ADTvision机器视觉系统概述

景深与焦距、物距、光圈的关系 光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大。
焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大。
距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。
尺寸
镜头规格应视CCD尺寸而定，两者应相对应。大概： ★ 摄像机的CCD靶面大小为1／2英寸时，镜头应选1／2英寸。 ★ 摄像机的CCD靶面大小为1／3英寸时，镜头应选1／3英寸。 ★ 摄像机的CCD靶面大小为1／4英寸时，镜头应选1／4英寸。 如果镜头尺寸比摄像机CCD靶面尺寸大时，将使图像视野比 镜头视野小，即不能很好地利用镜头的视野；如果镜头尺寸比摄 像机CCD靶面尺寸小时，将发生“隧道效应”，即图像有圆形的黑框， 像在隧道里拍的一样。
接口
C型： C型接口镜头与摄像机接触面至镜头 焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的位置） 的距离为17.5mm CS型： CS型接口此距离为12.5mm. CS型镜 头与CS型摄像机可以配合使用。C型镜头与 CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接 环可以配合使用。CS型镜头与C型摄像机无 法配合使用。
FG I/O
图像 内存中
结果 孔 半径
1 2 3 3.147 mm 3.052 mm 2.785 mm
被测物体
模拟视频流
数字图像
应用
CCD/CMOS图像传感器
机器视觉系统构成——数字摄像机
数字摄像机 （USB/1394a/1394b/GigE/CameraLink） 光源 镜头 机器视觉软件
光源：打光方式
光源颜色
我们都知道，白光是由不同波段（颜色）的光组成，白光打到 物体表面，和物体同波段的颜色会反射回来，其余颜色会被吸 收，打到白色表面将被全部反射，打到黑色表面将全被吸收， 如下图示意：
光源：打光方式
光源颜色
而单色光打到物体表面，同色物体会将其反射，黑白相机捕捉后 其灰度值较高，异色物体将对其吸收，黑白相机捕捉后其灰度值 将较低，如下图显示，不同色光打到红、绿、蓝三色物体上，最 终黑白相机的捕捉情况：
高帧率相机
低帧率相机
PART
03
镜头
视觉系统组成：镜头
镜头参数：
焦距
定倍远心镜头 定焦镜头
光圈系数
视场 工作距离 景深 尺寸
Navitar zoom6000 连续变倍镜头组件
Navitar zoom6000 连续变倍镜头
接口类型（C，CS）
焦距
从物体平面到镜头的距离叫物距，由镜头到传感器平面的距离 叫像距，透镜中心到焦点的距离叫焦距，这些变量之间有这样 一个几何公式。
彩色识别 对色彩的分辨能力强，但 能力 容易受人的心理影响， 不能量化 灰度分辨 差，一般只能分辨64个灰 力 度级
机器视觉Hale Waihona Puke Baiduvs 人类视觉
人类视觉 机器视觉
空间分 分辨率较差，不能观看微小 目前有4K×4K的面阵摄像机和 辨力 的目标 12K的线阵摄像机，通过备置 各种光学镜头，可以观测小 到微米大到天体的目标 速度 0.1秒的视觉暂留使人眼无法 快门时间可达到10微妙左右，高 看清较快速运动的目标 速像机帧率可达到1000以上， 处理器的速度越来越快
深圳众为兴技术股份有限公司
机器视觉系统概述
主讲人 褚金龙
目录
1 2 3
机器视觉系统概述
相机 镜头 光源 AVS视觉系统介绍 AVS应用案例介绍
4
5 6
PART
01
机器视觉系统概述
机器视觉是一门技术，该技术被广泛应用在生产制 造等行业。可用来保证产品质量、控制生产流程、 感知环境等。 机器视觉系统是基于机器视觉技术为机器或自动化 生产线建立的一套视觉系统。
机器视觉 vs 人类视觉
人类视觉 适应性 智能 适应性强，可在复杂及变 化的环境中识别目标 具有高级智能，可运用逻 辑分析及推理能力识别 变化的目标，并能总结 规律 机器视觉 适应性差，容易受复杂背景及环 境变化的影响 虽然可利用人工智能及神经网络 技术，但智能很差，不能很 好地识别变化的目标 受硬件条件的制约，目前一般的 图像采集系统对色彩的分辨 能力较差，但具有可量化的 优点 强，目前一般使用256灰度级， 采集系统可具有10bit、12bit、 16bit等灰度级
镜头焦距计算举例
光圈系数
光圈系数，即F值，是用来表征光圈大小的参数。它等于镜头 焦距f和通光孔径D之比。光圈的作用在于决定镜头的进光量。在 快门不变的情况下：F值越小，光圈越大，进光量越多，画面比 较亮；F值越大，光圈越小，进光量越少，画面比较暗。F值的规 律是后一个值正好是前一个数值的√2 倍，所以，光圈调大一挡， 光量减少2倍。常用值为1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22等 几个等级
汽车制造 制陶业 化学业 电子部件及设备 食品业 玻璃业 生命科学 医学 钢铁 矿业
• • • • • • • • • • • • •
光学行业 纸制品 药物 照相学和遥感 印刷 铁路运输 监控 航空宇航 造船 无线通信 交通 木材 等等
机器视觉系统构成——模拟相机
光源 镜头 摄像机 图像采集卡 机器视觉软件
200万像素能做到的精度，50mm/1200pixel=0.042mm/pixel
500万像素能做到的精度，50mm/1950pixel=0.025mm/pixel
相机：速度
能达到的定位速度与相机像素之间的关系：
帧率，单位fps，表示相机每秒能采集多少幅图像。 30万像素，120fps 200万像素，20fps 500万像素，14fps 帧率高适合拍运动物体，帧率低适合拍静止物体，如果 用帧率低的相机拍摄快速运动物体，会产生重影现象。
视场
视场(Field of view, 即FOV，也叫视野 范围) ：指观测物体的可视范围，也就是 充满相机采集芯片的物体部分。（视场 范围是选型中必须要了解的） 焦距的大小决定着视场角的大小， 焦距数值小，视场越大，所观察的范围 也大；焦距数值大，视场越小，观察范 围小。由于焦距和视场是一一对应的， 一个确定的焦距就意味着一个确定的视 场，所以在选择镜头焦距时，应该充分 考虑是观测细节重要，还是有一个大的 观测范围重要，如果要看细节，就选择 长焦距镜头；如果看近距离大场面，就 选择小焦距的广角镜头。
光源：颜色
光源照射方式
根据反射特性的不同，不同特征会反射出不同的效果。如下图，假 设检测平坦、光滑表面（镜面）上的缺陷。左图光源发出的光经镜 面反射不能进入镜头,镜面（背景）表现为暗，缺陷（特征）表现为 亮；而对于右图的照明方式，光源发出的光经镜面反射进入镜头,镜 面（背景）表现为亮，缺陷（特征）表现为暗。
FG I/O 图像数据 被测物体 CCD/CMOS图像传感器
图像 内存中
结果 孔 半径
1 2 3 3.147 mm 3.052 mm 2.785 mm
数字图像
应用
机器视觉系统构成——智能摄像机
智能摄像机 光源 镜头 机器视觉软件
FG I/O 模拟图像数据 被测物体 CCD/CMOS图像传感器
C型口与CS型口区别
接圈
远心镜头
普通工业镜头目标物体越靠近镜头（工作距离越短），所成的像就 越大。在使用普通镜头进行尺寸测量时，会存在如下问题： 1）由于被测量物体不在同一个测量平面，而造成放大倍率的不同； 2）镜头畸变大 3）视差也就是当物距变大时，对物体的放大倍数也改变； 4）镜头的解析度不高； 5）由于视觉光源的几何特性，而造成的图像边缘位置的不确定性。
相机
视觉系统组成：相机
相机参数： – 接口
• USB2.0 • GIGE千兆网
– 颜色
• 黑白 • 彩色(测量LED色度)
– 像素
• • • • 30万 200万 500万（CMOS） ……
相机：像素
能达到的定位精度与相机像素之间的关系：
30万像素：640*480 200万像素:1600*1200 500万像素：2600*1950 像素当量，单位mm/pixel，表示每个像素对应多少毫米 例如：工件为50mm*50mm： 30万像素能做到的精度，50mm/480pixel=0.104mm/pixel
工作距离
工作距离(Working Distance,即WD):指清 晰成像时从镜头前部到拍摄物体表面 的距离。选型必须要了解的问题，工 作距离是否可调？包括是否有安装空 间等） 焦距的长短影响工作距离的远近， 焦距越短，工作距离越近；焦距越长， 工作距离越远。
景深
在进行拍摄时，调节相机镜头，使距离相机一定距离的景 物清晰成像的过程，叫做对焦，那个景物所在的点，称为对焦 点，因为"清晰"并不是一种绝对的概念，所以，对焦点前(靠近 相机)、后一定距离内的景物的成像都可以是清晰的，这个前后 范围的总和，就叫做景深，意思是只要在这个范围之内的景物， 都能清楚地拍摄到。（需要了解客户对景深是否有特殊要求？）
1 1 1 u v f
实际上，任何一个镜头都不是由一个镜片组成的，都是由一 组镜片组成的。
镜头焦距计算公式
CCD尺寸计算方法
CCD尺寸可以根据相机说明书中的参数计算出来，例如从上图中 可以看到型号为MER-200-14GM/GC的相机分辨率为1628x1236， 即表示水平方向有1628个像素，垂直方向有1236个像素，再根 据像素尺寸4.4umx4.4um，就可以算出CCD芯片的宽度为 1628x4.4um=7.2mm，高度为1236x4.4um=5.4mm
感光范 400nm-750nm范围的可见 围 光
从紫外到红外的较宽光谱范围， 另外有X光等特殊摄像机
环境要 对环境温度、湿度的适应性 对环境适应性强，另外可加防护 求 差，另外有许多场合对 装置 人有损害
机器视觉系统作用
100%质量保证
100%检测 改进生产流程
提高产量
机器视觉技术 功能
精确测量
缩短产品 进入市场时间 及时过程监控
光源：打光方式
光源颜色
通常我们用下面的色环去选择我们需要的光源颜色，光源和特 征颜色在相对的位置时，特征灰度值最低；而光源和特征颜色 在接近的位置，特征灰度值较高。
光源：同轴
集成化生产
机器视觉应用领域
• • • • 高速检测 精确机器人导航 定位及配准 装配检测 • • • • • • 医学图像分析 一维码读取 OCR&OCV 匹配 印刷检测 Blob分析
•
• • •
PCB检测
表面检测 纹理分析 遥感
• 测量
机器视觉应用领域
• 半导体
• • • • • • • • • •
远心工业镜头主要是为纠正传统工业镜头的不足而特殊设计的镜头， 它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会随物距的 变化而变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。 远心镜头最大的优点就是大景深、低畸变。
远心镜头
远心镜头的分类主要有以下三种： 1. 物方远心镜头 即使物距发生改变，像距也发生改变，但像高并没有发生改变， 即测得的物体尺寸不会变化。 物方远心镜头用于工业精密测量， 畸变极小，高性能的可以达到无畸变。 2.像方远心镜头 即使CCD芯片的安装位置有改变，在CCD芯片上投影成像大小不变。 像方远心镜头的优点是，使相机的芯片获得均匀的光线，因为只 有平行于光轴的光线才能入射在CCD芯片前面的微型镜片上，从而 使图像不会出现阴影。 3.两侧远心镜头 此镜头兼具上面两种镜头的优点。在工业机器视觉中，一般只使 用物方远心镜头。偶尔也有使用两侧远心镜头的，（当然价格更 高）。而在工业机器视觉这个领域里，像方远心镜头一般来说基 本上是用不到的。
PART
04
光源
光源：类型
常见光源
光源参数： – 颜色
• • • • • • • • • 红色 蓝色 白色 混合色 同轴光 环形光 背光 圆顶光 ……
– 外形
光源：作用
光源：作用
光源：颜色
光源照射方式
由于对象物表面材质的不同，光在物体表面的反射分为镜面 反射和漫反射。同样，根据是否加漫反射板，光源分为直射 照明和漫射照明。其中，直射照明受照明角度影响，均匀性 相对不好，而漫射照明则不受照明角度影响，均匀性更好。 如下图。
图像 内存中 数字图像 应用
结果 孔 半径
1 2 3 3.147 mm 3.052 mm 2.785 mm
机器视觉市场
• 机器视觉系统中部件包括： – 光源、工业摄像机、图像采集卡、镜头、图像 处理设备等。 • 机器视觉市场包括: – 部件生产商 – 代理商 – 系统集成商
PART
02