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        史上最全面的2D AOI机器视觉技术

         2D机器视觉概述 机器视觉组成 AOI机器视觉的系统组成与人的组成相似,相机 就像人的眼睛(eye),只不过天生是近视眼,所以 一般需要在它的前面加一个镜头,就像近视 的人戴眼镜一样.当然,人没有光源,就看不 清任何物体,所以视觉系统也一样,需要光 源.采集卡相当于人的神经系统,传输数据.

        相机

        鏡头2D视觉基本组成: 工业相机 工业镜头 工业光源 图像采集卡,光源

         

        2D机器视觉概述 2D视觉能做什么 机器视觉的系统就像人的眼睛,通常可以对 看到的物体进行成像,能区别各种各样的东 西,这就是识别的应用;当一个物体来回运 动,可以不断捕获和追踪,这是视觉的定位 功能;为什么可以知道成像物体大小,高低, 尺寸等特征,这就是测量部分,人們经常查 看物体是否赃物,变形,缺陷等,这就是检测 应用.

        2D视觉主要应用: 识别 定位 测量 检测

        2D机器视觉概述 2D视觉应用领域 2D机器视觉应用领域广泛,现在最火的 Iphone手机,就是电子行业常用的一种,在 医院常用的X光,B超等,这是医疗行业的一 种代表,大街上随处可见的汽车,回家过年 看到的火车,这是视觉在交通行业的另一种 典型表现,现人力成本急剧增加,越来越多 的公司开始将产品出货实现无人自动化,这 些多是2D视觉经典应用.

        2D视觉主要应用: 电子行业 医疗行业 汽车行业 包装行业
         

        工业相机 工业相机结构和原理 工业相机原理: 被摄物体的图片经过光学镜头聚焦到相机 芯片上,在驱动电路提供的驱动脉冲下相机 完成光电荷的转换,存储,转移和读取,从而 将光学信号转换为电信号输出,信号处理电 路接受来自相机的电信号,并进行采样保持, 相关双采样,自动增益控制等处理,然后进 行视频信号合成,将相机所输出的电信号轉 换为所需要的视频格式输出.

        工业相机结构 1.右图中上图为CCD芯片结构图. 2.下图为CMOS芯片电路内部结构示意图.
         

        工业相机 相机的分类 相机分类: 1.按芯片为(CCD和CMOS) 2.按传感器类型(面阵和线阵) 3.按信号输出(模拟和数字) 4.按图像模式(彩色和黑白)

        按传感 器类型

        各类主要区别: 1.通常CCD比CMOS贵,图像成像好. 2.面阵常应用较小物体,线阵常应用大目标. 3.模拟相机分辨率低,数字相机常用于高分辨 率. 4.彩色相机为彩图,一般为24bit,黑白相机为灰 度图,一般为8bit.

        按芯片 类型

        按信号 输出

        按图像 模式
         

        工业相机 工业相机关键参数-分辨率 分辨率是相机的基本参数,由相机所采用的芯片

        分辨率决定,是芯片靶面排列的像元数量.通常 面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数 字来表示,如(1024PixelX768Pixel,),而线 阵相机的分辨率通常表示方式为多少K,常用單 位為K,如1K(1024),2K(2048),4K(4096)等.

        使用技巧 使用時通常需要知道图像单位(pixel)和实际物 理单位(mm)之间的对应关系,即视觉系统所能 达到的精度,计算公式如下: 单方向视野大小/相机单方向分辨率=理论精度 例如:视场水平方向的长度为32mm,相机水 平方向分辨率是1600Pixel,所以视觉系统精度 为32/1600=0.02mm.
         

        工业相机 工业相机关键参数-帧率 单位为FPS(帧/秒),指相机每秒钟能采集多少 幅图像,1幅图像为1帧.例如15帧/秒,表示相机 一秒钟能采集15幅图像.一般说来,分辨率越大, 帧率越低.

        使用技巧 1. 目前市場上的工控机网卡大部分為100M的 傳輸速率﹐如果需要用到2个2百萬像素以上的 相机,必须考虑用千兆网卡.计算公式如下: 相机像素/1024/1024*幀率=数据量(單位M) 2.在使用千兆网卡时,为了优化数据传输速率, 有必要设置网卡的两个重要参数.
         

        工业相机 工业相机关键参数-传感器尺寸 工业上, 常用的传感器尺寸有如右图. 使用技巧:在选择镜头時,一般遵循镜头最大兼用 CCD尺寸>=相机芯片尺寸. 单CCD相机

        CCD尺 寸 1”

        圖像尺寸(mm) 水平﹕H 垂直﹕V 對角﹕D 12.8 8.8 6.4 4.8 3.6 9.6 6.6 4.8 3.6 2.7 16 11 8 6 4.6

        1'' 1''镜头 2/3''镜头 1/2''镜头 1/3''镜头 OK X X X

        2/3'' OK OK X X

        1/2'' OK OK OK X

        1/3'' OK OK OK OK

        1/4'' 2/3” X X OK OK 1/2” 1/3” 1/4”


        工业相机 工业相机关键参数-数据传输接口 对于数字相机来说,目前业内常用的接口有USB,IEEE1394,GigE,CameraLink等,对于不同接 口,其特性不同.

        接口类型 USB

        接口简介

        主要特性

        目前采用的USB接口为USB2.0标准, 普及度高,方便易用,低成本,高带宽 最近推出USB3.0技术. (480M).

        1394接口,又称为火线(FireWire),1394a IEEE1394 最高传输速度为400Mbps,1394b最高 速度快,支持热插拔和即插即用. 传输速度为800Mbps. GigE CameraLink 千兆网是一种最新的高速以太网技 传输速度快(1000M),成本低. 术. CameraLink标准由美国工业学会AIA 通用性好,高速. 制定.
         

        工业相机 工业相机关键参数-光谱响应 光谱响应通常是指相机的芯片对不同波长的光线响应能力,X轴表示波长,Y轴表示响应.实验证明 ,相机芯片对500nm波长具有最好的光谱响应.
         

        工业镜头 工业镜头结构 镜头主要组成部件 1.光圈:控制镜头入光亮的光学装置. 2.聚焦环:调节图像清晰度装置.

        光圈是一个用来控制光线透过镜头,进入相机芯片的光量部件,它通常是在镜头内,用F值来表 示.公式如下: f/倍数=通光量. 当倍数从小到大变化(2~22),其通光量减少,实际的表現

        为图像变暗. 聚焦是成像的必要条件,在实际应用中,常用的使用手法为,先将图像调试清晰,然后上下调整从 清晰到模糊,即可确认最佳聚焦.
         

        工业镜头 工业镜头分类 镜头主要分类: 1.按功能分类:定焦镜头,变焦镜头,定光圈镜头. 2.按视角分类:普通镜头,广角镜头,远摄镜头. 3.按焦距分类:短焦距镜头,中焦距镜头,长焦距镜 头. 4.按用途分类:CCTV镜头,远心镜头. 右图为常见的类型.

        CCTV 镜头

        远心 镜头

        微距 镜头

        紫外 镜头

        显微 镜头

        红外 镜头

        工业镜头 工业镜头关键参数-分辨率 镜头的分辨率要和相机相当,常常为了提高测量精度,选用高分辨率的相机,但实际测量效果 没有多大提升.

        常用的工业相机可见如下几种: 0.3M,0.4M,0.8M,1.3M,1.4M,2M,4M,5M,8M,12M.(单位Million) 常用的工业镜头有如下几种: 非百万级,亚百万级,百万级,五百万级,千万级. 所以必须保证镜头的分辨率大于等于相机分辨率.
         

        工业镜头 工业镜头关键参数-畸变 指被摄物平面内的主轴外直线,经光学系统成像 后变为曲线,则此光学系统的成像误差称为畸变. 畸变像差只影响影像的几何形状,而不影响影像 的清晰度.

        减少畸变的使用方法: 1.通过标定,利用软件精确计算. 2.相机芯片为镜头的80%大小. 3.同一工艺下,长焦距优于短焦距. 4.选用镜头制作工艺好的厂家.

        工业镜头 工业镜头关键参数-焦距 镜头的焦距主要对视场,工作距离有较大影响. 我们可以通过以下计算公式得到: 视场/芯片=工作距离/焦距

        注意事项: 1.以上公式的计算结果在工作距离越远,视场越 小的情况下越准确. 2.对于较近的工作距离(小于20mm),请在计算 的结果上再加上镜头的一半或者三分之二作为 工作距离值. 3.如果已知其它参数,减去同样的值作为结果较 为准确.

        焦 距


        工业镜头 工业镜头关键参数-景深 简单来讲,在镜头与物体垂直方向,成像最清晰 时开始调节聚焦环到开始变得不清晰的距离X2, 即为景深.

        景深

        实践经验: 在视野和工作距离不变的情况下: 1.焦距越小,景深越大,漸暈現象越严重 使相 差邊緣的照度降低 2.镜头离物体越远,景深越大. 3.光圈越大,景深越小.
         

        工业镜头 常用工业镜头特性分析 鏡頭 優點 普通CCTV鏡头 用途广﹐成本低﹐体积小. 放大倍率不同﹐放大倍率會有變化﹐ 有视差﹐鏡头畸变大. 大物体成像. 远心鏡头

        放大倍數恆定﹐不隨景深變化 而變化﹐無視差. 成本高﹐尺寸大﹐重量重﹐鏡頭口徑要≧被 測物體尺寸. 精密測量.

        缺點

        应用

        普通镜头测量时,由于投影误差(物体晃动)和周围杂光的影响,测量精度降低.

        远心镜头可以改善由于物体晃动和周围杂光的影响,提高测量精度.
         

        工业光源 光源的作用 照明系统是机器视觉系统最为关键的部分之一,直接关系视觉系统的成败,合适的光源设计,可 以使目标物体与背景得到最大的分离,大大降低图像处理算法,同时提高系统的稳定性和可靠 性.截至到目前,尚无一种通用的照明系统.

        光源的主要作用为: 1.照亮目标,形成有利于图像处理的效果.

        2.克服环境光干扰,保证图像稳定. 判断光源选择好壞的标准: 1.对比度明显,目标和背景边界清晰. 2.整体亮度均匀,亮度适中,颜色真实.
         

        工业光源 光源类型 光源类型 优点 缺点

        LED灯

        1.反應快,10微秒或者更短 时间达到最大亮度. 2.寿命长(30000h-100000h), 光亮度稳定.

        白炽灯

        1.使用寿命短 (1000h). 白炽灯 亮度高,色温与日光接近. 2.响应慢,发热大, 易碎. 1.使用寿命短 (1000h). 卤素灯 亮度高. 2.响应慢. 3.没有光亮度和色 温的变化. 1.使用寿命短 扩散性好,适合大面积照 荧光灯 (1500h). 射. 2.响应慢,亮度暗. 21

        LED灯

        荧光灯

        光钎卤 素灯
         

        工业光源 光源特性分析-波长 紅外 電磁波 10 3

        紫外 可見光 X射線 10 15 10 18 10 21 10 24

        遠紅外 10 6 10 9

        Y射線

        近紅外 10 12

        電磁波譜-光波的能量頻率(HZ) ※ 光是一种电磁辐射,真空波长在380nm---780nm之间的那部分光是人眼所能看见的,称为可 见光.不同的波长,对物体的穿透力(穿透率)不同,波长越长,对物体的穿透力愈强,波长越 短,对物體表面的扩散率愈大. 顏色 波長范圍(nm) 紫外 

         

        工业光源 光源特性分析-颜色 在进行图像处理时,要想使测量项目变得清晰可靠,因此考虑到补色的物体和照射光颜色有如 下表对应关系.

        物体颜色









        绿





        照明颜色 红 蓝 绿 白 23

        Good Normal NO Normal

        NO NO NO Good

        Normal Good Good NO

        Good Normal NO NO

        Good NO Normal NO

        Normal Good NO NO

        Good Normal NO NO

         

        工业光源 常见光源 常见光源如右图所示.其特性如下: 环形光源:易于制作,价格低廉,光照角度可设计 大,其亮度强. 背光光源:发光均匀,抗环境光源干扰,对不同材 料的物体兼容性强. 同轴光源:不易反射,减少光源损失,易于突出表 面不平整. 点光光源:设计灵活,形态多样,节约安装空间, 功耗低.

        环型

        背光 点光

        同轴

         

        工业光源 常见光源辅助器件 光源辅助器材 名称 带通滤镜 作用 根据光源的波长,常用来去掉比目标光源小的波长.

        偏振片

        偏振片的材質是石英片﹐利用石英的物理偏光特性﹐把進來的光線保留直射 部分﹐反射掉斜射部分﹐避免去影響旁邊的感光點.

        漫射板

        漫射板起到导光作用﹐將经过的光线均勻扩散.

        应用实例详解 选型说明 主要分为相机,镜头,光源三个部分的选型配置: 相机和镜头: 根据贴合居中要求,可以選用两个相机,四个相机,八个相机的方案.显然两个相机最经济. 以 5MCCD来算(2/3’’,芯片尺寸8.8mmX6.6mm,相机像素2448X2048),根据公式计算可知,镜 头放大倍率为:8.8/57=1.54倍.相机精度为:57/2448=0.0232mm,为保险起见, 通常会乘 以30%的系数.大家知道远  心镜头景深大,焦距不可变,成本高,而且通用性不好,所以选用可变焦 的CCTV镜头.当然需要注意镜头的接口要和相机一致,镜头的分辨率符合相机的需求,镜头的尺 寸大于或等于CCD芯片. 光源: 此产品为黑色物料,易反光.同軸光不易反射,可以突出表面,根據光源特性分析,黑色物料用白色 光源,其對比性明顯,故正面用白色同轴光,下面用白色背光. 注意事项: 1.千兆网相机,请配专业千兆网卡. 2.工控机请使用PCI-E16插槽.