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1、一 總介 使用機(jī)器視覺系統(tǒng)五個主要原因： 1. 精確性（無人眼限制） 2. 重復(fù)性（相同方法檢測無疲憊） 3. 速度（更快檢測） 4. 客觀性（無情緒主觀性） 5. 成本（一臺機(jī)器可承擔(dān)好幾人工作） 機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成： 光學(xué)：1.相機(jī)與鏡頭；2.光源； 過渡：3.傳感器（判斷被測對象位置及狀態(tài)）；4.圖像采集卡（把相機(jī)圖像傳到電腦主機(jī)）； 電學(xué)（計算機(jī)）： 5.PC平臺；6.視覺處理軟件；7.控制單元。 機(jī)器視覺系統(tǒng)一般工作過程：1.圖像采集；2.圖像處理；3.特征提??；4.判決和控制。 機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)：1.非接觸測量；2.具有較寬的光譜響應(yīng)范圍；

2、3.連續(xù)性；4.成本較低；5.機(jī)器視覺易于實(shí)現(xiàn)信息集成；6.精度高；7.靈活性。 機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域兩大類：科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用 科學(xué)研究主要對運(yùn)動和變化的規(guī)律作分析； 工業(yè)方面主要是在線檢測產(chǎn)品，機(jī)器視覺所能提供的標(biāo)準(zhǔn)檢測功能主要有：有/無判斷、面積檢測、方向檢測、角度測量、尺寸測量、位置檢測、數(shù)量檢測、圖形匹配、條形碼識別、字符識別、顏色識別等。 二 機(jī)器視覺系統(tǒng)的構(gòu)成 相機(jī)的主要特性參數(shù)： 分辨率：衡量相機(jī)對物象中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力。 最大幀率：相機(jī)采集傳輸圖像的速率。 曝光方式和快門速度；o(*￣)￣*)o？ 像素深度：每一個像素數(shù)據(jù)

3、的位數(shù)。 固定圖像噪聲：不隨像素點(diǎn)的空間坐標(biāo)改變的噪聲。 動態(tài)范圍等 CCD相機(jī)和CMOS相機(jī)的區(qū)別： 1. 設(shè)計：CCD是單一感光器，CMOS是感光器連接放大器。 2. 靈敏度：同樣面積下，CCD靈敏度高；CMOS由于感光開口小，靈敏度低。 3. 成本：CCD線路品質(zhì)影響程度高，成本高；CMOS由整合集成，成本低。 4. 解析度：CCD連接復(fù)雜度低，解析度高；CMOS新技術(shù)解析度高。 5. 噪點(diǎn)比：CCD信號單一放大，噪點(diǎn)低；CMOS百萬放大（每個像素都有各自的 放大器），噪點(diǎn)高。 6. 功耗比：CCD需外加電壓，功耗高；CMOS直接放大，功耗低。

4、 鏡頭主要參數(shù)： 焦距：從鏡頭中心點(diǎn)到膠平面上所形成的清晰影像之間的距離，其大小決定視角大?。ń咕嘈∫暯谴笥^察范圍大，焦距大視角小觀察范圍?。?。 光圈/相對孔徑：光圈即通光量，大小為f/D,相對孔徑是光圈的值的倒數(shù)。 視野范圍：衡量鏡頭成像范圍，是相機(jī)實(shí)際拍到區(qū)域的尺寸。 景深：在被攝物體聚焦清楚后，在物體前后一定距離內(nèi)，其影像仍然清晰的范圍，其隨鏡頭的光圈值、焦距、拍攝距離而變化。 接口、工作距離、像面尺寸、分辨率等 鏡頭劃分： 根據(jù)焦距是否能調(diào)節(jié)，分為定焦與變焦兩種。依據(jù)焦距長短，定焦分為魚眼、

5、短焦標(biāo)準(zhǔn)、長焦。焦距的長短劃分以像角的大小為主要劃分依據(jù)。 鏡頭的選擇： 機(jī)器視覺應(yīng)該考慮的四個主要因素： 1. 波長、變焦與否 確定鏡頭的工作波長及是否需要變焦。 2. 特殊要求優(yōu)先考慮 是否有測量功能，是否需要使用遠(yuǎn)心鏡頭，成像的景深是否很大等。 3. 工作距離、焦距o(*￣)￣*)o？ 4. 像面大小和像質(zhì) 所選鏡頭像面大小要與相機(jī)感光面兼容，遵循“大的兼容小的”原則。 5. 光圈和接口 光圈影響像面亮度，鏡頭接口需和像面接口匹配，不能匹

6、配就需考慮轉(zhuǎn)接。 6. 成本和技術(shù)成熟度 基本分析如下：案例：給硬幣檢測成像系統(tǒng)選配鏡頭。（詳細(xì)P44） 與白色LED光源配合使用，鏡頭應(yīng)是可見光波段，定焦鏡頭； 用于工業(yè)檢測，其中帶有測量功能，所以要求畸變較??； 工作距離和焦距要滿足一定關(guān)系； 選擇鏡頭像面應(yīng)該不小于CCD尺寸，即至少2/3in； 鏡頭的接口要

7、求是C口，能配合相機(jī)使用。 圖像采集卡： 概述： 將攝像機(jī)的圖像視頻信號，以幀為單位，送到計算機(jī)的內(nèi)存和VGA幀存。一般連接在臺式機(jī)的PCI擴(kuò)展槽上。 基本原理與技術(shù)參數(shù)： 圖像采集卡基本結(jié)構(gòu)大致相同，其基本組成模塊各個部分主要構(gòu)成及功能： 視屏輸入模塊：是圖像采集卡的前端，直接與相機(jī)相連。 A/D轉(zhuǎn)換模塊：圖像采集卡核心部分，將輸入的模擬

8、視屏信號轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以識別的數(shù)字信號。 時序及采集控制模塊：包括圖像采集卡中整個時序、同步、采集控制電路。 圖像處理模塊：對A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行處理。（實(shí)時轉(zhuǎn)換數(shù)字信號為數(shù)據(jù)圖像等，盡管可由主機(jī)來完成，但用圖像采集卡硬件可獲得更高的處理速度）。 PCI總線接口及控制模塊：完成對數(shù)字圖像數(shù)據(jù)的傳輸。 相機(jī)控制模塊：提供相機(jī)的設(shè)置及其控制信號o(*￣)￣*)o？ 數(shù)字輸入、輸出模塊

9、：用于控制和響應(yīng)外部信號。 分類： 按圖像采集卡主要特性分： 可分為彩色圖像采集卡與黑白圖像采集卡、模擬圖像采集卡與數(shù)字圖像采集卡、面陣圖像采集卡和線陣圖像采集卡。 按用途劃分： 可分為廣播級（分辨率高，支持高清和標(biāo)準(zhǔn)，但所需硬盤空間大），專業(yè)級（性能比廣播級稍低，分辨率相同，但壓縮比稍大一些），民用級（動態(tài)分辨率一般較低）。 機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心是圖像采集和處理，選擇

10、機(jī)器視覺光源時應(yīng)該考慮的主要特性: 1. 亮度：最佳選擇是最亮的那個。 2. 光源均勻性：不均勻的光會造成不均勻的反射。 3. 光譜特征：光源顏色及物體表面顏色決定反射到攝像頭的光能大小及 波長。 4. 壽命特性：為使圖像處理保持一致的精確，視覺系統(tǒng)必須保證長時間獲得穩(wěn)定一致的圖像（光源一般需要持續(xù)使用）。 5. 對比度：對比度對機(jī)器視覺來說非常重要。機(jī)器視覺應(yīng)用的照明的最重要的任務(wù)就是使需要被觀察的特征與需要被忽略的圖像特征之間產(chǎn)生最大的對比度，從而易于特征的區(qū)分。 光源的選型： 1.選擇光照角度： 根據(jù)期望的圖像效果，選擇不同

11、入射角度的光源。高角度照射，圖像整體較亮，適合表面不反光物體；低角度照射，圖像背景為黑，特征為白，可以突出被測物輪廓及表面凹凸變化；多角度照射，整體效果柔和，適合曲面問題檢測；背光照射，圖像效果為黑白分明的被測物輪廓，常用于尺寸測量；同軸光照射，圖像效果為明亮背景上的黑色特征，用于反光強(qiáng)烈的平面物體檢測。 2.選擇光源的顏色： 使用與被測物同色系的光會使圖像變亮(如紅紅)；使用與被測物相反色系的光會使圖像變暗（如紅藍(lán)）；波長越長，穿透能力越強(qiáng)；波長越短，擴(kuò)散能力越強(qiáng)。紅外的穿透能力強(qiáng)，可進(jìn)行棕色玻璃瓶雜質(zhì)檢測（透光性差）；紫外擴(kuò)散能力強(qiáng)，對表面細(xì)微特征敏感，可進(jìn)行食用油

12、瓶上的文字檢測（對比不明顯）。 3.選擇光源的形狀和尺寸： 通常情況下選與被測物體形狀相同的光源。尺寸選擇，要求保障整個視野內(nèi)光線均勻，略大于視野為佳。 4.選擇是否使用漫射光源： 如被測物體表面反光，最好用漫反射光源。 三 機(jī)器視覺成像技術(shù) 光源的作用，就是獲得對比鮮明的圖像，具體有： 1.將感興趣部分和其他部分的灰度值差異加大。 2.盡量消隱不感興趣部分。 3.提高信噪比，利于圖像處理。 4.減少因材質(zhì)、照射角度對成像的影響。 適當(dāng)?shù)恼彰髟O(shè)計，有能使圖像中的目標(biāo)信

13、息與背景信息得到最佳分離，以降低圖像處理算法的難度等優(yōu)點(diǎn)。最佳照明方法和光源的選擇往往需要大量的試驗(yàn)。 光源的種類： 1.自然光源：即太陽光源。 2.人工光源：即燈光光源,大多在自然光照度很低和夜晚攝像使用。 人工光源有： 1. 熒光燈：主要優(yōu)點(diǎn)發(fā)光效能高，光線較分散，廣泛用于較柔和的照明。 2. 鹵素?zé)簦航饘冫u素?zé)糇畲髢?yōu)點(diǎn)是發(fā)光效能高，其不能立即點(diǎn)亮。 又名冷光源，適合對環(huán)境溫度比較敏感的場合。 O(*￣)￣*)o？

14、 3.氣體放電光源o(*￣)￣*)o? 4.發(fā)光二極管：簡稱LED，與傳統(tǒng)光源相比優(yōu)點(diǎn)：壽命長、啟動時間短、結(jié)構(gòu)牢固、發(fā)光效能高、能耗小、模型簡單、發(fā)光的方向性很強(qiáng)。 5.激光光源o(*￣)￣*)o？ 選擇光源應(yīng)考慮的系統(tǒng)特性：1.對比度（非常重要）；2.亮度；3.魯棒性；4.光源可預(yù)測；5.物體表面；6.控制反射；7.表面紋理；8.表面形狀等。 合適的光源應(yīng)該能夠產(chǎn)生最大的對比度、亮度足夠,且對部件的位置變化不敏感 。機(jī)器視覺關(guān)心的是反射光(使用背光除外)

15、，光源控制的訣竅歸結(jié)到一點(diǎn)就是如何控制光源反射。如果能控制好光源的反射，那么就可以獲得優(yōu)質(zhì)圖像。 六種照明技術(shù)： 1. 一般目的：通用一般采用環(huán)狀或點(diǎn)狀照明。 2. 背光照明：產(chǎn)生很強(qiáng)對比度，常用于檢測輪廓。 3. 同軸照明：對于實(shí)現(xiàn)扁平物體且有鏡面特征的表面的均勻照明很有用。 4. 連續(xù)漫反射照明o(*￣)￣*)o？ 5. 暗域照明：相對于物體表面提供低角度照明； 6. 結(jié)構(gòu)光：可測量相機(jī)到光源的距離。 彩色照明技術(shù)： 顏色三種基本屬性：亮度、色調(diào)、飽和度。 真彩色：R,G,

16、B三波段的合成顯示圖， 假彩色：任意非R,G,B波段的合成圖， 偽彩色：只含有一個任意波段的圖像顯示 四 機(jī)器視覺核心算法 圖像預(yù)處理： 圖像預(yù)處理主要目的是消除圖中無關(guān)的信息，恢復(fù)有用的真實(shí)信息，增強(qiáng)有關(guān)信息的可檢測性和最大限度地簡化數(shù)據(jù)。 預(yù)處理過程一般有數(shù)字化、幾何變換、歸一化、平滑、復(fù)原和增強(qiáng)等步驟。 由于外界環(huán)境或設(shè)備本身原因，通常所獲取的原始數(shù)字圖像質(zhì)量不是非常高，因此在對圖像進(jìn)行邊緣檢測、圖像分割等操作前，一般都需要對原始數(shù)字圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理（改善視覺效果和突出特征），圖像增強(qiáng)是數(shù)字圖像處理技術(shù)

17、中最基本的內(nèi)容之一，也是圖像預(yù)處理的方法之一。 圖像增強(qiáng)可分為：基于空間域的（直接處理圖像像素）如均值濾波，中值濾波；基于頻率域（修改圖像傅里葉變換為基礎(chǔ)）的如低通濾波，高頻濾波器。 空間濾波的基本步驟：1.建立一個掩模；2.在待處理的圖像中逐點(diǎn)移動掩模；3.在每一點(diǎn)（x,y）處作相應(yīng)的運(yùn)算 頻域?yàn)V波的基本步驟：1.傅里葉變換；2.頻率域?yàn)V波處理：3.傅里葉反變換（低頻的信號包含了圖像的粗糙背景信息，高頻的信號攜帶了圖像的細(xì)節(jié)部分信息）

18、 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)：即是用具有一定形態(tài)的結(jié)構(gòu)元素去度量和提取圖像中的對應(yīng)形狀以達(dá)到對圖像分析和識別的目的?；具\(yùn)算有:膨脹、腐蝕、開運(yùn) 算和閉運(yùn)算（形態(tài)運(yùn)算實(shí)質(zhì)上是一種二維卷積運(yùn)算）。 灰度均衡的目的是為了校正不均勻照射。 灰度直方圖反映一副圖像中各灰度級與各灰度級像素出現(xiàn)的頻率之間的關(guān)系。 邊緣檢測：計算機(jī)視覺模仿人類視覺認(rèn)識目標(biāo)過程（先分離邊緣，再知覺、辨認(rèn)），檢測物體邊緣時，先對其輪廓點(diǎn)進(jìn)行粗略檢測，然后通過鏈接規(guī)則把原來檢測到的輪廓點(diǎn)連接起來，再作相應(yīng)處理。圖像的邊緣是圖像的重要特征。 邊緣檢測算法四個步驟：1.濾波：主要基于圖像強(qiáng)度的導(dǎo)數(shù)，導(dǎo)數(shù)計算對噪聲敏感；2.增強(qiáng)：一般通過計算梯度幅值，凸顯鄰域強(qiáng)度有顯著變化的點(diǎn)；3檢測：通過梯度幅值閾值，檢測出凸顯的點(diǎn)中的邊緣點(diǎn)；4.定位o(*￣)￣*)o？ 邊緣檢測算法：梯度算子、方向算子、拉普拉斯算子和坎尼算子等