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工业机器视觉系统包括照明系统、镜头、摄像系统和图像处理系统功能上来看典型的机器视觉系统可以分为图像采集部分、图像处理部分和运动控制部分。
1.机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支。 2.简单说来机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。 3.机器视觉是一项综合技术包括图像处理、机械工程技术、控制、电光源照明、光学成像、传感器、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术(图像增强和分析算法、图像卡、 I/O卡等)。一个典型的机器视觉应用系统包括图像捕捉、光源系统、图像数字化模块、数字图像处理模块、智能判断决策模块和机械控制执行模块。 4.机器视觉系统最基本的特点就是提高生产的灵活性和自动化程度。在一些不适于人工作业的危险工作环境或者人工视觉难以满足要求的场合常用机器视觉来替代人工视觉。同时在大批量重复性工业生产过程中用机器视觉检测方法可以大大提高生产的效率和自动化程度。
机器视觉系统主要由三部分组成图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。 系统可再细分为
主端电脑Host Computer影像撷取卡Frame Grabber与影像处理器影像摄影机 CCTV镜头 显微镜头照明设备 Halogen卤素灯光源 LED光源 高周波萤光灯源 闪光灯源 其他特殊光源影像显示器 LCD机构及控制系统 PLC、PC-Base控制器 精密桌台 伺服运动机台
应用
自动光学检查 自动光学检查英语Automated Optical Inspection简称AOI为高速高精度光学影像检测系统运用机器视觉做为检测标准技术作为改良传统上以人力使用光学仪器进行检测的缺点应用层面包括从高科技产业之研发、制造品管以至国防、民生、医疗、环保、电力…等领域。 人脸侦测无人驾驶汽车
相机的了解
1 相机的构成 1.传感器芯片 2.防尘片/滤光片 3.控制与信号转换电路板 4.光学接口、数据接口、外壳构成。 2 相机的功能 将芯片接收到的光信号转换成电信号进而转换为数字信号传输给主机。当芯片上的象元接收光线时就会产生与光强度相等的电荷。该电荷被转换为电子信号以获取各个象元接收的光强度也就是说每个象元都是一个可以检测光强度的传感器。
3 相机分类 1.按输出模式分类模拟相机和数字相机 2.按靶面类型分类面阵相机和线阵相机 3.按图像色彩分类彩色相机和黑白相机 4.按芯片技术分类CCD电荷耦合器件charge coupled device相机和COMS互补金属氧化物半导体Complementary Metal-Oxide-Semiconductor相机。 CCD 以及 CMOS 都称为感光元件都是将光学图像转换为电子信号的半导体元件。他们在检测光时都采用光电二极管但是在信号的读取和制造方法上存在不同。上述两者的相对的区别如下所示。 注由于技术发展cmos芯片技术进步性能上已经不属于ccd。市面上cmos芯片相机较多。
4 相机的像素 何为像素 所谓像素是指图像的最小构成单位。电脑中的图像是通过像素或者称为 PIXEL这一规则排列的点的集合进行表现的。每一个点都拥有色调和阶调等色彩信息由此就可以描绘出彩色的图像。 例如 液晶显示器上会显示「分辨率 1280 × 1024」等。这表示横向的像素数为 1280纵向的像素数为1024。这样的显示器的像素总数即为 1280 × 1024 1,310,720。由于像素数越多则越可以表现出图像的细节因此也可以说「清晰度更高」。 灰度值概念 1 每一小格表示一个像素点其中每一个像素对应一个灰度值。 2 成像越亮的区域灰度值越接近于255反之接近于0。 像素的结构 以 CCD 为主的 CCD 元件的像素并不全都是为了输出图像信号而发挥作用的。像素可以分为总像素表示 CCD 元件的全部领域的像素、有效像素以及实效像素实际起作用的像素 有效像素 总像素中图像信号的像素。数码相机的性能标示中使用的则是有效像素数这是在产品手则中规定的。 实效像素 有效像素中用来保证产品性能的像素。 何谓像素直径 所谓像素直径是指每个 CCD 元件的大小通常使用 μm 作为单位。严谨的说这个大小中包含了受光元件与信号传送通路。像素间距。也就是说像素直径与像素间距的值是一样的。如果像素直径较小则图像将通过较小的像素进行描绘因此可以获得更加精细的图像。可以通过像素直径和有效像素数求出 CCD 元件的受光部的大小。 例如 假设某个 CCD 元件的条件如下所示
·有效像素数…768 × 484·像素直径…8.4 μm × 9.8 μm 受光部的大小为 ·横向 768 × 8.4 μm 6.4512 mm ·纵向 484 × 9.8 μm 4.7432 mm CCD芯片大小 CCD 感光元件的大小一般分为采用英寸单位表示和采用 APS-C 大小等规格表示这 2 种方式。采用英寸表示时该尺寸并不是拍摄的实际尺寸而是相当于摄像管的对角长度。例如1/2 英寸的 CCD 表示「拥有相当于 1/2 英寸的摄像管的拍摄范围」。为什么如此计算呢这是由于当初制造 CCD 的目的就是用来代替电视机录像机的摄像管的。当时由于想要继续使用镜头等光学用品的需求比较强烈由此就诞生了这种奇怪的规格。主要的英寸规格的尺寸如下表所示 注实际每款芯片大小不是必须为以上大小可用相机像素4中“像素数量×单个像素尺寸”得到实际芯片大小。
5 相机分辨率 分辨率由相机所采用的芯片像素决定是芯片阵列排列的像元数量对于面阵相机来说水平和垂直 相乘即为相机的分辨率。例如一个相机的分辨率是1280 H ×1024 V 表示每行的像元数量是1280有1024行像元此相机的分辨率大约是130万像素。在对同样大小的视场成像时分辨率越高对细节的展示越明显。目前常用相机的分辨率有30万、130万、200万、500万、2900万、7100万、1.2亿等。 精度图像中每个像素代表的实际物理尺寸精度单方向视场大小/相机单方向分辨率 例如用500万相机分辨率2592×1944拍摄80mm的视场则精度80÷25920.031mm/pixel。 行频/帧频 相机的采集频率面阵相机用帧率表示线阵相机用行频表示。面阵相机帧率单位为FPS frame per second 即帧/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/秒表示相机一秒钟最大能采集15幅图像。一般来说分辨率越高的相机帧率越低。线阵相机行频单位为Hz 1Hz为一行。例如50KHz/秒则表示相机1秒钟内扫描50000行。一般来说分辨率越高的相机行频越低。 曝光时间/曝光方式 曝光时间指光投射到相机传感器芯片上快门打开 的时间。曝光时间越长图像越亮。外触发同步的采集方式曝光时间可以与行周期一致也可以设定一个固定的时间。工业相机中曝光方式分为行曝光与帧曝光其中行曝光指逐行曝光帧曝光为一次性曝光一幅图像。线阵相机为逐行曝光可以选择固定行频。
6 相机数据接口类型 数据接口类型相机和数据线连接的接口。 常见的数据接口有GigE、USB、IEEE1394、CameraLink等。
镜头的了解
1 镜头的作用 图像处理是一个将进入摄像元件CCD的光转换成电子信号并且将其作为数据进行使用的过程。其中最重要的部分就是将光汇集到摄像元件的镜头。镜头根据光的折射原理可以将来自拍摄对象的光汇集到一点后成像。此时汇集光线的点称为焦点镜头中心到焦点的距离称为焦点距离。当镜头为凸镜时焦点距离将根据镜头的厚度膨胀程度不同而各不相同。膨胀程度越大焦点距离越短。 将此当作 CCD 结构来观察时如果拍摄对象处于凸镜的焦点以外来自拍摄对象的光将在镜头上发生折射并且形成一个上下和左右位置相反的影像。我们将这称为实像如果在此位置放置摄像元件就可以映射出实像。
2 镜头的分类
CCTV镜头也称广角镜头 本镜头应用于闭路电视Closed CircuitTV中主要应用在 FA 领域的检测和防盗·防灾领域的监视等用途。由于镜片的数量较少结构比较简单因此体积较小并且成本较低。一般来说其特征为无论焦物距为多少都可以进行均衡的象差校正。 注由于此种镜头体积小成本低廉性能提升等原因应用范围较广。远心镜头 这是一种通过排列使得主光线通过焦点的镜头设计时使其在视角接近 ° 的状态下行进也就是说主光线相对于镜头光轴将平行行进。由于与光轴平行因此很难发生歪曲像差失真可以高精度的捕捉拍摄对象的尺寸和位置。在图像处理时需要高倍率低失真、并且深景深时远心镜头将发挥其真正的价值。 注除了物方远心还有像方远心或双侧远心等。
3 CCTV镜头的结构 所谓浮动结构即指将多个镜头的前组和后组分别进行移动的功能。由此可以在从近距离到无限远的范围内获得高清晰度和高对比度。 【 通过多个镜头、浮动结构进行优化的光学设计 】 为了最大限度发挥出多个镜头的性能加入了浮动结构可以使内部各镜头组分为前组、后组独立移动。其结构为调整焦点时如果镜头的前组移动后组也将移动到最合适的位置上从而使得歪斜校正可以实现最优化。在近距离到无限远的范围内通过始终将镜头组的位置关系保持在最佳状态从而实现了高性能。 4 镜头的接口 镜头安装方式是用来连接 CCD 和镜头的它拥有很多种类如果两者不同时满足一定的条件则不能保证CCD 和镜头的兼容性。在机械结构方面存在接合部的结构和尺寸的问题在光学结构方面存在 CCD 侧的法兰距离等问题因此选择镜头时必须确认使用的 CCD 的支架。在 FA 行业使用的 CCD 的支架称为 C支架它多为内径 25.4 mm (1 in、间距 0.794 mm32 牙 /1 in的规格。 工业摄像头常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徕卡接口、M42接口、M50接口等。接口类型的不同和镜头性能及质量并无直接关系只是接口方式的不同一般可以也找到各种常用接口之间的转接口。 5 镜头的工作距离 工作距离(WD)镜头聚焦清晰时被测目标到镜头最前端的距离称为工作距离。 实际应用中镜头不能对任意物距下的目标都同时聚焦清晰因此镜头的工作距离有一定范围。 6 镜头的焦点距离 镜头中的一种规格为「焦点距离」。FA 镜头中有代表性的镜头为焦点距离为 8 mm /16 mm /25 mm /50 mm等规格的镜头。根据想要拍摄的拍摄对象所需的视野和焦点距离可以求出对焦位置 WD工作距离。当为 CCD 时比例公式工作距离视野焦点距离 CCD 尺寸成立。 WD 和视野的大小由镜头的焦点距离和 CCD 的尺寸来决定在无需连接环的最近距离以上时可以套用以下的 比例公式。 7 镜头的视野 工作距离范围中的拍摄范围。一般来说拍摄对象和镜头的工作距离越长则视野越广视野角。另外视野的广度由镜头的焦点距离来决定。我们将相对于视野使用镜头可以拍摄的范围的角度称为视角或者视野角。镜头的焦点距离越短则视角越大视野也就越广。相反焦点距离越长则可以放大远处的拍摄对象。 8 镜头的光圈 在镜头内部有一个多边形或者圆形且面积可变的孔状光栅装置这个装置就叫做光圈。光圈的作用是控制镜头的通光量通常用光圈系数来描述其大小。光圈系数是指镜头焦距 f′与整个镜头有效通光孔径D的比值通常用f/#来表示。其计算公式f/#f′/D。 f/#值越小光圈越大。一般地f/#值是以√2倍递增因此在同一单位时间内上一级的通光面积是下一级的两倍例如光圈从f/8 调整到f/5.6通光面积便增加一倍. 光圈对图片亮度的影响同一镜头光圈越大通光孔径越大图片越亮。 9 镜头的景深 能在像平面上获得清晰像的物方空间深度。即在被摄物体(对焦点)前后其成像仍然有一段清晰范围就是景深。换言之被摄物体在前后景深的范围内。 影响景深的因素 1、光圈越大景深越小光圈越小景深越大 2、镜头焦距越长景深越小焦距越短景深越大 3、拍摄距离越远景深越大距离越近景深越小 10 镜头上调节位置 光圈 通过调节镜头的光圈大小可以控制镜头的入光量图像的亮度也随之而变化 聚焦 图像不清晰难以呈现很好的图像效果降低系统精度直接影响到机器视觉系统的整体性能增加图像处理难度。
光源的了解
1 光源种类
LED LED 是 Light Emitting Diode 的首字缩写其含义为「发光的二极管半导体元件」因此也被称为发光二极管。荧光灯是利用放电现象间接的将电能转换为光而 LED 则是直接将电子转换为光因此能量的转换效率较高 节省电力的光源。另外由于 LED 还具有使用寿命较长波长颜色丰富等优点因此近年来被广泛使用于图像处理中。 荧光灯 将弧光放电现象产生的紫外线作为荧光体从而发出可视光的光源。一般来说其结构为在玻璃管的内侧涂上荧光体将水银密封在里面然后在管子的两端安装用来放电的电极。 在过去由于它比白帜灯的寿命长而被广泛应用。其发光的颜色以白色为主此外还有昼光色、更加接近自然光的三波长荧光灯等。另外其形状分为直管荧光灯、环状荧光灯、灯泡型荧光灯等。 卤素灯 将氮气等惰性气体和碘元素等卤素气体密封在玻璃球内部从而制成的一种灯泡。发光原理与白帜灯相同但是卤素灯具有灯光更加明亮使用寿命更长的特征。被应用于汽车的前照灯和商场的探照灯、摄影棚的照明灯等用途。发光颜色只有暖白色。 氙气灯 可以发出接近自然光的光源的放电灯。它是将疝气密封在石英管中制成的。它与白帜灯相比具有较明亮、 消耗电力较低、寿命较长的特色。也被称为 xenon lamp。主要被应用在映射装置的光源或者投光仪等用途。 可以分为短弧灯、长弧灯、闪光灯等。 金属卤素灯 高亮度放电等HID的一种它是将金属卤素卤化金属和水银的混合蒸汽密封在灯内通过弧光放电进行发光的。也简称为金卤灯。它不仅亮度较高而且还具有消耗电力较少使用寿命较长等优点。 以往被使用在道路和隧道的照明。而现在还被应用在大型建筑物的室内照明、观赏鱼类的鱼缸照明、体育场馆的晚间比赛照明等用途。 各种照明的相对特性 2 LED光源结构 LED 是利用在 N 型和 P 型的接合半导体中通电而产生的电子的移动使得电子-和正孔接触并结合时发生的发光现象制作的。光的波长颜色则将根据半导体的禁带电子不能存在的领域的大小不同而各不相同。因此出现了与各种波长对应的半导体材料。近年来由于发明了以氮化镓为材料的蓝色发光二极管、白色发光二极管其用途也扩大到显示屏和照明等用途中。 补充 常见的光源红蓝绿白 常见的光源种类 3 光源控制器 控制器的用途 光源控制器最主要的目的是给光源供电控制光源的亮度及照明状态亮灭还可以通过给控制器外部触发信号开关量或电平信号来实现光源的频闪进而有效延长光源的使用寿命。控制器分模拟控制器和数字控制器两大类数字控制器可以通过RS232或以太网与PC设备进行通信。工作人员可以根据实际需求选择不同类型的控制器。 控制器技术特点 大部分控制器采用了电流控制方式。特有的自动 负载技术。特有的可编程触发功能。高效灵活的通信协议。响应时间短触发频率高检测。
4 光源的作用 一幅好的图像应该具备如下条件 对比度对比度明显目标与背景的边界对比清晰要求目标与背景灰度值至少相差30以上 均匀性要求图片整体亮度均匀或整体不均匀但灰度差不影响图像处理 真实性与颜色有关的还需要颜色真实亮度适中不过度曝光过度像素满足精度检测要求。
传统算法
主要是利用Halcon开发缺陷检测算法后续会补充Halcon深度学习检测算法和海康AI缺陷检测平台.sol程序算法 参考 Halcon速通待补充ing Halcon破解License。 花了一点时间记录和整理的文档 链接My CSDN。 源代码暂不开源。
DL深度学习方法
主要是利用开源的框架和模型进行改进。 此博客也做成了PPT格式 链接My CSDN_PPT。
