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1、現(xiàn)代檢測技術(shù) 機(jī)器視覺測量系統(tǒng),精勤求學(xué) 敦篤勵志 果毅力行 忠恕任事,,Xian Jiaotong University,主要內(nèi)容,圖像傳感器,圖像測量系統(tǒng),圖像處理技術(shù),CCD, CMOS,照明、鏡頭、圖像傳感與采集、中央處理器,基本概念、圖像增強、圖像分析,Xian Jiaotong University,圖像測量系統(tǒng),控制中樞、圖像處理,照明,鏡頭、圖像傳感器,圖像采集,,,,,視頻信號,,Xian Jiaotong University,照明,光源 照明技術(shù) 不同光源與照明技術(shù)效果舉例,Xian Jiaotong University,光源,方向 直射光：入射光基本上來自一個方向，入
2、射角小，被照射物體有陰影； 散射光：入射光來自多個方向，不會投射出明顯陰影。,Xian Jiaotong University,光譜 光的組成成份，如日光由從紫外到紅外的所有光譜組成。 取決于光源的類型和光學(xué)濾色鏡。 可見光光譜如圖所示：,光源,Xian Jiaotong University,光源,偏振性，又稱極化光 一般光波的震蕩方向是不定的，極化光的震蕩方向處在一個確定的平面上。 在鏡面反射中保留了定向性，可以借此消除鏡面反射光的影響。,強度 光照強度會影響攝像頭的曝光，光線不足會造成對比度降低，噪聲過大； 光線過強會造成圖像飽和，能量浪費以及散熱等問題。,均勻性 在所有機(jī)器視覺應(yīng)用中，
3、都要求均勻的光照。照射強度會隨距離和角度偏離而減小，需要特別考慮。,Xian Jiaotong University,光源,光源的種類 按發(fā)光器件：鹵素等、熒光等、LED燈、氙（xian）燈等； 按幾何形狀：環(huán)形、方形、穹型、長條型燈； 按發(fā)光特性：點光源、線光源、面光源等； 按照射角度：直射、間接、掠射、同軸、平行等。 LED燈：顏色豐富、發(fā)光效率高、響應(yīng)速度快、體積小、發(fā)熱小、功耗低、發(fā)光穩(wěn)定、壽命長、易于組成不同形狀的光源，是重要的光源發(fā)展趨勢。,,Xian Jiaotong University,照明技術(shù),物體的反射特性 鏡面式反射；漫反射,Xian Jiaotong Universi
4、ty,照明技術(shù),顏色 相加色：兩種或三種波長組合成某種波長光的效果。 相減色：反射時從光譜中去除某些波長的光。,光學(xué)密度、折射率、紋理、表面方向,Xian Jiaotong University,照明技術(shù),正向照明 鏡面：光線直接反射進(jìn)入鏡頭； 離軸照明：光源在鏡頭軸線側(cè)面、避開了鏡面反射； 半漫射照明：光照較均勻，如環(huán)形光； 漫射照明：光線來自所有方向，鏡面反射最少； 黑場：光線與鏡頭視線方向垂直。 背光照明 漫射式：光源+平板，背面照射； 凝聚式：使用鏡頭將光線集中于一個方向； 黑場：適用于檢測透明物體中的裂痕、氣泡等。,,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技
5、術(shù)效果舉例,高角度亮場與低角度暗場,光照強、較均勻,光滑表面的文字、傷痕等紋理檢測,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,從邊上的黑場照明,最適合凹凸不平表面及表面缺陷，缺點是陰影太大。,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,用明視野和暗視野照明對比,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,用碗狀照明消除暈眩光,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,用透射光檢查物體的有無,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技
6、術(shù)效果舉例,光源的顏色差異,中心部有銀色涂層的銅框架,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,紅外線照明,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,紅外線照明,Xian Jiaotong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,紫外線照明,Xian Jiaotong University,偏振光照明,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,Xian Jiaotong University,偏振光照明,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,圖鏡子上灰塵指印，掠射；圖鏡子上油脂指印，暗視場；圖光盤上油脂指印，暗視場,Xian Jiaot
7、ong University,不同光源與照明技術(shù)效果舉例,偏振光照明,,Xian Jiaotong University,鏡頭,鏡頭的視野、景深和焦距示意圖,Xian Jiaotong University,鏡頭,基本概念 成像面：被測物及其背景通過鏡頭投影到二維圖像傳感器平面，一般是長寬比為4:3的矩形； 視野（Field of View，F(xiàn)OV）：與成像面對應(yīng)的景物平面范圍； 工作距離（Work Distance，WD）：被測物到物鏡的距離； 景深：以鏡頭最佳聚焦WD為中心，前后存在一個范圍，在此范圍內(nèi)的物體能夠清晰成像，這個范圍被稱為景深（Depth of View，DOV） 焦距,Xi
8、an Jiaotong University,選擇鏡頭的關(guān)鍵參數(shù),物鏡的焦距f f決定了物體在成像面成像的大小，焦距越長，成像越大； f可以短到幾毫米，長達(dá)數(shù)十米； 變焦距鏡頭可以通過調(diào)節(jié)焦距獲得不同的放大倍數(shù)。 相對孔徑F=D/f（光圈） D是鏡頭中光線能通過的有效圓孔直徑，D越大，收集的光線越多；如f = 50mm，D = 8.9mm，則相對孔徑F= 8.9/50=1/5.6； 鏡頭上以1/F表示光圈值，如3.4，5.6，8，11，16等，光圈每增加一檔，光照度增加一倍；,Xian Jiaotong University,相對孔徑F=D/f（光圈） F越大，景深越短；光圈越小，景深越長。為
9、了獲得較大景深的清晰圖像，可以采取加大光強，減小光圈的方法。 視場角 物鏡的視場角決定了成像面上良好成像的空間范圍。 當(dāng)成像面尺寸一定時，f越長，視場角越小。反之視場角越大。,選擇鏡頭的關(guān)鍵參數(shù),Xian Jiaotong University,選擇鏡頭,PMAG：鏡頭的放大倍數(shù),Xian Jiaotong University,選擇鏡頭,如何選擇焦距,WD：工作距離 Ho：視野的高度 Hi：相機(jī)有效成像面高度,PMAG：鏡頭的放大倍數(shù) LE：鏡頭像平面的擴(kuò)充距離為實現(xiàn)聚焦像平面后移,LE = Di-f = PMAG*f,Xian Jiaotong University,選擇鏡頭,物距WD、放
10、大倍數(shù)PMAG和焦距f的關(guān)系,利用上式可通過被測物尺寸（Ho）、物距（WD）和像平面高度（Hi）計算出所需鏡頭的焦距f。,LE = Di-f = PMAG*f,Xian Jiaotong University,選擇鏡頭,普通鏡頭選擇步驟： 獲得物體至鏡頭的距離WD，如果是一個范圍，取中間值； 計算圖像放大倍數(shù)PMAG； 利用公式計算所需的焦距； 選取與計算值最接近的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭產(chǎn)品，并取其焦距值； 根據(jù)所選鏡頭焦距重新核算鏡頭到物體的距離WD。 舉例：,物體至鏡頭的距離在10cm30cm范圍內(nèi)，取WD=20cm。 設(shè)視場高度為6cm，傳感器成像面高度為6.6mm，則鏡頭放大倍數(shù)為：,Xian Ji
11、aotong University,計算所需鏡頭焦距： 標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦距：8mm、12.5mm、16mm、25mm和50mm 16mm鏡頭的焦距最接近計算值，使用該值重新計算WD： 鏡頭的擴(kuò)充距離為： 如果鏡頭擴(kuò)充距離不夠，可以通過墊圈（1mm或0.5mm）調(diào)節(jié)聚焦機(jī)構(gòu)獲得所需擴(kuò)充距離。,選擇鏡頭,Xian Jiaotong University,鏡頭的分類,按鏡頭接口 CCTV（C-MOUNT）：又稱C接口鏡頭，采用螺紋式固定方式，在機(jī)器視覺中應(yīng)用最廣泛，具有重量輕、體積小、價格便宜、品種多等優(yōu)點。 CS-MOUNT是C接口的一種變形，二者區(qū)別在于鏡頭的定位面到圖像傳感器光敏面的距離不同。C接
12、口相機(jī)與CS鏡頭連接不能獲得良好聚焦，而且會損壞CCD靶面。,Xian Jiaotong University,C接口鏡頭產(chǎn)品,1，連接C-接口視覺 傳感器的螺紋 2，根據(jù)型號可選塑料 或金屬外殼 3，有各種尺寸的標(biāo)準(zhǔn)型,高能型和百萬像素型的鏡頭 4，帶焦距鎖定 5，可選C-接口增倍鏡,Xian Jiaotong University,F接口尼康工業(yè)鏡頭；V接口施耐德工業(yè)鏡頭 35mm相機(jī)鏡頭（35mm是膠片寬度）：即最常見的135相機(jī)使用的鏡頭，采用卡口式固定方式，不同相機(jī)品牌的鏡頭規(guī)格通常不一致，不具有互換性；在振動環(huán)境中會產(chǎn)生移動，在機(jī)器視覺系統(tǒng)中較少采用。,Canon,Nikon,
13、鏡頭的分類,Xian Jiaotong University,按等效焦距 廣角鏡頭：景深大，WD短，視角大，易出現(xiàn)桶形失真； 長焦距鏡頭：WD大，放大倍數(shù)大，易出現(xiàn)枕形失真； 中焦距鏡頭：f約在50mm和200mm之間，最常用鏡頭； 按鏡頭所具有的功能 變焦距鏡頭（自動調(diào)焦） 變光圈鏡頭（自動光圈） 遠(yuǎn)心鏡頭：可以產(chǎn)生正交投影拍攝效果； 微距鏡頭：拍攝微小物體，放大倍數(shù)在0.252之間。 顯微鏡頭：成像比例大于10倍。 紫外鏡頭、紅外鏡頭：專門針對紫外光或紅外光折射特性設(shè)計的鏡頭。,鏡頭的分類,,Xian Jiaotong University,視頻信號,視頻信號是機(jī)器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵，關(guān)系到攝
14、像機(jī)和采集卡的配合、視頻系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)試等。 分為黑/白和彩色兩大類，又分為模擬和數(shù)字視頻。模擬視頻分為標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)視頻，數(shù)字視頻包含多種數(shù)字格式。 標(biāo)準(zhǔn)視頻信號的周期、時間間隔、幅度等有明確規(guī)定，又稱為閉路電視CCTV（Closed Circuit Television）。 非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號多用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、儀器等領(lǐng)域的視覺系統(tǒng)。,Xian Jiaotong University,標(biāo)準(zhǔn)黑白視頻信號 隔行掃描,視頻信號,隔行的幀圖像和奇偶場圖像之間的關(guān)系,Xian Jiaotong University,包含灰度信號、同步信號和消隱信號（零電平），零電平的上部是灰度圖像，零電平處為全黑，零電平的
15、下部是行、場同步信號，包括奇場和偶場的識別脈沖信息等。,視頻信號,全電視信號同步信號,Xian Jiaotong University,標(biāo)準(zhǔn)彩色視頻信號 RGB彩色信號：分辨率最高，未經(jīng)壓縮，灰度損失量最??；需要傳送RGB信號和行場同步信號。 YUV分量式（YCrCb）：Y是黑白全電視信號，UV表示色度（顏色的色調(diào)和飽和度）；圖像細(xì)節(jié)主要取決于Y分量，因此可以對U、V分量壓縮，減少帶寬。 Y = 0.299R+0.587G+0.114B U = Cr = 0.713(R-Y) , V = Cb = 0.564(B-Y) S-Video（Y/C格式）：為了把YUV信號進(jìn)一步混合，用一個4.33M
16、Hz的正弦和余弦波分別對U和V進(jìn)行幅度調(diào)制，然后疊加到一起，疊加后的信號相位和幅值中包含了色調(diào)和飽和度信息，視頻信號可以通過兩根線傳遞。,視頻信號,Xian Jiaotong University,彩色全電視信號：用一根電纜傳送信號，且與黑白電視信號兼容。Y信號是以行頻為重復(fù)周期的周期信號，其頻譜為離散譜，選擇UV載波頻率，使調(diào)制后的C信號頻譜落在Y頻譜的空隙內(nèi)，則Y和C信號不會“互相干擾”。 RGB、YUV、S-Video和彩色復(fù)合視頻信號的信號形式越來越緊湊，也越來越難以精確恢復(fù)到RGB形式，因此在條件許可的情況下，應(yīng)盡量按照順序選擇高質(zhì)量的信號形式。,視頻信號,Xian Jiaoton
17、g University,非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號 非標(biāo)準(zhǔn)的時序：不能用標(biāo)準(zhǔn)視頻采集卡和解碼電路處理，大多數(shù)醫(yī)療設(shè)備和計算機(jī)VGA輸出都是非標(biāo)準(zhǔn)視頻。 百萬級像元的分辨率：CCIR標(biāo)準(zhǔn)攝像機(jī)代表分辨率為768*576，非標(biāo)準(zhǔn)視頻信號已經(jīng)超過百萬像素分辨率。 逐行掃描：不分奇偶場，一場掃描得到一幀圖像信號。隔行掃描的圖像只能用于觀看為目的的場合，不能用于運動物體的檢測。,視頻信號,Xian Jiaotong University,數(shù)字視頻 A/D轉(zhuǎn)換在攝像機(jī)內(nèi)部進(jìn)行，集成度高，受外界干擾小，時鐘精準(zhǔn)。 以計算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)總線信號形式傳輸時，不需要采集卡。 常用數(shù)字視頻格式標(biāo)準(zhǔn)包括： LVDS（低電壓差分信號裝置
18、）和RS-644：傳輸速度大于400MHz；只定義了一個信號發(fā)送和接收的電氣特性，沒有定義傳輸協(xié)議、連接方式和接插件細(xì)節(jié)。 Camera link接口協(xié)議：規(guī)范了攝像機(jī)和采集設(shè)備的連接方式，基本傳送單元是LVDS。 通用計算機(jī)接口USB2.0和FireWire (IEEE 1394),視頻信號,,Xian Jiaotong University,圖像采集卡,圖像采集卡（Image Grabber）又稱為圖像卡，將傳感器輸出的圖像視頻信號以幀為單位傳送到計算機(jī)進(jìn)行處理、存儲或顯示。,黑白圖像采集卡結(jié)構(gòu)圖,Xian Jiaotong University,圖像采集卡的重要參數(shù)： 黑、白參考電平、亮
19、度調(diào)節(jié)、對比度調(diào)節(jié) 箝位（直流恢復(fù)）：A/D參考電平恢復(fù) A/D轉(zhuǎn)換精度：8位、9-12位 采集速度：數(shù)據(jù)速率=每幀總采集點數(shù)轉(zhuǎn)換精度幀速率 總線結(jié)構(gòu)：PCI-Experss總線。,圖像采集卡,Xian Jiaotong University,圖像采集卡,選擇圖像采集卡時需要考慮以下幾個問題： 所支持的相機(jī)類型：相機(jī)有面掃描和線掃描之分，輸出形式有RS422、RS644、IEEE1394以及Camera link等，圖像可能是8、10、12、14、16、24和32位黑白或彩色圖像。 數(shù)字I/O口：當(dāng)采用多相機(jī)方案時，要考慮多路視頻信號的同步性，要求圖像采集卡支持多路輸入輸出。 數(shù)據(jù)流量：瞬間數(shù)據(jù)流量太大就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，為了解決這個問題，圖像采集卡上應(yīng)該有數(shù)據(jù)緩存。,Xian Jiaotong University,汽車傘齒輪缺陷檢測系統(tǒng),Xian Jiaotong University,汽車傘齒輪缺陷檢測系統(tǒng),Xian Jiaotong University,作業(yè),1 一個典型的機(jī)器視覺圖像測量系統(tǒng)包括哪些環(huán)節(jié)？ 2 為了得到更適合于測量目的的圖像，可以選取哪些種類的光源？光源的投射方式分別有哪些？ 3 電視信號的掃描方式是什么？它可以用于機(jī)器視覺中運動目標(biāo)的檢測么？為什么？,Thank You !,
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