机器视觉系统之相机篇
3d相机机器视觉检测原理
3d相机机器视觉检测原理引言机器视觉技术在工业自动化、智能交通、医疗影像等领域得到了广泛应用。
3D相机是机器视觉技术中的重要工具，可以通过获取物体的三维信息，实现更精确的检测和测量。
本文将介绍3D相机的原理和应用，深入探讨其在机器视觉检测中的作用。
第一章3D相机基本原理1.1 3D相机概述3D相机是一种先进的成像设备，它不同于传统二维相机只能捕捉物体表面的平面信息，而是能够获取物体三维信息的神器。
通过激光、红外等技术，3D相机可以获取物体的深度信息，并将其转化为点云数据。
这使得3D相机在众多领域具有广泛的应用价值。
1.2三角法测距原理三角法是一种常用的测距方法。
其原理是通过在不同位置拍摄同一物体，利用拍摄点之间角度和距离关系，计算物体到相机之间的距离。
这种方法在实际应用中具有简单易懂、精度较高等优点。
1.3结构光原理结构光是一种在3D扫描中广泛应用的方法。
它通过投射特定结构图案（如条纹或格点）到物体表面，利用图案变形来计算物体表面的深度信息。
结构光方法具有测量速度快、精度高等特点。
1.4飞行时间原理飞行时间是另一种常用的测距原理。
它通过测量激光从相机发射到物体表面并返回的时间，来计算物体到相机的距离。
这种方法具有响应速度快、精度高等优点。
第二章3D相机应用领域2.1工业自动化在工业自动化领域，3D相机可以用于产品质量检测、零件尺寸测量等。
通过获取物体的三维信息，3D相机可以实现对产品外观和尺寸的精确检测，从而提高生产效率和质量。
2.2智能交通在智能交通领域，3D相机可以应用于车辆识别、车道偏离预警等。
通过获取车辆的三维信息，3D相机可以实现对车辆类型、速度和位置等参数的准确获取，从而提高交通管理效率和安全性。
2.3医疗影像在医疗影像领域，3D相机可以应用于手术导航、病灶检测等。
通过获取患者身体部位或病灶的三维信息，医生可以更准确地进行手术规划和诊断。
第三章3D相机技术发展趋势3.1 高分辨率随着科技的不断进步，3D相机的分辨率越来越高。
机器视觉系统3D工业相机介绍
机器视觉系统3D工业相机介绍工业相机，选择TEO。
机器视觉系统3D工业相机介绍3D立体视觉的研究将具有重要的应用价值，其也是计算机视觉研究领域的重要课题之一。
立体视觉系统能够对视场范围内的标靶进行自动识别定位，可在复杂的背景环境下实现系统的现场标定。
通过对运动体上特征点的识别定位并对数据进行分析进一步获取运动体的位置三维坐标、姿态、特征点之间的相对距离。
随着各项研究的深入，其应用也必将越来越广泛，为行业的发展提供强大的技术支持。
目前3D机器视觉大多用于水果和蔬菜、木材、化妆品、烘焙食品、电子组件和医药产品的评级。
它可以提高合格产品的生产能力，在生产过程的早期就报废劣质产品，从而减少了浪费节约成本。
这种功能非常适合用于高度、形状、数量甚至色彩等产品属性的成像。
大多数彩色摄像头都由单个采用彩色滤波器阵列或马赛克的传感器组成，这种马赛克一般由以特定模式覆盖在传感器像素上的红、蓝、绿(RGB)三色的光学滤波器组成。
然后马赛克通过将原始传感器数据转换成每个像素的RGB值进行解码，更高速度和更高性能的微处理器的出现催生了各种新型机器视觉应用。
其中，三维摄像头技术可以在生产期间测量物体的形状和色彩，这有助于提高产品质量，降低生产成本。
增加色彩功能进一步增加了质量和成本控制优势，就像人眼一样，机器视觉摄像头所感知的待查产品色彩是有差别的，这取决于照明光源、图像传感器类型及其镜头。
大多数机器视觉系统都提供灰度级产品图像分析，但在某些情况下，彩色机器视觉软件需要精确地检测产品图像的形状和轮廓。
现在，机器视觉设计人员正专注于开发各种用于实现比色法、更好的色度和亮度分解以及彩色马赛克解码的独立于硬件的算法。
3D立体视觉与人眼立体视觉相比，具有不可替代的优点，如精度高、扩展能力强大，连续工作时间长、不易损坏、保密性好、没有培训成本、结果易于保存和复制等优点，因此三D立体视觉技术的应用领域已经越来越广泛。
机器视觉在智能手机相机中的应用
机器视觉在智能手机相机中的应用随着科技的快速发展，手机已经成为了我们不可或缺的日常工具之一。
而随着对手机拍照需求的不断增加，人们对手机相机性能的要求也日益提高。
为了满足这一需求，手机厂商在相机技术上进行了多方面的探索，其中机器视觉成为了智能手机相机的重要发展方向。
一、机器视觉在智能手机相机中的定义机器视觉是指计算机通过对图像和视频的处理来模拟人类视觉系统的过程。
在智能手机相机中，机器视觉技术被用于图像处理、拍照、识别等场景中。
它可以通过图像处理算法和机器学习算法来帮助用户实现更好的拍摄和识别体验。
二、机器视觉在智能手机相机中的应用1. 焦点跟踪：机器视觉可以帮助用户在拍摄时快速地锁定焦点，使照片更加清晰。
通过对图像中物体的检测和追踪，机器视觉可以实现更加准确的自动对焦功能。
2. 人脸识别：人脸识别技术是机器视觉中的重要应用之一。
它可以通过对图像中的人脸进行检测和识别，来帮助用户实现更简单、便捷的拍照体验。
智能手机相机中的人脸识别功能可以自动识别人脸，并帮助用户调整对焦和光线等参数，确保拍摄出的照片更加清晰明亮。
3. 智能场景识别：智能手机相机中的机器视觉技术还可以通过对场景的检测和识别，来自动调整相机的设置，以达到更好的拍摄效果。
比如在拍摄食物时，相机可以自动调整饱和度和对比度等参数，以突出食物的颜色和质感。
4. 智能美颜：在智能手机相机中，美颜功能也是机器视觉技术的一大应用。
它通过对肤色和瑕疵等进行检测，然后自动去除肤色不均、痘痘等瑕疵，使拍摄出的照片更加美观自然。
5. AR 识别：AR 技术已成为手机拍摄场景中的一个重要元素。
机器视觉通过对AR 图像的识别，可以实现对AR 图像的跟踪与稳定，使得用户可以更加直观、生动地体验 AR 技术带来的乐趣。
三、机器视觉在智能手机相机中的未来发展目前，随着机器视觉技术的不断成熟，越来越多的手机厂商开始将机器视觉应用于自己的智能手机相机中。
未来，随着对拍照体验要求的不断提高，机器视觉技术在智能手机相机中的应用也将进一步扩大和深入。
机器视觉(相机、镜头、光源 )全面概括
机器视觉（相机、镜头、光源）全面概括分类：机器视觉2013-08-19 10:52 1133人阅读评论(0) 收藏举报机器视觉工业相机光源镜头1.1.1视觉系统原理描述机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。
机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
2.1.1视觉系统组成部分视觉系统主要由以下部分组成1.照明光源2.镜头3.工业摄像机4.图像采集/处理卡5.图像处理系统6.其它外部设备2.1.1.1相机篇详细介绍：工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，目前市面上工业相机大多是基于CCD（ChargeCoupled Device）或CMOS（Complementary Metal OxideSemiconductor）芯片的相机。
CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。
它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。
CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。
这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。
典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。
CCD作为一种功能器件，与真空管相比，具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。
CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初，90 年代初期，随着超大规模集成电路(VLSI) 制造工艺技术的发展，CMOS图像传感器得到迅速发展。
CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。
机器视觉中用的工业相机与普通相机的区别
机器视觉中用的工业相机与普通相机的区
别
机器视觉系统就是利用机器代替人眼来作各种测量和判断。
机器视觉相机的目的是将通过镜头投影到传感器的图像传送到能够储存、分析和(或者)显示的机器设备上。
作为机器的“眼睛”,相机占据非常重要的地位。
按照不同标准可分为标准分辨率数字相机和模拟相机等。
根据不同的实际应用场合选不同的相机和高分辨率相机线扫描CCD和面阵CCD;单色相机和彩色相机。
那么工业相机和我们日常生活中用的普通相机有什么区别呢?
1、工业相机的快门时间非常短,可以抓拍快速运动的物体,工业相机的快门时间般都是微秒级的,配合光源、频闪控制器以及全屏曝光,可以有效解决拖影等问题。
2、工业相机的拍摄速度远远高于一般相机。
工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅甚至更多的图片,而一般相机只能拍摄2-3幅图像,相差甚远。
3、工业相机的图像传感器是逐行扫描的,而一般摄像机的图像传感器是隔行扫描的,甚至是隔三行扫描的。
逐行扫描的图像传感器生产比较困难,成品率低,出货量也少,例如Dalsa、avt等,价格相对比较昂贵。
4、工业相机输出的是裸数据,其光谱范围也往往比较宽,比较适台进行高质量的图像处理算法,普遍应用于机器视觉系统中。
而一般相机(DSC)拍摄的图片,其光谱范围只适合人眼视觉,并且经过了MPEG压缩,图像质量也较差。
由于工业相机区别于普通相机的技术优势,工业相机更多的应用到各大领域中。
【视觉】线扫相机——机器视觉中无限制物体的检测
【视觉】线扫相机——机器视觉中无限制物体的检测在机器视觉中，在检测连续物体或者滚动物体时，线扫相机是最佳的解决方案。
通常，它们能提供很高的分辨率，因为它们要求很高的速度和数据率。
一、多条窄带拼成一副图像线扫相机只抓取一行作为图像发送到电脑，主机电脑将所有的行进行组织拼接。
如果不停止抓取，几乎可以创建一个无限大的图像。
在印刷行业、纺织、旋转或者移动物体的检测应用时，线扫相机是最佳的解决方案。
二、详解线扫相机1.线扫相机的历史可以检测黑白单线CCD芯片随着传真机第一次进入市场。
事实上，目前大部分文件扫描仪依然基于这个原理。
这种情况下，条状传感器是位于物体下方的。
随着传感器的微型化和分辨率的提高，传感器已经进一步远离物体。
今天，线扫相机被集成到传统相机上，可以搭配标准的镜头进行操作。
2.线扫相机的光学设计(1)相机—物体关系人眼或者标准的照相机在一个时刻获取一幅图像，对于静止物体和运动物体是没有区别的。
同一时刻，所有的图像数据都会被收集。
线扫相机需要物体或者相机运动，最后的图像大小一方面取决于相机的分辨率，另一方面取决于主机拼接的线数。
有两种搭建线扫相机的方式：·相机静止，物体运动·相机运动，物体静止相机和物体同时移动，在大多数场合下没有意义。
线扫相机一次只取图像的一行，随着被检测物体运动，一行接一行地采集，因此用线扫相机采集的一个2D图像的每一行都是在不同时间点采集的。
这与面阵相机来或者人眼采集图像在机器视觉软件理解的意义上来说，是不一样的。
(2)线扫镜头从上到下文件扫描仪对比，线扫相机需要镜头，这与面阵相机是完全相同的。
但是作为线扫相机，提供很高的分辨率（最高16K/线），相机需要拥有高质量镜头与合适的MTF。
(3)线扫光源与面阵相机最大的不同就是光源的搭建，为了获取相同的行（物体运动很快），你必须要照亮一条线，但由于速度很快（一般在us级别），因此线扫相机经常需要很高亮度的光照（高达1000000lux）。
机器视觉介绍
16
3.3 光圈
光圈：镜头中可以改变中间孔大小的机械装置。 图像的成像照度与光圈的直径D的平方成正比，于镜 头的焦距成反比，D/f被称为镜头的相对通光孔径，他的 倒数f/D就被成为光圈数，也叫F数，如果镜头的相对孔径 是1:2，那么他的光圈就是； 相对孔径越小，则光圈数越大，在单位时间内的通光 量也越大。
性能 寿命（kh）
响应速度 亮度 特性
白炽灯
氙灯
LED光源
5-7
约1-3
60-100
慢
慢
快
较亮
亮
可调
发热严重、寿命短 、易老化、能 量转换率低
价格便宜、照明面 积大、光谱分 布不均匀、寿 命短
寿命长、相应速 度快、几乎无 老化、功耗小 、发热小
24
4.1 照明方式
25
4.2 照明方式
26
4.3 照明方式
11
1.5 工业相机-像素时钟/最大行频/最大帧率
➢ 像素时钟：CCD中像素输出的节拍； ➢ 最大行频：线阵相机每秒钟能够输出的最大行数； ➢ 最大帧率：面阵相机每秒钟能够采集并输出的最大帧数；
像素时钟越高最大行频或者帧率越高，但是噪声也会加大， 影响低照度环境下的性能
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2 如何选择合适的工业相机
机器视觉介绍
引言 机器视觉介绍
机器视觉
处理速度快 检测精度高 非接触测量
自动化设备 汽车工业 消费品 电子产品 食品饮料/包装 医药行业
……
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1 工业相机-概述
工业相机 用于获取图像
传感器选择
CCD CMOS
传感器结构
面阵相机 线阵相机
输出信号
数字相机 模拟相机
图像
机器视觉系统之相机篇PPT课件
IEEE1394总线特征
Ø 1394总线的“心跳”周期是125 µs (8 kHz)； Ø 包长：1394总线每125 µs 发送的同步数据包
尺寸。
IEEE1394总线特征
IEEE1394传输距离
➢ 1394a，单根4.5m(S400)，加中继可达70m。高 质量的线缆可达17.5m(S400)(AVT)，如果调整到 S100或S200，则传输距离可达25m，甚至更长；
CCD Sensor—全帧转移
➢ 优点：填充因子(fill factor)可以达到非常高， 甚至达到100%。这样 Sensor灵敏度非常大。
➢ 缺点：由于传输和读出 使用的时钟相同，因此 Sensor上面的部分曝光 时间比下面的长，这会 造成Smear现象。为了解 决这个问题，必须使用
机械快门或闪光灯。
Output (Amplifier)
电子快门和微透镜
➢Overflow Drain主 要用来消除CCD Sensor的Blooming现 象，它也被用来实现 电子快门
➢通过Micro Lenses 可以将传感器的填充 因子提高。
CMOS Se行扫描
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USB总线传输方式
➢ 等时(isochronous)传输方式。提供了确定的带宽和间隔时 间，在传送数据发生错误时，USB并不处理这些错误，而是 继续传送新的数据；
➢ 中断(interrupt)传输方式。传输数据量小，以达到实时效 果；
➢ 控制(control)传输方式。双向传输，数据量也比较小； ➢ 批(bulk)传输方式。该方式用来传输要求正确无误的数据；
➢ 1394b,单根10m(S800)；转网络传输，用Cat5线 可达到100m(S100)，使用Cat6线，在S400情况下可 达60m；转光纤传输，可达500m(S400/S800)；直接 光纤传输100m(S800)(AVT Pike和Stingray系列)
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USB总线传输方式
➢ 等时(isochronous)传输方式。提供了确定的带宽和间隔时 间，在传送数据发生错误时，USB并不处理这些错误，而是 继续传送新的数据；
➢ 中断(interrupt)传输方式。传输数据量小，以达到实时效 果；
➢ 控制(control)传输方式。双向传输，数据量也比较小； ➢ 批(bulk)传输方式。该方式用来传输要求正确无误的数据；
在这4种数据传输方式中，除等时传输方式外，其他3种方式 在数据传输发生错误时，都会试图重新发送数据以保证其准 确性。
USB传输距离
USB2.0，单根5m，加中继可达30m
USB接口的局限性
➢ 没有标准协议 ➢ 主从(Master-salve)结构，CPU占用率高 ➢ 带宽没有保证
USB线
IEEE1394－FireWire接口
机器视觉系统 —工业数字相机篇
工业摄像机分类
按输出图像信号格式划分 模拟摄像机
➢ PAL（黑白为CCIR） ➢ NTSC（黑白为EIA）
数字摄像机
➢ IEEE1394 ➢ USB2.0 ➢ Camera Link ➢ GigE
工业摄像机分类
按像素排列方式划分 面阵摄像机
➢ 黑白摄像机 ➢ Bayer彩色相机 ➢ 3CCD彩色相机（分光棱镜）
1.体积小 2.片上数字化 3.很多片上处理功能 4.低功耗 5.没有Blooming现象 6.直接访问单个像素 7.高动态范围（120dB） 8.帧率可以更高
劣 1.Blooming
1.一致性较差
2.不能直接访问每个像 2.光灵敏度差
素
3.噪声大
3.没有片上处理功能
隔行扫描 和逐行扫描
隔行扫描
逐行扫描
SVGA 782x582
XGA 1034x779
SXGA
UXGA
1392x1040 1628x1236
工业摄像机芯片分类
按芯片类型划分： • CCD摄像机 • CMOS摄像机
CCD Sensor—全帧转移
➢ 优点：填充因子(fill factor)可以达到非常高， 甚至达到100%。这样 Sensor灵敏度非常大。
IEEE 1394 2006 IEEE 1394 2008
800Mbps 3.2Gbps
IEEE1394特点
➢ 带宽：400 Mbit/s（1394a），800 Mbit/s（1394b） ➢ 支持热插拔 ➢ 点对点的通讯方式 ➢ 支持DMA，不占CPU ➢ 有保证的带宽，确保万无一失的数据传输 ➢ 可通过1394总线供电
Output (Amplifier)
电子快门和微透镜
➢Overflow Drain主 要用来消除CCD Sensor的Blooming现 象，它也被用来实现 电子快门
➢通过Micro Lenses 可以将传感器的填充 因子提高。
CMOS Sensor
CCD vs CMOS
CCD
CMOS
优 1.图像质量高 2.灵敏度高 3.对比度高
行曝光和帧曝光
帧曝光
行曝光
彩色摄像机－Bayer彩色相机
彩色摄像机－3Lines相机
彩色摄像机－3CCD相机
工业数字摄像机主要接口类型
➢ Usb2.0 ➢ IEEE 1394 ➢ CameraLink ➢ GigE
USB接口
标准 发布日期 传输速率
应用
Usb1.0 Usb1.1
Usb2.0 Highspeed Usb3.0 Superpeed
Sensor elements
Shielded
(Photo diodes) vertical shift register
Horizontal shift registers
➢转移时间约为1us，因此完全不 存在Smear现象。 ➢优点：由于转移时间非常短， 因此不需要使用机械快门或闪光 灯 ➢缺点：由于屏蔽区占用了 Sensor的部分面积，因此使得此 种传感器填充因子只能在 20%~70% ➢添加微镜头可以增加填充因子
1996年 1998年
2000年
1.5Mbps 12Mbps
480Mbps
NO
Usb鼠标、键盘、家用扫描 仪、一些网络摄像机等
80％的带宽用于图像传输， 约38MB
2008.08 4.8Gbps NO
USB接口特点
➢USB2.0带宽：480 Mbit/s ➢支持热插拔 ➢使用便捷 ➢相机可通过USB线缆供电
Shielded memory area
➢优点：在曝光时间较长的 情况下，Smear现象比Full Frame Array Sensor小很多 ➢缺点：由于需要两个 Sensor，因此成本非常高
...............................
Readout register
CC94总线特征
IEEE1394总线特征
➢ 1394总线的“心跳”周期是125 µs (8 kHz)； ➢ 包长：1394总线每125 µs 发送的同步数据包
尺寸。
IEEE1394总线特征
IEEE1394传输距离
➢ 1394a，单根4.5m(S400)，加中继可达70m。高 质量的线缆可达17.5m(S400)(AVT)，如果调整到 S100或S200，则传输距离可达25m，甚至更长；
标准 1394a
1394b 1394c
发布日期
IEEE 1394 1995 IEEE 1394 2000
IEEE 1394 2002
传输速率
特点及应用
400Mbps 主要应用于视频传输领域；
800Mbps
传输距离4.5m，单根线缆最长 可达到17.5m，加中继可达70m， 光纤传输则可达100m 有标准DCAM协议, CPU占用低
➢ 缺点：由于传输和读出 使用的时钟相同，因此 Sensor上面的部分曝光 时间比下面的长，这会 造成Smear现象。为了解 决这个问题，必须使用 机械快门或闪光灯。
Serial readout register
Output (Amplifier)
CCD Sensor—帧传输
Light sensitive CCD-sensor
线阵摄像机
➢ 黑白摄像机 ➢ 3Line彩色摄像机 ➢ 3CCD彩色摄像机（分光棱镜）
工业摄像机靶面尺寸和分辨率
靶面尺寸 1’
2/3’ 1/1.8’ 1/2’ 1/3’ 1/4’
宽x高(mm) 12.8x9.6 8.8x6.6 7.18x5.32 6.4x4.8 4.8x3.6 3.6x2.7
VGA 分辨率 659x494