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干貨||機器視覺知識匯總
日期：2018-06-08
來源：三姆森科技
到如今，中國已經成為世界機器視覺發展最為活躍地區，應用范圍涵蓋了工業、農業、醫藥、軍事、航天、氣象等國民經濟各個行業。雖然機器視覺的成長速度非常快，但是還是有很多人對機器視覺并不了解，今天我們來了解下機器視覺。
機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分CMO和CCD兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系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制現場的設備動作。
【機器視覺的優勢】
機器視覺系統具有高效率、高度自動化的特點，可以實現很高的分辨率精度和速度。機器視覺系統與被檢測對象無接觸，安全可靠。
【系統組成】
一個典型的機器視覺系統包括以下部分：
1.照明
照明是影響機器視覺系統輸入的重要因素，它直接影響輸入數據的質量和應用效果。由于沒有通用的機器視覺光源照明設備，所以針對每個特定的應用實例，要選擇相應的照明裝置，以達到最佳的效果。光源可分為可見光和不可見光，常見的幾種可見光源有白熾燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。可見光的缺點是光能不穩定。所以如何使光能在一定的程度上保持穩定，是目前急需解決的問題；另一方面，環境光有可能影響圖像的質量，所以可采用加防護屏的方法來減少環境光的影響。
照明系統按照照射方法可分為：背向照明、前向照明、結構光和頻閃光照明等。其中，背向光照明是被測物放在光源和攝像機之間，它的優點是能獲得高對比度的圖像；前向照明是光源和攝像機位于被測物的同側，這種方式便于安裝；結構光照明是將光柵或光源等投射到被測物上，根據它們產生的即便，調解出被測物體的三維信息。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機拍攝要求與光源同步。
2.鏡頭
工業鏡頭
FOV（FieldOfvision）=所需分辨率*亞像素*相機尺寸/PRTM（零件測量公差）
選擇鏡頭需要注意：
①焦距②目標高度③影像高度④放大倍數⑤影像至目標的距離⑥中心點/節點⑦畸變
3.相機
按照不同標準可分為：標準分辨率數字相機和模擬相機等。要根據不同的實際應用場合選不同的相機和高分辨率相機：線掃描CCD和面陣CCD、單色相機和彩色相機。
4.圖像采集卡
圖像采集卡只是完整的機器視覺系統的一個部件，但是它扮演一個非常重要的角色；圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數字等。
比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計算機存儲器進行處理，有些采集卡有內置的多路開關。例如，可以連接8個不同的攝像機，然后告訴采集卡采用那一個相機抓拍到的信息。有些采集卡有內置的數字輸入以觸發采集卡進行捕捉，當采集卡抓拍圖像時數字輸出口就觸發閘門。
5.視覺處理器
視覺處理器集采集卡與處理器與一體。以往計算機速度較慢時，采用視覺處理器加快視覺處理任務，現在由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲器，而且計算機也快多了，所以現在視覺處理器用的較少了。
【工業鏡頭】
1.工業鏡頭的接口：
C型：C型接口鏡頭與攝像機接觸面至鏡頭焦平面（攝像機CCD光電感應處的位置）的距離為17.5mm
CS型:CS型接口距離為12.5mm,CS型鏡頭與CS型攝像機可以配合使用。C型鏡頭與CS型攝像機之間增加一個5mm的C/CS轉接環可以配合使用，CS型鏡頭與C型攝像機無法配合使用。
F型：通用型接口，一般適用于焦距大于25mm的鏡頭。
【基本參數】
視場：即FOV，也叫視野范圍，指觀測物體的可視范圍，也就是充滿相機采集芯片的物體部分。
工作距離：即WD，指從鏡頭前部到受檢測物體的距離，即清晰成像的表面距離。
分辨率：圖像系統可以測到的受檢驗物體上的最小可分辨率特征尺寸，在多數情況下，視野越小，分辨率越好。
景深：即DOF，物體離最佳焦點較近或比較較遠時，鏡頭保持所需分辨率的能力。
焦距（f）：是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式，指從透鏡的光心到光聚焦之焦點的距離，也是照相機中，從鏡片中心到底片或CCD等成像平面的距離。
焦距大小的影響情況：焦距越小，景深越大；焦距越小，畸變越大；焦距越小，漸暈現象越嚴重，使像差邊緣的照度降低。
失真：又稱為畸變，指被攝物平面內的主軸直線，經光學系統成像后變為曲線，則此光學系統的成像誤差稱為畸變，畸變像差只影響影像的幾何形狀，而不影響影像的清晰度。
光圈與F值：光圈是一個用來控制鏡頭通光量的裝置，它通常是在鏡頭內，表達光圈大小我們是用F值，如f2,f4。
【工業相機的選擇要點】
1.視野范圍、光學放大倍數及期望的工作距離：在選擇鏡頭時，我們會選擇比被測物體視野稍大一點的鏡頭，有利于運動控制。
2.景深要求：對于對景深有要求的項目，盡可能使用小光圈；在選擇放大倍率的鏡頭時，在項目許可下盡可能選用低倍率鏡頭；如果項目要求比較苛刻時，傾向選擇高景深的尖端鏡頭。
3.芯片大小和相機接口：例如2/3鏡頭支持最大的工業相機耙面為2/3，它是不能支持1英寸以上的工業相機。
4.注意與光源的配合，選配合適的鏡頭。
5.可安裝空間：在方案可選擇情況下，讓客戶更改設備尺寸是不現實的。
【機器視覺的工作原理】
機器視覺檢測系統是采用CCD照相機將被檢測的目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號，圖像處理系統對這些信號進行各種運算來收取目標的特征，如面積、數量、位置、長度，再根據預設的允許度和其他條件輸出結果，包括尺寸、角度、個數、合格/不合格、有/無等，實現自動識別功能。
【機器視覺的應用領域】
1.識別
2.標準一維碼、二維碼的解碼
3.光學字符識別（OCR）和確認（OCV）
4.檢測
5.色彩和瑕疵檢測
6.零件或部件的有無檢測
7.目標位置和方向檢測和測量
8.尺寸和容量檢測
9.預設標記的測量，如孔位到孔位的距離
10.機械手引導
11.輸出空間坐標引導機械手精確定位
機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分CMO和CCD兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系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制現場的設備動作。
【機器視覺的優勢】
機器視覺系統具有高效率、高度自動化的特點，可以實現很高的分辨率精度和速度。機器視覺系統與被檢測對象無接觸，安全可靠。
一個典型的機器視覺系統包括以下部分：
1.照明
照明是影響機器視覺系統輸入的重要因素，它直接影響輸入數據的質量和應用效果。由于沒有通用的機器視覺光源照明設備，所以針對每個特定的應用實例，要選擇相應的照明裝置，以達到最佳的效果。光源可分為可見光和不可見光，常見的幾種可見光源有白熾燈、日光燈、水銀燈和鈉光燈。可見光的缺點是光能不穩定。所以如何使光能在一定的程度上保持穩定，是目前急需解決的問題；另一方面，環境光有可能影響圖像的質量，所以可采用加防護屏的方法來減少環境光的影響。
照明系統按照照射方法可分為：背向照明、前向照明、結構光和頻閃光照明等。其中，背向光照明是被測物放在光源和攝像機之間，它的優點是能獲得高對比度的圖像；前向照明是光源和攝像機位于被測物的同側，這種方式便于安裝；結構光照明是將光柵或光源等投射到被測物上，根據它們產生的即便，調解出被測物體的三維信息。頻閃光照明是將高頻率的光脈沖照射到物體上，攝像機拍攝要求與光源同步。
2.鏡頭
工業鏡頭
FOV（FieldOfvision）=所需分辨率*亞像素*相機尺寸/PRTM（零件測量公差）
選擇鏡頭需要注意：
①焦距②目標高度③影像高度④放大倍數⑤影像至目標的距離⑥中心點/節點⑦畸變
3.相機
按照不同標準可分為：標準分辨率數字相機和模擬相機等。要根據不同的實際應用場合選不同的相機和高分辨率相機：線掃描CCD和面陣CCD、單色相機和彩色相機。
4.圖像采集卡
圖像采集卡只是完整的機器視覺系統的一個部件，但是它扮演一個非常重要的角色；圖像采集卡直接決定了攝像頭的接口：黑白、彩色、模擬、數字等。
比較典型的是PCI或AGP兼容的捕獲卡，可以將圖像迅速地傳送到計算機存儲器進行處理，有些采集卡有內置的多路開關。例如，可以連接8個不同的攝像機，然后告訴采集卡采用那一個相機抓拍到的信息。有些采集卡有內置的數字輸入以觸發采集卡進行捕捉，當采集卡抓拍圖像時數字輸出口就觸發閘門。
5.視覺處理器
視覺處理器集采集卡與處理器與一體。以往計算機速度較慢時，采用視覺處理器加快視覺處理任務，現在由于采集卡可以快速傳輸圖像到存儲器，而且計算機也快多了，所以現在視覺處理器用的較少了。
【工業鏡頭】
1.工業鏡頭的接口：
C型：C型接口鏡頭與攝像機接觸面至鏡頭焦平面（攝像機CCD光電感應處的位置）的距離為17.5mm
CS型:CS型接口距離為12.5mm,CS型鏡頭與CS型攝像機可以配合使用。C型鏡頭與CS型攝像機之間增加一個5mm的C/CS轉接環可以配合使用，CS型鏡頭與C型攝像機無法配合使用。
F型：通用型接口，一般適用于焦距大于25mm的鏡頭。
【基本參數】
視場：即FOV，也叫視野范圍，指觀測物體的可視范圍，也就是充滿相機采集芯片的物體部分。
工作距離：即WD，指從鏡頭前部到受檢測物體的距離，即清晰成像的表面距離。
分辨率：圖像系統可以測到的受檢驗物體上的最小可分辨率特征尺寸，在多數情況下，視野越小，分辨率越好。
景深：即DOF，物體離最佳焦點較近或比較較遠時，鏡頭保持所需分辨率的能力。
焦距（f）：是光學系統中衡量光的聚集或發散的度量方式，指從透鏡的光心到光聚焦之焦點的距離，也是照相機中，從鏡片中心到底片或CCD等成像平面的距離。
焦距大小的影響情況：焦距越小，景深越大；焦距越小，畸變越大；焦距越小，漸暈現象越嚴重，使像差邊緣的照度降低。
失真：又稱為畸變，指被攝物平面內的主軸直線，經光學系統成像后變為曲線，則此光學系統的成像誤差稱為畸變，畸變像差只影響影像的幾何形狀，而不影響影像的清晰度。
光圈與F值：光圈是一個用來控制鏡頭通光量的裝置，它通常是在鏡頭內，表達光圈大小我們是用F值，如f2,f4。
【工業相機的選擇要點】
1.視野范圍、光學放大倍數及期望的工作距離：在選擇鏡頭時，我們會選擇比被測物體視野稍大一點的鏡頭，有利于運動控制。
2.景深要求：對于對景深有要求的項目，盡可能使用小光圈；在選擇放大倍率的鏡頭時，在項目許可下盡可能選用低倍率鏡頭；如果項目要求比較苛刻時，傾向選擇高景深的尖端鏡頭。
3.芯片大小和相機接口：例如2/3鏡頭支持最大的工業相機耙面為2/3，它是不能支持1英寸以上的工業相機。
4.注意與光源的配合，選配合適的鏡頭。
5.可安裝空間：在方案可選擇情況下，讓客戶更改設備尺寸是不現實的。
【機器視覺的工作原理】
機器視覺檢測系統是采用CCD照相機將被檢測的目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號，圖像處理系統對這些信號進行各種運算來收取目標的特征，如面積、數量、位置、長度，再根據預設的允許度和其他條件輸出結果，包括尺寸、角度、個數、合格/不合格、有/無等，實現自動識別功能。
【機器視覺的應用領域】
1.識別
2.標準一維碼、二維碼的解碼
3.光學字符識別（OCR）和確認（OCV）
4.檢測
5.色彩和瑕疵檢測
6.零件或部件的有無檢測
7.目標位置和方向檢測和測量
8.尺寸和容量檢測
9.預設標記的測量，如孔位到孔位的距離
10.機械手引導
11.輸出空間坐標引導機械手精確定位
