智能工業(yè)相機(jī)是如何集成微小型機(jī)器視覺系統(tǒng)的？

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，機(jī)器視覺在智能制造業(yè)領(lǐng)域的作用越來越重要，為了能讓更多用戶獲取機(jī)器視覺的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)，包括機(jī)器視覺技術(shù)是如何工作的、它為什么是實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化和質(zhì)量改進(jìn)的正確選擇等。小編為你準(zhǔn)備了這篇機(jī)器視覺入門學(xué)習(xí)資料。

機(jī)器視覺是一門學(xué)科技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造檢測等工業(yè)領(lǐng)域，用來保證產(chǎn)品質(zhì)量，控制生產(chǎn)流程，感知環(huán)境等。機(jī)器視覺系統(tǒng)是將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動(dòng)作。

機(jī)器視覺優(yōu)勢：機(jī)器視覺系統(tǒng)具有高效率、高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很高的分辨率精度與速度。機(jī)器視覺系統(tǒng)與被檢測對(duì)象無接觸，安全可靠。人工檢測與機(jī)器視覺自動(dòng)檢測的主要區(qū)別有：

機(jī)器視覺的應(yīng)用領(lǐng)域：

?識(shí)別

標(biāo)準(zhǔn)一維碼、二維碼的解碼

光學(xué)字符識(shí)別（OCR）和確認(rèn)（OCV）

?檢測

色彩和瑕疵檢測

零件或部件的有無檢測

目標(biāo)位置和方向檢測?測量

尺寸和容量檢測

預(yù)設(shè)標(biāo)記的測量，如孔位到孔位的距離

?機(jī)械手引導(dǎo)

輸出空間坐標(biāo)引導(dǎo)機(jī)械手精確定位

機(jī)器視覺系統(tǒng)的分類

?智能相機(jī)

?基于嵌入式

?基于PC

機(jī)器視覺系統(tǒng)的組成

?圖像獲?。汗庠?、鏡頭、相機(jī)、采集卡、機(jī)械平臺(tái)

?圖像處理與分析：工控主機(jī)、圖像處理分析軟件、圖形交互界面。

?判決執(zhí)行：電傳單元、機(jī)械單元

光源---光路原理

照相機(jī)并不能看見物體，而是看見從物體表面反射過來的光。

鏡面反射：平滑表面以對(duì)頂角反射光線

漫射反射：粗糙表面會(huì)從各個(gè)方向漫射光線

發(fā)散反射：多數(shù)表面既有紋理，又有平滑表面，會(huì)對(duì)光線進(jìn)行發(fā)散反射

?光源---作用和要求

在機(jī)器視覺中的作用

照亮目標(biāo)，提高亮度

形成有利于圖像處理的效果

克服環(huán)境光照影響，保證圖像穩(wěn)定性

用作測量的工具或參照

良好的光場設(shè)計(jì)要求

對(duì)比度明顯，目標(biāo)與背景的邊界清晰

背景盡量淡化而且均勻，不干擾圖像處理

與顏色有關(guān)的還需要顏色真實(shí)，亮度適中，不過曝或欠曝；

?光源---光場構(gòu)造

明場：光線反射進(jìn)入照相機(jī)

暗場：光線反射離開照相機(jī)

?光源---構(gòu)造光源

使用不同照明技術(shù)對(duì)被測目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生不同的影響，以滾珠軸承為例：

?相機(jī)

種類：線&面、隔/逐、黑/彩、數(shù)/模、低/高、CCD/CMOS

指標(biāo)：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感應(yīng)曲線、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、速度噪聲、填充因子、體積、質(zhì)量、工作環(huán)境等

工作模式：Free run、Trigger（多種）、長時(shí)間曝光等

傳輸方式：GIGE，Cameralinker，模擬

?相機(jī)--按照圖像傳感器區(qū)分

CCD相機(jī)：使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機(jī)，集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件。

CMOS相機(jī)：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機(jī) ，將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。

?相機(jī)--按照輸出圖像顏色區(qū)分：

單色相機(jī)：輸出圖像為單色圖像的相機(jī)。

彩色相機(jī)：輸出圖像為彩色圖像的相機(jī)。

?相機(jī)--按輸出信號(hào)區(qū)分

模擬信號(hào)相機(jī)：從傳感器中傳出的信號(hào)，被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，即普通視頻信號(hào)后再傳到圖像采集卡中。

數(shù)字信號(hào)相機(jī)：信號(hào)自傳感器中的像素輸出后，在相機(jī)內(nèi)部直接數(shù)字化并輸出。數(shù)字相機(jī)又包含1394相機(jī)、USB相機(jī)、Gige相機(jī)、CameraLink相機(jī)等

?相機(jī)--按照傳感器類型區(qū)分

面掃描相機(jī)：傳感器上像素呈面狀分布的相機(jī)，其所成圖像為二維“面”圖像。

線掃描相機(jī)：傳感器上呈線狀（一行或三行）分布的相機(jī)，其所成圖像為一維“線”圖像。

?相機(jī)--CMOS VS CCD

CCDCMOS

串行處理并行處理

光線靈敏度高，圖像對(duì)比度高光線靈敏度低，圖像對(duì)比度低，高動(dòng)態(tài)范圍

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(jī)--傳感器的尺寸

圖像傳感器感光區(qū)域的面積大小。這個(gè)尺寸直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數(shù)模擬相機(jī)的傳感器的長寬比例是4：3 （H：V），數(shù)字相機(jī)的長寬比例則包括多種：1：1，4：3，3：2 等。

?相機(jī)--像素

是成像于相機(jī)芯片的圖像的最小組成單位。以200萬像素的相機(jī)為例，滿屏有1600*1200個(gè)像素，成像于1/1.8英寸大小的CCD芯片。

?相機(jī)--分辨率

由相機(jī)所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量。通常面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)數(shù)字表示，如：1920（H）x 1080（V），前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有1920個(gè)像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即1080行。

?相機(jī)--幀率和行頻

由相機(jī)的幀率/行頻表示相機(jī)采集圖像的頻率，通常面陣相機(jī)用幀率表示，單位fps（Frame Per second），如30fps，表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集30幀圖像；線性相機(jī)通常用行頻表示，單位KHz，如12KHz表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集12000行圖像數(shù)據(jù)。

?相機(jī)--快門速度（Shutter Speed）

CCD/CMOS相機(jī)多數(shù)采用電子快門，通過電信號(hào)脈沖的寬度來控制傳感器的光積分（曝光）時(shí)間。對(duì)于一般性能的的相機(jī)快門速度可以達(dá)到1/10000-1/100000秒。

卷簾快門（Rolling Shutter）：多數(shù)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(shí)間不一致。

全局快門（Global Shutter）：CCD傳感器和極少數(shù)CMOS傳感器采用的快門，傳感器上所有像素同時(shí)刻曝光。

?相機(jī)--智能相機(jī)

智能工業(yè)相機(jī)是一種高度集成化的微小型機(jī)器視覺系統(tǒng)。它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺解決方案。智能工業(yè)相機(jī)一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網(wǎng)絡(luò)通信裝置等構(gòu)成。由于應(yīng)用了最新的 DSP、FPGA及大容量存儲(chǔ)技術(shù)，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機(jī)器視覺的應(yīng)用需求。

?鏡頭---主要參數(shù)

工業(yè)的鏡頭大都是多組鏡片組合在一起的。計(jì)算時(shí)會(huì)忽略厚度對(duì)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(shù)：焦距/視場/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍數(shù)/畸變/接口

分辨率：對(duì)色彩和紋理的分辨能力。

畸變：鏡頭中心區(qū)域和四周區(qū)域的放大倍數(shù)不相同。

畸變的校正一般用黑白分明的方格圖像來進(jìn)行，過程并不復(fù)雜。一般如果畸變小于2%，人眼觀察不到；若畸變小于CCD的一個(gè)像素，攝像機(jī)也看不見。

?鏡頭---分類

CCTV鏡頭

專業(yè)攝影鏡頭

遠(yuǎn)心鏡頭

?鏡頭---遠(yuǎn)心鏡頭

在測量系統(tǒng)中，物距常發(fā)生變化，從而使像高發(fā)生變化，所以測得的物體尺寸也發(fā)生變化，即產(chǎn)生了測量誤差；即使物距是固定的，也會(huì)因?yàn)镃CD敏感表面不易精確調(diào)整在像平面上，同樣也會(huì)產(chǎn)生測量誤差。采用遠(yuǎn)心物鏡中的像方遠(yuǎn)心物鏡可以消除物距變化帶來的測量誤差，而物方遠(yuǎn)心物鏡則可以消除CCD位置不準(zhǔn)帶來的測量誤差。

文章來源：新機(jī)器視覺

免責(zé)聲明：本文系網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)載，版權(quán)歸原作者所有。但因轉(zhuǎn)載眾多，無法確認(rèn)真正原始作者，故僅標(biāo)明轉(zhuǎn)載來源。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問題，請(qǐng)第一時(shí)間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認(rèn)版權(quán)并按國家標(biāo)準(zhǔn)支付稿酬或立即刪除內(nèi)容！本文內(nèi)容為原作者觀點(diǎn)，并不代表本公眾號(hào)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。
責(zé)任編輯:pj