所需的最小像素个数,视野 Field of view物体可被检测到的区域，换言之,它是物体填满传感器图象的区域,工作距离 Working distance 从镜头前端到被检测物体表面的距离,3.1 摄像机 几种专业术语,景深 Depth of field:在整个聚焦范围内，能够维持清楚成像对应的最大物体的深度；也可定义为在允许聚焦的范围内，允许物体移动的范围。,图像 Image,传感器尺寸 Sensor size传感器的有效面积,典型的指标是水平尺寸,3.1 摄像机 选型步骤,1 明确被测物体的测量精度要求，选择适合的CCD尺寸和像素数目,关注的要素：视野CCD尺寸像素分辨率,基本要求：被测物体在某一方向上尽量充满摄像机的视野,3.1 摄像机 选型步骤,基本要求：被测物体在某一方向上尽量充满摄像机的视野,wfov是摄像机视野在X方向的尺寸，hfov是Y方向的尺寸w是物体X方向上的最小特征，h是Y方向上的最小特征,则所需最小像素分辨率为,3.1 摄像机 选型步骤,根据被测物体尺寸确定视野大小，进而确定所需CCD 的尺寸,CCD上的像素数目最小像素分辨率数目,3.1 摄像机 选型步骤,1 明确被测物体的测量精度要求，选择适合的CCD尺寸和像素数目,2 确定相机的接口类型,C or CS or F,3.1 摄像机 选型步骤,焦距=（CCD尺寸工作距离）/视野,如果工作距离不变，可选择定焦镜头,如果工作距离时变，可选择变焦镜头,如果被测物体本身高度变化大，即需要测量的景深大，根据最大、最小距离都可清晰成像选择焦距范围,3.2 照明,1 光源类型2 光照技术,目的：使被测物体的重要特征显现，抑制不重要的特征,光源类型,光照技术,利用有效照明使被测特征对比度最大化,光照技术-反射类型,镜面反射对角直接反射光线漫射反射所有方向漫射光线,光照技术-照明的方向,光源在摄像机对面,光源在摄像机一方,光照技术-背光照射,增强被测工件的边缘轮廓 看到半透明物体的透光性（相对障碍物光的通过特性）观察出物体表面的光洁度、颜色、发射光和不明显的高度变化,光照技术-背光照射的效果,光照技术-背光照射图像比较,通过塑料连接器的金属针Metal pins through plastic connector,光照技术-背光照射图像比较,光照技术-入射光照,光源在摄像机一方,1、普通用途的光照(明场或暗场)General Purpose-Bright or Dark Field2、关于光轴的漫射光照（区域照射）DOAL-Diffused On-Axis Light 3、均匀光的漫（散）射（同轴照射）DOME,入射光照-明场、暗场,了解“W”,反射光与光源角度相同。明场：光线反射后进入摄像机。暗场：光线反射后未进入摄像机。,入射光照-明场、暗场,对形成高对比度有益，但反光表面会生成镜面反射光源范围应在照相机透镜视野的两倍处,漫射光被反射进入照相机但镜面反射光线被反射离开光源在“W”之外除有纹理的表面和凸高变化的表面之外，光线被反射而不进入照相机,入射光照-明场、暗场,入射光照-明场、暗场,入射光照-明场、暗场,入射光照-明场、暗场,入射光照-明场、暗场,入射光照-均匀光的漫（散）射,入射光照-均匀光的漫（散）射,用区域光照的加工表面,用DOME光照的加工表面,入射光照-均匀光的漫（散）射,入射光照-关于光轴的漫射光照,入射光照-关于光轴的漫射光照,突出光洁表面与纹理表面反射光的不同Emphasize Finish/Texture(reflection)Differences,纹理表面光照,入射光照-关于光轴的漫射光照,缺针的连接器,入射光照-关于光轴的漫射光照,金属轴上的激光码,入射光照-关于光轴的漫射光照,倾角光照,突出倾角的变化,90%机器视觉应用的成功案例来自于恰当的照明.摄像机并不能看到物体；只能看到从物体表面反射过来的光。如果摄像机无法看到部件和标记，也就无法读取和检测。,你应该知道：,摄像机-计算机接口,图像采集卡是将模拟摄像机的图像信号经过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，使计算机能对摄像机拍摄到的现场图像进行实时处理、存储和显示的硬件设备。,摄像机-计算机接口,模拟信号经A/D转换，传输至内存的图像,摄像机-计算机接口,传统数字信号（RS-422,LVDS)Camera LinkIEEE1394(Firewire)USBGigabit Ethernet,数字接口-LVDS,优点：高速，可靠性高，传输距离远，支持多相机连接。缺点：管脚定义不统一，兼容性差，电缆成本高。,LVDS 是一个低波动、差分I/O技术的高速接口。每线对最大传输率为655Mb/s。,数字接口-Camera Link,13对线（其中有 6线对数据线），使得接插件的尺寸更加的小巧。允许相机设计的体积更小。更高的传输速率。采用Channel Link芯片组(支持速率达2.3Gb/s)满足对数据传输速率越来越高的要求。集成有串口通讯协议。,数字接口-USB,接口是4芯，其中2根为电源线、2根为信号线，接口体积小，可热拔插，可真正实现即插即用，适合传送多媒体数据的传送模式，连接方便。USB 2.0向下兼容USB 1.1、USB 1.0，数据的传 输率可以达到120Mbps480Mbps。传输距离短，0.6米。,数字接口-IEEE1394,两种接口标准，一种是6针接口，另一种是4针接口。6针接口可以从端口获得电源，以给那些无法自己供电的产品提供电源。1394A传输速率为 400Mb/s，1394B 可达 800Mb/s。不需要控制器，可以实现对等传输，最大连线4.5米，大于4.5米可采用中继设备。支持即插即用。它是目前唯一支持数字摄录机的总线。,数字接口-Gigabit Ethernet,带宽可达到1000 Mbps，图像可以无损失实时传输。最远可传输100米。标准的网络连接器，电缆线成本低。带宽易于升级，包括10M,100M,1000M 等，在工业机器视觉中将被广泛应用。,数字接口-比较,Camera Link,Channel Link,LVDS,RS-422,GigE,IEEE1394,USB,数字接口-比较,数字接口-如何选择,视频信号接口 模拟信号接模拟采集卡；数字信号接数字采集卡。如：CameraLink-CameraLink；1394-1394,要求摄像机与采集卡的视频信号类型一致,数字接口-如何选择,数据采集能力(MHz)要求采集卡的数据采样频率大于或等于摄像机信号数据输出频率。采集卡的数据率必须满足的要求可按下式计算：Data Rate(Grabber)为采集卡的数据率；Data Rate(Camera)为摄像机的数据率；R为相机的分辨率；f为相机的帧频。,模拟 Data Rate(Grabber)1.2R*f数字 Data Rate(Grabber)Data Rate(Camera),1 被测物体,4 光照系统,2 摄像机,5 摄像机-计算机接口,3 计算机,6 控制机构,合理配置视觉系统，降低成本，提高效率,Q&A,
