2016-08-13 10:50:12

 隨著工業4.0時代的到來,機器視覺在智能製造業領域的作用越來越重要,為了能讓更多用戶獲取機器視覺的相關基礎知識,包括機器視覺技術是如何工作的、它為什麼是實現流程自動化和質量改進的正確選擇等。小編為你準備了這篇機器視覺入門學習資料。

        機器視覺是一門學科技術,廣泛應用於生產製造檢測等工業領域,用來保證產品質量,控製生產流程,感知環境等。機器視覺係統是將被攝取目標轉換成圖像信號,傳送給專用的圖像處理係統,根據像素分布和亮度、顏色等信息,轉變成數字化信號;圖像係統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征,進而根據判別的結果來控製現場的設備動作。
 
 
機器視覺優勢機器視覺係統具有高效率、高度自動化的特點,可以實現很高的分辨率精度與速度。機器視覺係統與被檢測對象無接觸,安全可靠。人工檢測與機器視覺自動檢測的主要區別有:
 
為了更好地理解機器視覺,下麵,我們來介紹在具體應用中的幾種案例。
啤酒廠采用的填充液位檢測係統為例來進行說明:
 
    當每個啤酒瓶移動經過檢測傳感器時,檢測傳感器將會觸發視覺係統發出頻閃光,拍下啤酒瓶的照片。采集到啤酒瓶的圖像並將圖像保存到內存後,視覺軟件將會處理或分析該圖像,並根據啤酒瓶的實際填充液位發出通過-未通過響應。如果視覺係統檢測到一個啤酒瓶未填充到位,即未通過檢測,視覺係統將會向轉向器發出信號,將該啤酒瓶從生產線上剔除。操作員可以在顯示屏上查看被剔除的啤酒瓶和持續的流程統計數據。
 
機器人視覺引導玩偶定位應用
 
        現場有兩個振動盤,振動盤1作用是把玩偶振動到振動盤2中,振動盤2作用是把玩偶從反麵振動為正麵。該應用采用了深圳視覺龍公司VD200視覺定位係統,該係統通過判斷玩偶正反麵,把玩偶處於正麵的坐標值通過串口發送給機器人,機器人收到坐標後運動抓取產品,當振動盤中有很多玩偶處於反麵時,VD200視覺定位係統需判斷反麵玩偶數量,當反麵玩偶數量過多時,VD200視覺係統發送指令給振動盤2把反麵玩偶振成正麵。
        該定位係統通過玩偶表麵的小孔來判斷玩偶是否處於正麵,計算出玩偶中心點坐標,發送給機器人。通過VD200視覺定位係統實現自動上料,大大減少人工成本,大幅提高生產效率。
 
視覺檢測在電子元件的應用:
       此產品為電子產品的按鈕部件,產品來料為料帶模式,料帶上麵為雙排產品。通過對每個元器件定位後,使用斑點工具檢測產品固定區域的灰度值,來判斷此區域有無缺膠情況。
       該應用采用了深圳視覺龍公司的DragonVision視覺係統方案,使用兩個相機及光源配合機械設備,達到每次檢測雙麵8個產品,每分鍾檢測大約1500個。當出現產品不良時,立刻報警停機,保證了產品的合格率和設備的正常運行,提高生產效率。
 
機器視覺的應用領域:
•識別
標準一維碼、二維碼的解碼
光學字符識別(OCR)和確認(OCV)
 
 
•檢測
色彩和瑕疵檢測
零件或部件的有無檢測
目標位置和方向檢測•測量
尺寸和容量檢測
預設標記的測量,如孔位到孔位的距離
 
•機械手引導
輸出空間坐標引導機械手精確定位
 
 
機器視覺係統的分類
•智能相機
•基於嵌入式
•基於PC
 
機器視覺係統的組成
•圖像獲取:光源、鏡頭、相機、采集卡、機械平台
•圖像處理與分析:工控主機、圖像處理分析軟件、圖形交互界麵。
•判決執行:電傳單元、機械單元
 
光源---光路原理
照相機並不能看見物體,而是看見從物體表麵反射過來的光。
鏡麵反射:平滑表麵以對頂角反射光線
漫射反射:粗糙表麵會從各個方向漫射光線
發散反射:多數表麵既有紋理,又有平滑表麵,會對光線進行發散反射
 
•光源---作用和要求
在機器視覺中的作用
照亮目標,提高亮度
形成有利於圖像處理的效果
克服環境光照影響,保證圖像穩定性
用作測量的工具或參照
良好的光場設計要求
對比度明顯,目標與背景的邊界清晰
背景盡量淡化而且均勻,不幹擾圖像處理
與顏色有關的還需要顏色真實,亮度適中,不過曝或欠曝;
 
 
•光源---光場構造
明場: 光線反射進入照相機
暗場:光線反射離開照相機
光源---構造光源
使用不同照明技術對被測目標會產生不同的影響,以滾珠軸承為例:
 
 
•相機
種類:線&麵、隔/逐、黑/彩、數/模、低/高、CCD/CMOS
指標:象元尺寸、分辨率、靶麵大小、感應曲線、動態範圍、靈敏度、速度噪聲、填充因子、體積、質量、工作環境等
工作模式:Free run、Trigger(多種)、長時間曝光等
傳輸方式:GIGE,Cameralinker,模擬
 
•相機--按照圖像傳感器區分
 CCD相機:使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機,集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取於一體,是典型的固體成像器件。  
CMOS相機:使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機 ,將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控製器集成在一塊芯片上,還具有局部像素的編程隨機訪問的優點。
 
•相機--按照輸出圖像顏色區分
單色相機:輸出圖像為單色圖像的相機。
彩色相機:輸出圖像為彩色圖像的相機。
 
•相機--按輸出信號區分
模擬信號相機:從傳感器中傳出的信號,被轉換成模擬電壓信號,即普通視頻信號後再傳
到圖像采集卡中。
數字信號相機:信號自傳感器中的像素輸出後,在相機內部直接數字化並輸出。數字相機
又包含1394相機、USB相機、Gige相機、CameraLink相機等   
 
•相機--按照傳感器類型區分
麵掃描相機:傳感器上像素呈麵狀分布的相機,其所成圖像為二維“麵”圖像。
線掃描相機:傳感器上呈線狀(一行或三行)分布的相機,其所成圖像為一維“線”圖像。
 
•相機--CMOS VS CCD
CCD
CMOS
串行處理
並行處理
光線靈敏度高,圖像對比度高
光線靈敏度低,圖像對比度低,高動態範圍
低噪聲
存在固定模式噪音
集成度較低
高集成度,芯片上集成了很多功能
取圖速度慢,幀率低
取圖速度塊,幀率高
功耗一般
功耗較低
成本較高
成本低
 
•相機--傳感器的尺寸
         圖像傳感器感光區域的麵積大小。這個尺寸直接決定了整個係統的物理放大率。如:1/3“、1/2”等。絕大多數模擬相機的傳感器的長寬比例是4:3 (H:V),數字相機的長寬比例則包括多種:1:1,4:3,3:2 等。
 
 
•相機--像素
         是成像於相機芯片的圖像的最小組成單位。以200萬像素的相機為例,滿屏有1600*1200個像素,成像於1/1.8英寸大小的CCD芯片。
 
•相機--分辨率
       由相機所采用的芯片分辨率決定,是芯片靶麵排列的像元數量。通常麵陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數字表示,如:1920(H)x 1080(V),前麵的數字表示每行的像元數量,即共有1920個像元,後麵的數字表示像元的行數,即1080行。
 
•相機--幀率和行頻
       由相機的幀率/行頻表示相機采集圖像的頻率,通常麵陣相機用幀率表示,單位fps(Frame Per second),如30fps,表示相機在1秒鍾內最多能采集30幀圖像;線性相機通常用行頻表示,單位KHz,如12KHz表示相機在1秒鍾內最多能采集12000行圖像數據。
 
•相機--快門速度(Shutter Speed)
       CCD/CMOS相機多數采用電子快門,通過電信號脈衝的寬度來控製傳感器的光積分(曝光)時間。對於一般性能的的相機快門速度可以達到1/10000-1/100000秒。  
        卷簾快門(Rolling Shutter):多數CMOS圖像傳感器上使用的快門,其特征是逐行曝光,每一行的曝光時間不一致。
         全局快門(Global Shutter):CCD傳感器和極少數CMOS傳感器采用的快門,傳感器上所有像素同時刻曝光。
 
•相機--智能相機
         智能工業相機是一種高度集成化的微小型機器視覺係統。它將圖像的采集、處理與通信功能集成於單一相機內,從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易於實現的機器視覺解決方案。智能工業相機一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網絡通信裝置等構成。由於應用了最新的 DSP、FPGA及大容量存儲技術,其智能化程度不斷提高,可滿足多種機器視覺的應用需求。
 
 
•鏡頭---主要參數
        工業的鏡頭大都是多組鏡片組合在一起的。計算時會忽略厚度對透鏡的影響將其等效成沒有厚度的播透鏡模型,即理想凸透鏡。
參數:焦距/視場/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍數/畸變/接口
 
分辨率:對色彩和紋理的分辨能力。
畸變:鏡頭中心區域和四周區域的放大倍數不相同。
      畸變的校正一般用黑白分明的方格圖像來進行,過程並不複雜。一般如果畸變小於2%,人眼觀察不到;若畸變小於CCD的一個像素,攝像機也看不見。
 
 
•鏡頭---分類
CCTV鏡頭
專業攝影鏡頭
遠心鏡頭
 
•鏡頭---遠心鏡頭
         在測量係統中,物距常發生變化,從而使像高發生變化,所以測得的物體尺寸也發生變化,即產生了測量誤差;即使物距是固定的,也會因為CCD敏感表麵不易精確調整在像平麵上,同樣也會產生測量誤差。采用遠心物鏡中的像方遠心物鏡可以消除物距變化帶來的測量誤差,而物方遠心物鏡則可以消除CCD位置不準帶來的測量誤差。

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