工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)組成及介紹

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1、 By Brad Lucas 2016.4.9工業(yè)機器人視覺系統(tǒng)組成及介紹 視覺系統(tǒng)0.機器視覺系統(tǒng)組成架構(gòu)1.工業(yè)攝像機2.鏡頭3.照明光源 4.圖像采集/處理卡 模擬相機視覺系統(tǒng) 數(shù)字相機視覺系統(tǒng)0.機器視覺系統(tǒng)組成架構(gòu) 1.相機的概念 2.相機的分類（1）芯片類型（2）傳感器結(jié)構(gòu)特性（3）掃描方式（4）分辨率大?。?）輸出信號方式 （6）輸出色彩（7）輸出信號速度（8）響應(yīng)頻率范圍（9）深度的計算方式一.工業(yè)相機篇 3.相機的主要參數(shù) 4.工業(yè)相機與普通相機的區(qū)別 5.工業(yè)相機選型的依據(jù)（1）應(yīng)用的不同（2）分辨率的選擇（3）與鏡頭的匹配（4）相機幀數(shù)選擇 6.幾種攝像機的參數(shù)實例 工業(yè)

2、相機是機器視覺系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成有序的電信號。灰度值的產(chǎn)生：1.相機的概念N個電子落在傳感器的區(qū)域內(nèi)電子-空穴對形成電荷然后轉(zhuǎn)換為電壓電壓經(jīng)過放大并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字化產(chǎn)生灰度值y （1）芯片類型 CCD相機、CMOS相機 (CCD圖像傳感器提供較好的質(zhì)量，而CMOS圖像傳感器按電池壽命和低成本來說能提供更好的性能)（2）傳感器結(jié)構(gòu)特性線陣相機、面陣相機 （3）掃描方式隔行掃描相機、逐行掃描相機2.相機的分類 （4）分辨率大小普通分辨率相機、高分辨率相機（5）輸出信號方式模擬相機、數(shù)字相機（6）輸出色彩 單色相機、彩色相機 （7）輸出信號速度普通速度相機、高速

3、相機（8）響應(yīng)頻率范圍可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機等 （9）深度的計算方式單目RGB攝像機、雙目攝像機、RGBD攝像機 1. 分辨率（Resolution）：相機每次采集圖像的像素點數(shù)（Pixels），對于數(shù)字相機一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對應(yīng)的，對于模擬相機機則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480，模擬相機已經(jīng)逐步被數(shù)字相機代替，且分辨率已經(jīng)達(dá)到6576*4384。 2. 像素深度（Pixel Depth）：即每像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對于數(shù)字相機機一般還會有10Bit、12Bit、14Bit等。 3. 最大幀率（Frame Ra

4、te）/行頻（Line Rate）：相機采集傳輸圖像的速率，對于面陣相機一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec.），對于線陣相機為每秒采集的行數(shù)（Lines/Sec.）。 4. 曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）：對于線陣相機都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個固定的時間；面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數(shù)字相機一般都提供外觸發(fā)采圖的功能?？扉T速度一般可到10微秒，高速相機還可以更快。3.相機的主要參數(shù) 5. 像元尺寸（Pixel Size）：像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機靶

5、面的大小。數(shù)字相機像元尺寸為3m10m，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。 6.靶面尺寸：也就是圖像傳感器感光部分的大小。一般用英寸來表示，和電視機一樣，通常這個數(shù)據(jù)指的是這個圖像傳感器的對角線長度，如常見的有1/3英寸，靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深。比如1/2英寸可以有比較大的通光量，而1/4英寸可以比較容易獲得較大的景深。 7. 光譜響應(yīng)特性（Spectral Range）：是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm1000nm，一些相機在靶面前加了一個濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。 8

6、.接口類型：數(shù)字相機有Camera Link接口，以太網(wǎng)接口，1394接口、USB接口輸出，目前最新的接口有CoaXPress接口。 9.觸發(fā)方式（對于同步非常重要?。河灿|發(fā)（控制高低電平來進(jìn)行快門曝光的控制），軟觸發(fā)（通過軟件主動查詢信號或儀器當(dāng)前狀態(tài)，符合條件則控制系統(tǒng)采集信號，精度不如硬觸發(fā)）。 CCD & CMOS靶面越大，則對應(yīng)的視野角越大。CCD & CMOS靶面大小 1.工業(yè)相機的性能穩(wěn)定可靠易于安裝，相機結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實不易損壞，連續(xù)工作時間長，可在較差的環(huán)境下使用，一般的數(shù)碼相機是做不到這些的。 2.工業(yè)相機輸出的是裸數(shù)據(jù)(raw data)，其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進(jìn)

7、行高質(zhì)量的圖像處理算法，例如機器視覺(Machine Vision)應(yīng)用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經(jīng)過了mjpeg壓縮，圖像質(zhì)量較差，不利于分析處理。 3.工業(yè)相機(Industrial Camera)相對普通相機(DSC)來說價格較貴。4.工業(yè)相機與普通相機的區(qū)別 （1）應(yīng)用的不同用在視覺自動檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD工業(yè)相機比較多。 CMOS工業(yè)相機由成本低，功耗低也應(yīng)用越來越廣泛。（2）分辨率的選擇首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據(jù)精度選擇分辨率。5.工業(yè)相機選型的依據(jù) （3）與鏡頭的匹配傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或

8、者增加轉(zhuǎn)接口）。鏡頭和攝像機之間的接口有許多不同的類型，工業(yè)攝像機常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徠卡接口、M42接口、M50接口等。接口類型的不同和鏡頭性能及質(zhì)量并無直接關(guān)系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各種常用接口之間的轉(zhuǎn)接口。 C接口和CS接口是工業(yè)攝像機最常見的國際標(biāo)準(zhǔn)接口，為1英寸32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區(qū)別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的攝像機可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用CS口鏡頭時需要加一個5mm的接圈；C型接口的攝像機不能用CS口的鏡頭。 F接

9、口鏡頭是尼康鏡頭的接口標(biāo)準(zhǔn)，所以又稱尼康口，也是工業(yè)攝像機中常用的類型，一般攝像機靶面大于1英寸時需用F口的鏡頭。 V接口鏡頭是著名的專業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標(biāo)準(zhǔn)，一般也用于攝像機靶面較大或特殊用途的鏡頭。 （4）相機幀數(shù)選擇當(dāng)被測物體有運動要求時，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機。但一般來說分辨率越高，幀數(shù)越低。 有效像素數(shù)是指：真正參與感光成像的像素值。模擬相機 USB攝像機 1.電子卷簾快門 (electronic rolling shutter)。 2.全局快門 (global shutter/ snapshot shutter)GIGE千兆網(wǎng)相機 RGBD攝像機 1.鏡頭的定義 2.

10、鏡頭的分類 3.鏡頭參數(shù) 4.像差二.工業(yè)鏡頭篇 光學(xué)鏡頭是機器視覺系統(tǒng)中必不可少的部件，直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實現(xiàn)和效果。1.鏡頭 2.鏡頭的分類按外形功能分按尺寸大小分按光圈分按變焦類型分按焦距長矩分球面鏡頭1” 25mm自動光圈電動變焦長焦距鏡頭非球面鏡頭1/2” 13mm手動光圈手動變焦標(biāo)準(zhǔn)鏡頭針孔鏡頭1/3” 8.5mm固定光圈固定焦距廣角鏡頭魚眼鏡頭2/3” 17mm微距鏡頭 （1）鏡頭的成像尺寸：不得小于CCD（CMOS）的靶面尺寸。（2）鏡頭的分辨率：以每毫米能夠分辨的黑白條紋數(shù)為計量單位。（3）鏡頭焦距與視野角度：首先根據(jù)攝像頭到被監(jiān)控目標(biāo)的距離，選擇鏡頭的焦距，

11、鏡頭焦 距f 確定后，則由攝像頭靶面決定了視野。（4）光圈F值 = 鏡頭的焦距 / 鏡頭光圈的直徑光圈的作用在于決定鏡頭的進(jìn)光量，F(xiàn)后面的數(shù)值越小，光圈越大，而進(jìn)光量也就越多；反之，則越小。簡單的說，在快門速度（曝光速度）不變的情況下，光圈F數(shù)值越小光圈就越大，進(jìn)光量越多， 畫面比較亮；光圈F數(shù)值越大光圈就越小，畫面比較暗。 3.鏡頭參數(shù) 4.像差 1.定義 2.光源參數(shù) 3.光源分類 4.光源與被測物間的相互作用 5.如何利用光源三.工業(yè)光源篇 物理學(xué)上光源：指能發(fā)出一定波長范圍的電磁波（包括可見光與紫外線、紅外線、X射線等不可見光）的物體。通常指能發(fā)出可見光的發(fā)光體。凡物體本身能發(fā)光者，稱

12、做光源，又稱發(fā)光體。1.光源 1.色溫：色溫是描述光源色譜特性的簡單方法。低色溫意味暖光（偏黃紅），而高色溫意味冷光（偏藍(lán)）。色溫的標(biāo)準(zhǔn)單位為Kelvin,簡稱k。 2.白平衡：白平衡是一種讓數(shù)字相機適應(yīng)場景主體光色溫的一種技術(shù)。白平衡通過調(diào)整感光器的輸出來實現(xiàn)。因此說到底，調(diào)整白平衡就是調(diào)整色溫。 3.光通量： 光源每秒種發(fā)出的可見光量之和，簡單說就是發(fā)光量。單位：流明（lm） 4.照度：單位面積內(nèi)入射的光通量，也就是光通量除以面積所得到的值。單位：勒克司（lux）。2.光源參數(shù) 按發(fā)光形式： 1.熱輻射光源。電流流經(jīng)導(dǎo)電物體，使之在高溫下輻射光能的光源。包括白熾燈和鹵鎢燈兩種。 2.氣體放

13、電光源。電流流經(jīng)氣體或金屬蒸氣，使之產(chǎn)生氣體放電而發(fā)光的光源。氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種，放電電壓有低氣壓、高氣壓和超高氣壓3種。弧光放電光源包括：熒光燈、低壓鈉燈等低氣壓氣體放電燈，高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高強度氣體放電燈，超高壓汞燈等超高壓氣體放電燈，以及碳弧燈、氙燈、某些光譜光源等放電氣壓跨度較大的氣體放電燈。輝光放電光源包括利用負(fù)輝區(qū)輝光放電的輝光指示光源和利用正柱區(qū)輝光放電的霓虹燈，二者均為低氣壓放電燈；此外還包括某些光譜光源。 3.電致發(fā)光光源。在電場作用下，使固體物質(zhì)發(fā)光的光源。它將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。包括場致發(fā)光光源和發(fā)光二極管兩種。 3.光源分類（簡單說） 1

14、.鏡面反射 2.漫反射 3.定向投射 4.漫投射 5.背反射 6.吸收 實際的物體要比上述簡單模型復(fù)雜得多。因此，為實物找一個合適的光源常常需要大量的實驗。4.光源與被測物間的相互作用 1.利用照明的光譜（1）如果綠色背景上面的紅色被測物需要增強，我們就可以使用紅色照明，這時紅色物體會更加明亮，同時綠色物體會變得暗淡。（2）CCD和CMOS傳感器對于紅外光比較敏感（常常需要加上紅外截止濾光片來避免圖像過亮以及圖像顏色變化）。4.如何利用光源 2.利用照明的方向性 1.圖像采集卡，其功能是將圖像信號采集到電腦中，以數(shù)據(jù)文件的形式保存在硬盤上。4.圖像采集/處理卡 2.圖像采集卡原理（1）視野(F

15、OV)或現(xiàn)場是相機及光學(xué)系統(tǒng)“看”到的真實世界的具體部分。（2）CCD芯片將光能轉(zhuǎn)化為電能。（3）相機將此信息以模擬信號的格式輸出至圖像采集卡。（4）AD 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換成 8 位（或多位）的數(shù)字信號。每個象素獨立地把光強以灰度值(Gray level)的形式表達(dá)。 （5）這些光強值從CCD芯片的矩陣中被存儲在內(nèi)存的矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。 3.圖像采集卡參數(shù) (1) 圖像傳輸格式格式是視頻編輯最重要的一種參數(shù)，圖像采集卡需要支持系統(tǒng)中攝像機所采用的輸出信號格式。大多數(shù)攝像機采用RS422或EIA644(LVDS)作為輸出信號格式。在數(shù)字相機中，IEEE1394，USB2.0和CameraLin

16、k幾種圖像傳輸形式則得到了廣泛應(yīng)用。 (2)圖像格式(像素格式) 黑白圖像：通常情況下，圖像灰度等級可分為256級，即以8位表示。在對圖像灰度有更精確要求時，可用10位，12位等來表示。彩色圖像：彩色圖像可由RGB(YUV)3種色彩組合而成，根據(jù)其亮度級別的不同有8-8-8，10-10-10等格式。 (3) 傳輸通道數(shù)當(dāng)攝像機以較高速率拍攝高分辨率圖像時，會產(chǎn)生很高的輸出速率，這一般需要多路信號同時輸出，圖像采集卡應(yīng)能支持多路輸入。一般情況下，有1路，2路，4路，8路輸入等。隨出現(xiàn)著科技的不斷發(fā)展和行業(yè)的不斷需求，路數(shù)更多的采集卡也出現(xiàn)在市面上。 (4) 分辨率采集卡能支持的最大點陣反映了其分

17、辨率的性能。一般采集卡能支持768*576點陣，而性能優(yōu)異的采集卡其支持的最大點陣可達(dá)64K*64K。單行最大點數(shù)和單幀最大行數(shù)也可反映采集卡的分辨率性能。同三維推出的采集卡能達(dá)到1920 x1080分辨率。 (5) 采樣頻率采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進(jìn)行高度圖像采集時，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。高檔的采集卡其采樣頻率可達(dá)65MHZ。 (6)傳輸速率主流圖像采集卡與主板間都采用PCI接口，其理論傳輸速度為132MB/S。 4.圖像采集卡分類視頻信號源數(shù)字采集卡（使用數(shù)字接口）模擬采集卡安裝連接方式外置采集卡（盒）內(nèi)置式板卡視頻壓縮方式軟壓卡（消耗CPU資源）硬壓卡視頻信號輸入輸出接口1394采集卡、USB采集卡、HDMI采集卡、DVI/VGA視頻采集卡、PCI視頻卡性能作用電視卡、圖像采集卡、DV采集卡、電腦視頻卡、監(jiān)控采集卡、多屏卡、流媒體采集卡、分量采集卡、高清采集卡、筆記本采集卡、DVR卡、VCD卡、非線性編輯卡（簡稱非編卡） 用途廣播級圖像采集卡，專業(yè)級圖像采集卡，民用級圖像采集卡