機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng).ppt

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1、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù) 機(jī)器視覺測(cè)量系統(tǒng),精勤求學(xué) 敦篤勵(lì)志 果毅力行 忠恕任事,,Xian Jiaotong University,主要內(nèi)容,圖像傳感器,圖像測(cè)量系統(tǒng),圖像處理技術(shù),CCD, CMOS,照明、鏡頭、圖像傳感與采集、中央處理器,基本概念、圖像增強(qiáng)、圖像分析,Xian Jiaotong University,圖像測(cè)量系統(tǒng),控制中樞、圖像處理,照明,鏡頭、圖像傳感器,圖像采集,,,,,視頻信號(hào),,Xian Jiaotong University,照明,光源 照明技術(shù) 不同光源與照明技術(shù)效果舉例,Xian Jiaotong University,光源,方向 直射光:入射光基本上來自一個(gè)方向,入

2、射角小,被照射物體有陰影; 散射光:入射光來自多個(gè)方向,不會(huì)投射出明顯陰影。,Xian Jiaotong University,光譜 光的組成成份,如日光由從紫外到紅外的所有光譜組成。 取決于光源的類型和光學(xué)濾色鏡。 可見光光譜如圖所示:,光源,Xian Jiaotong University,光源,偏振性,又稱極化光 一般光波的震蕩方向是不定的,極化光的震蕩方向處在一個(gè)確定的平面上。 在鏡面反射中保留了定向性,可以借此消除鏡面反射光的影響。,強(qiáng)度 光照強(qiáng)度會(huì)影響攝像頭的曝光,光線不足會(huì)造成對(duì)比度降低,噪聲過大; 光線過強(qiáng)會(huì)造成圖像飽和,能量浪費(fèi)以及散熱等問題。,均勻性 在所有機(jī)器視覺應(yīng)用中,

3、都要求均勻的光照。照射強(qiáng)度會(huì)隨距離和角度偏離而減小,需要特別考慮。,Xian Jiaotong University,光源,光源的種類 按發(fā)光器件:鹵素等、熒光等、LED燈、氙(xian)燈等; 按幾何形狀:環(huán)形、方形、穹型、長條型燈; 按發(fā)光特性:點(diǎn)光源、線光源、面光源等; 按照射角度:直射、間接、掠射、同軸、平行等。 LED燈:顏色豐富、發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、體積小、發(fā)熱小、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定、壽命長、易于組成不同形狀的光源,是重要的光源發(fā)展趨勢(shì)。,,Xian Jiaotong University,照明技術(shù),物體的反射特性 鏡面式反射;漫反射,Xian Jiaotong Universi

4、ty,照明技術(shù),顏色 相加色:兩種或三種波長組合成某種波長光的效果。 相減色:反射時(shí)從光譜中去除某些波長的光。,光學(xué)密度、折射率、紋理、表面方向,Xian Jiaotong University,照明技術(shù),正向照明 鏡面:光線直接反射進(jìn)入鏡頭; 離軸照明:光源在鏡頭軸線側(cè)面、避開了鏡面反射; 半漫射照明:光照較均勻,如環(huán)形光; 漫射照明:光線來自所有方向,鏡面反射最少; 黑場(chǎng):光線與鏡頭視線方向垂直。 背光照明 漫射式:光源+平板,背面照射; 凝聚式:使用鏡頭將光線集中于一個(gè)方向; 黑場(chǎng):適用于檢測(cè)透明物體中的裂痕、氣泡等。,,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技

5、術(shù)效果舉例,高角度亮場(chǎng)與低角度暗場(chǎng),光照強(qiáng)、較均勻,光滑表面的文字、傷痕等紋理檢測(cè),Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,從邊上的黑場(chǎng)照明,最適合凹凸不平表面及表面缺陷,缺點(diǎn)是陰影太大。,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,用明視野和暗視野照明對(duì)比,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,用碗狀照明消除暈眩光,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,用透射光檢查物體的有無,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技

6、術(shù)效果舉例,光源的顏色差異,中心部有銀色涂層的銅框架,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,紅外線照明,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,紅外線照明,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,紫外線照明,Xian Jiaotong University,偏振光照明,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,Xian Jiaotong University,偏振光照明,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,圖鏡子上灰塵指印,掠射;圖鏡子上油脂指印,暗視場(chǎng);圖光盤上油脂指印,暗視場(chǎng),Xian Jiaot

7、ong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,偏振光照明,,Xian Jiaotong University,鏡頭,鏡頭的視野、景深和焦距示意圖,Xian Jiaotong University,鏡頭,基本概念 成像面:被測(cè)物及其背景通過鏡頭投影到二維圖像傳感器平面,一般是長寬比為4:3的矩形; 視野(Field of View,F(xiàn)OV):與成像面對(duì)應(yīng)的景物平面范圍; 工作距離(Work Distance,WD):被測(cè)物到物鏡的距離; 景深:以鏡頭最佳聚焦WD為中心,前后存在一個(gè)范圍,在此范圍內(nèi)的物體能夠清晰成像,這個(gè)范圍被稱為景深(Depth of View,DOV) 焦距,Xi

8、an Jiaotong University,選擇鏡頭的關(guān)鍵參數(shù),物鏡的焦距f f決定了物體在成像面成像的大小,焦距越長,成像越大; f可以短到幾毫米,長達(dá)數(shù)十米; 變焦距鏡頭可以通過調(diào)節(jié)焦距獲得不同的放大倍數(shù)。 相對(duì)孔徑F=D/f(光圈) D是鏡頭中光線能通過的有效圓孔直徑,D越大,收集的光線越多;如f = 50mm,D = 8.9mm,則相對(duì)孔徑F= 8.9/50=1/5.6; 鏡頭上以1/F表示光圈值,如3.4,5.6,8,11,16等,光圈每增加一檔,光照度增加一倍;,Xian Jiaotong University,相對(duì)孔徑F=D/f(光圈) F越大,景深越短;光圈越小,景深越長。為

9、了獲得較大景深的清晰圖像,可以采取加大光強(qiáng),減小光圈的方法。 視場(chǎng)角 物鏡的視場(chǎng)角決定了成像面上良好成像的空間范圍。 當(dāng)成像面尺寸一定時(shí),f越長,視場(chǎng)角越小。反之視場(chǎng)角越大。,選擇鏡頭的關(guān)鍵參數(shù),Xian Jiaotong University,選擇鏡頭,PMAG:鏡頭的放大倍數(shù),Xian Jiaotong University,選擇鏡頭,如何選擇焦距,WD:工作距離 Ho:視野的高度 Hi:相機(jī)有效成像面高度,PMAG:鏡頭的放大倍數(shù) LE:鏡頭像平面的擴(kuò)充距離為實(shí)現(xiàn)聚焦像平面后移,LE = Di-f = PMAG*f,Xian Jiaotong University,選擇鏡頭,物距WD、放

10、大倍數(shù)PMAG和焦距f的關(guān)系,利用上式可通過被測(cè)物尺寸(Ho)、物距(WD)和像平面高度(Hi)計(jì)算出所需鏡頭的焦距f。,LE = Di-f = PMAG*f,Xian Jiaotong University,選擇鏡頭,普通鏡頭選擇步驟: 獲得物體至鏡頭的距離WD,如果是一個(gè)范圍,取中間值; 計(jì)算圖像放大倍數(shù)PMAG; 利用公式計(jì)算所需的焦距; 選取與計(jì)算值最接近的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭產(chǎn)品,并取其焦距值; 根據(jù)所選鏡頭焦距重新核算鏡頭到物體的距離WD。 舉例:,物體至鏡頭的距離在10cm30cm范圍內(nèi),取WD=20cm。 設(shè)視場(chǎng)高度為6cm,傳感器成像面高度為6.6mm,則鏡頭放大倍數(shù)為:,Xian Ji

11、aotong University,計(jì)算所需鏡頭焦距: 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距:8mm、12.5mm、16mm、25mm和50mm 16mm鏡頭的焦距最接近計(jì)算值,使用該值重新計(jì)算WD: 鏡頭的擴(kuò)充距離為: 如果鏡頭擴(kuò)充距離不夠,可以通過墊圈(1mm或0.5mm)調(diào)節(jié)聚焦機(jī)構(gòu)獲得所需擴(kuò)充距離。,選擇鏡頭,Xian Jiaotong University,鏡頭的分類,按鏡頭接口 CCTV(C-MOUNT):又稱C接口鏡頭,采用螺紋式固定方式,在機(jī)器視覺中應(yīng)用最廣泛,具有重量輕、體積小、價(jià)格便宜、品種多等優(yōu)點(diǎn)。 CS-MOUNT是C接口的一種變形,二者區(qū)別在于鏡頭的定位面到圖像傳感器光敏面的距離不同。C接

12、口相機(jī)與CS鏡頭連接不能獲得良好聚焦,而且會(huì)損壞CCD靶面。,Xian Jiaotong University,C接口鏡頭產(chǎn)品,1,連接C-接口視覺 傳感器的螺紋 2,根據(jù)型號(hào)可選塑料 或金屬外殼 3,有各種尺寸的標(biāo)準(zhǔn)型,高能型和百萬像素型的鏡頭 4,帶焦距鎖定 5,可選C-接口增倍鏡,Xian Jiaotong University,F接口尼康工業(yè)鏡頭;V接口施耐德工業(yè)鏡頭 35mm相機(jī)鏡頭(35mm是膠片寬度):即最常見的135相機(jī)使用的鏡頭,采用卡口式固定方式,不同相機(jī)品牌的鏡頭規(guī)格通常不一致,不具有互換性;在振動(dòng)環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生移動(dòng),在機(jī)器視覺系統(tǒng)中較少采用。,Canon,Nikon,

13、鏡頭的分類,Xian Jiaotong University,按等效焦距 廣角鏡頭:景深大,WD短,視角大,易出現(xiàn)桶形失真; 長焦距鏡頭:WD大,放大倍數(shù)大,易出現(xiàn)枕形失真; 中焦距鏡頭:f約在50mm和200mm之間,最常用鏡頭; 按鏡頭所具有的功能 變焦距鏡頭(自動(dòng)調(diào)焦) 變光圈鏡頭(自動(dòng)光圈) 遠(yuǎn)心鏡頭:可以產(chǎn)生正交投影拍攝效果; 微距鏡頭:拍攝微小物體,放大倍數(shù)在0.252之間。 顯微鏡頭:成像比例大于10倍。 紫外鏡頭、紅外鏡頭:專門針對(duì)紫外光或紅外光折射特性設(shè)計(jì)的鏡頭。,鏡頭的分類,,Xian Jiaotong University,視頻信號(hào),視頻信號(hào)是機(jī)器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵,關(guān)系到攝

14、像機(jī)和采集卡的配合、視頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)試等。 分為黑/白和彩色兩大類,又分為模擬和數(shù)字視頻。模擬視頻分為標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)視頻,數(shù)字視頻包含多種數(shù)字格式。 標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)的周期、時(shí)間間隔、幅度等有明確規(guī)定,又稱為閉路電視CCTV(Closed Circuit Television)。 非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)多用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、儀器等領(lǐng)域的視覺系統(tǒng)。,Xian Jiaotong University,標(biāo)準(zhǔn)黑白視頻信號(hào) 隔行掃描,視頻信號(hào),隔行的幀圖像和奇偶場(chǎng)圖像之間的關(guān)系,Xian Jiaotong University,包含灰度信號(hào)、同步信號(hào)和消隱信號(hào)(零電平),零電平的上部是灰度圖像,零電平處為全黑,零電平的

15、下部是行、場(chǎng)同步信號(hào),包括奇場(chǎng)和偶場(chǎng)的識(shí)別脈沖信息等。,視頻信號(hào),全電視信號(hào)同步信號(hào),Xian Jiaotong University,標(biāo)準(zhǔn)彩色視頻信號(hào) RGB彩色信號(hào):分辨率最高,未經(jīng)壓縮,灰度損失量最??;需要傳送RGB信號(hào)和行場(chǎng)同步信號(hào)。 YUV分量式(YCrCb):Y是黑白全電視信號(hào),UV表示色度(顏色的色調(diào)和飽和度);圖像細(xì)節(jié)主要取決于Y分量,因此可以對(duì)U、V分量壓縮,減少帶寬。 Y = 0.299R+0.587G+0.114B U = Cr = 0.713(R-Y) , V = Cb = 0.564(B-Y) S-Video(Y/C格式):為了把YUV信號(hào)進(jìn)一步混合,用一個(gè)4.33M

16、Hz的正弦和余弦波分別對(duì)U和V進(jìn)行幅度調(diào)制,然后疊加到一起,疊加后的信號(hào)相位和幅值中包含了色調(diào)和飽和度信息,視頻信號(hào)可以通過兩根線傳遞。,視頻信號(hào),Xian Jiaotong University,彩色全電視信號(hào):用一根電纜傳送信號(hào),且與黑白電視信號(hào)兼容。Y信號(hào)是以行頻為重復(fù)周期的周期信號(hào),其頻譜為離散譜,選擇UV載波頻率,使調(diào)制后的C信號(hào)頻譜落在Y頻譜的空隙內(nèi),則Y和C信號(hào)不會(huì)“互相干擾”。 RGB、YUV、S-Video和彩色復(fù)合視頻信號(hào)的信號(hào)形式越來越緊湊,也越來越難以精確恢復(fù)到RGB形式,因此在條件許可的情況下,應(yīng)盡量按照順序選擇高質(zhì)量的信號(hào)形式。,視頻信號(hào),Xian Jiaoton

17、g University,非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào) 非標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)序:不能用標(biāo)準(zhǔn)視頻采集卡和解碼電路處理,大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備和計(jì)算機(jī)VGA輸出都是非標(biāo)準(zhǔn)視頻。 百萬級(jí)像元的分辨率:CCIR標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)代表分辨率為768*576,非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)已經(jīng)超過百萬像素分辨率。 逐行掃描:不分奇偶場(chǎng),一場(chǎng)掃描得到一幀圖像信號(hào)。隔行掃描的圖像只能用于觀看為目的的場(chǎng)合,不能用于運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)。,視頻信號(hào),Xian Jiaotong University,數(shù)字視頻 A/D轉(zhuǎn)換在攝像機(jī)內(nèi)部進(jìn)行,集成度高,受外界干擾小,時(shí)鐘精準(zhǔn)。 以計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線信號(hào)形式傳輸時(shí),不需要采集卡。 常用數(shù)字視頻格式標(biāo)準(zhǔn)包括: LVDS(低電壓差分信號(hào)裝置

18、)和RS-644:傳輸速度大于400MHz;只定義了一個(gè)信號(hào)發(fā)送和接收的電氣特性,沒有定義傳輸協(xié)議、連接方式和接插件細(xì)節(jié)。 Camera link接口協(xié)議:規(guī)范了攝像機(jī)和采集設(shè)備的連接方式,基本傳送單元是LVDS。 通用計(jì)算機(jī)接口USB2.0和FireWire (IEEE 1394),視頻信號(hào),,Xian Jiaotong University,圖像采集卡,圖像采集卡(Image Grabber)又稱為圖像卡,將傳感器輸出的圖像視頻信號(hào)以幀為單位傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)或顯示。,黑白圖像采集卡結(jié)構(gòu)圖,Xian Jiaotong University,圖像采集卡的重要參數(shù): 黑、白參考電平、亮

19、度調(diào)節(jié)、對(duì)比度調(diào)節(jié) 箝位(直流恢復(fù)):A/D參考電平恢復(fù) A/D轉(zhuǎn)換精度:8位、9-12位 采集速度:數(shù)據(jù)速率=每幀總采集點(diǎn)數(shù)轉(zhuǎn)換精度幀速率 總線結(jié)構(gòu):PCI-Experss總線。,圖像采集卡,Xian Jiaotong University,圖像采集卡,選擇圖像采集卡時(shí)需要考慮以下幾個(gè)問題: 所支持的相機(jī)類型:相機(jī)有面掃描和線掃描之分,輸出形式有RS422、RS644、IEEE1394以及Camera link等,圖像可能是8、10、12、14、16、24和32位黑白或彩色圖像。 數(shù)字I/O口:當(dāng)采用多相機(jī)方案時(shí),要考慮多路視頻信號(hào)的同步性,要求圖像采集卡支持多路輸入輸出。 數(shù)據(jù)流量:瞬間數(shù)據(jù)流量太大就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失,為了解決這個(gè)問題,圖像采集卡上應(yīng)該有數(shù)據(jù)緩存。,Xian Jiaotong University,汽車傘齒輪缺陷檢測(cè)系統(tǒng),Xian Jiaotong University,汽車傘齒輪缺陷檢測(cè)系統(tǒng),Xian Jiaotong University,作業(yè),1 一個(gè)典型的機(jī)器視覺圖像測(cè)量系統(tǒng)包括哪些環(huán)節(jié)? 2 為了得到更適合于測(cè)量目的的圖像,可以選取哪些種類的光源?光源的投射方式分別有哪些? 3 電視信號(hào)的掃描方式是什么?它可以用于機(jī)器視覺中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)么?為什么?,Thank You !,

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