機器視覺入門

機器視覺入門知識總結

1、機器視覺系統  

  工業相機類型：按照輸出信號類型的不一樣分爲模擬相機和數字相機兩種。而數字相機按照接口標準不一樣，能夠分爲1394相機、USB相機、CameraLink相機以及Gige相機四種。其中CameraLink接口相機可以解決大數據量傳送問題；Gige接口相機可以解決長距離、快速傳輸問題；而1394相機和USB接口相機具備簡單易用、性價比高等特色；

     鏡頭接口類型：C接口、CS接口、U接口等；

     光源類型：環形光源、背光源、同軸光源、條形光源、點光源、球積分光源等；

2、如何選擇相機？

1、根據應用的不一樣分別選用CCD或CMOS相機

CCD工業相機主要應用在運動物體的圖像提取，固然隨着CMOS技術的發展，不少貼片機也在選用CMOS工業相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中通常用CCD工業相機比較多。CMOS工業相機由成本低，功耗低也應用愈來愈普遍。

2、分辨率的選擇

　　根據系統需求來選擇分辨率大小。首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據精度選擇分辨率。相機像素精度=單方向視野範圍大小/相機單方向分辨率。則相機單方向分辨率=單方向視野範圍大小/理論精度。若單視野爲5mm長，理論精度爲0.02mm，則單方向分辨率=5/0.02=250。然而爲增長系統穩定性，不會只用一個像素單位對應一個測量/觀察精度值，通常能夠選擇倍數4或更高。這樣該相機需求單方向分辨率爲1000，選用130萬像素已經足夠。

　　其次看工業相機的輸出，如果體式觀察或機器軟件分析識別，分辨率高是有幫助的；如果VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴於顯示器的分辨率，工業相機的分辨率再高，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，工業相機的分辨率高也是有幫助的。

應用案例：假設檢測一個物體的表面劃痕，要求拍攝的物體大小爲10*8mm,要求的檢測精度是0.01mm。首先假設咱們要拍攝的視野範圍在12*10mm,那麼相機的最低分辨率應該選擇在：(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,約爲120萬像素的相機，也就是說一個像素對應一個檢測的缺陷的話，那麼最低分辨率必須很多於120萬像素，但市面上常見的是130萬像素的相機，所以通常而言是選用130萬像素的相機。但實際問題是，若是一個像素對應一個缺陷的話，那麼這樣的系統必定會極不穩定，由於隨便的一個干擾像素點均可能被誤認爲缺陷，因此咱們爲了提升系統的精準度和穩定性，最好取缺陷的面積在3到4個像素以上，這樣咱們選擇的相機也就在130萬乘3以上，即最低不能少於300萬像素，一般採用300萬像素的相機爲最佳(我見過最多的人抱着亞像素不放說要作到零點幾的亞像素，那麼就不用這麼高分辨率的相機了。好比他們說若是作到0.1個像素，就是一個缺陷對應0.1個像素，缺陷的大小是由像素點個數來計算的，試問0.1個像素的面積怎麼來表示？這些人以亞像素來忽悠人，每每說明了他們的沒有常識性)。換言之，咱們僅僅是用來作測量用，那麼採用亞像素算法，130萬像素的相機也能基本上知足需求，但有時由於邊緣清晰度的影響，在提取邊緣的時候，隨便偏移一個像素，那麼精度就受到了極大的影響。故咱們選擇300萬的相機的話，還能夠容許提取的邊緣偏離3個像素左右，這就很好的保證了測量的精度。

3、相機幀數選擇

　　當被測物體有運動要求時，要選擇幀數高的工業相機。但通常來講分辨率越高，幀數越低；

4、與鏡頭的匹配

　　傳感器芯片尺寸須要小於或等於鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配。

C與CS接口的區別在於鏡頭與攝像機接觸面至鏡頭焦平面（攝像機 CCD光電感應器應處的位置）的距離不一樣:
C型接口此距離爲17.5mm 
CS型接口此距離爲12.5mm
C型鏡頭與C型攝像機，CS型鏡頭與CS型攝像機能夠配合使用。
C型鏡頭與CS型攝像機之間增長一個 5mm的C/CS轉接環能夠配合使用。
CS型鏡頭與C型攝像機沒法配合使用。

3、如何選擇鏡頭？

  工業攝像頭在分辨率，幀率，對光線的要求，曝光方式等都有高可比性，其中主要部件爲CCD感光芯片。

　　1.分辨率（Resolution）：相機每次採集圖像的像素點數（Pixels），對於數字工業相機通常是直接與光電傳感器的像元數對應的，對於模擬相機則是取決於視頻制式，PAL製爲768*576，NTSC製爲640*480。

　　2.像素深度（Pixel Depth）：即每像素數據的位數，通常經常使用的是8Bit，對於數字工業相機通常還會有10Bit、12Bit等。

        3.最大幀率（Frame Rate）/行頻（Line Rate）：相機採集傳輸圖像的速率，對於面陣相機通常爲每秒採集的幀數（Frames/Sec.），對於線陣相機爲每秒採集的行數。

　　4.像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元數（分辨率）共同決定了相機靶面的大小。目前數字工業相機像元尺寸通常爲3μm-10μm，通常像元尺寸越小，製造難度越大，圖像質量也越不容易提升。

　　5.曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）：對於線陣相機都是逐行曝光的方式，能夠選擇固定行頻和外觸發同步的採集方式，曝光時間能夠與行週期一致，也能夠設定一個固定的時間；面陣工業相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數字工業相機通常都提供外觸發採圖的功能。快門速度通常可到10微秒，高速工業相機還能夠更快。

　　6.光譜響應特性（Spectral Range）：是指該像元傳感器對不一樣光波的敏感特性，通常響應範圍是350nm－1000nm，一些相機在靶面前加了一個濾鏡，濾除紅外光線，若是系統須要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

4、如何選擇光源？

        光源是影響機器視覺系統輸入的重要因素，其直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。因爲沒有通用的機器視覺照明設備，因此針對每一個特定的應用實例，要選擇相應的照明裝置，以達到最佳效果。下面介紹幾種常見的照明方式。

　　直接照明：光直接射向物體，獲得清楚的影像。當須要獲得高對比度物體圖像的時候，這種類型的光頗有效。可是當用它照在光亮或反射的材料上時，會引發像鏡面的反光。通用照明通常採用環狀或點狀照明。環燈是一種經常使用的通用照明方式，其很容易安裝在鏡頭上，可給漫反射表面提供足夠的照明。

　　同軸照明：同軸光的造成即經過垂直牆壁出來的變化發散光，射到一個使光向下的分光鏡上，相機從上面經過分光鏡看物體。這種類型的光源對檢測高反射的物體特別有幫助，還適合受周圍環境產生陰影的影響，檢測面積不明顯的物體。

　　暗場照明：暗場照明是相對於物體表面提供低角度照明。使用相機拍攝鏡子使其在其視野內，若是在視野內能看見光源就認爲使亮場照明，相反的在視野中看不到光源就是暗場照明。所以光源是亮場照明仍是暗場照明與光源的位置有關。典型的，暗場照明應用於對錶面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。

　　漫射照明：連續漫反射照明應用於物體表面的反射性或者表面有複雜的角度。連續漫反射照明應用半球形的均勻照明，以減少影子及鏡面反射。這種照明方式對於徹底組裝的電路板照明很是有用。這種光源能夠達到170立體角範圍的均勻照明。

　　背光照明：從物體背面射過來均勻視場的光。經過相機能夠看到物面的側面輪廓。背光照明經常使用於測量物休的尺寸和定物體的方向。背光照明產生了很強的對比度。應用背光技術時候，物體表面特徵可能會丟失。例如，能夠應用背光技術測量硬幣的直徑，可是卻沒法判斷硬幣的正反面。

　　除了以上介紹的幾種經常使用照明技術，還有些特殊場合所使用的照明技術，好比在線陣相機中須要亮度集中的條形光照明；好比在精密尺寸測量中與遠心鏡頭配合使用的平行光照明技術；好比在高速在線測量中減少被測物模糊的頻閃光照明技術；又好比能夠主動測量相機到光源的距離結構光照明技術和減小雜光干擾的偏振照明技術等。

　　此外，不少複雜的被測環境須要兩種或兩種以上照明技術共同配合完成。於是豐富的照明技術能夠解決視覺系統中圖像獲取的不少問題，光源照明技術的選擇可能對一個視覺系統的成功與否相當重要。