机器视觉及智能检测.pdf 46页

2011/11/18第一讲 视觉检测概述1.1什么是计算机视觉 机器视觉与智能检测机器视觉与智能检测1.2什么是视觉检测技术1.3视觉检测的作用华南理工大学1.4视觉检测的特点2011.091.1什么是计算机视觉1.2什么是视觉检测 外部信息感知:耳朵鼻子舌头皮肤眼睛听觉嗅觉味觉触觉视觉(80%)视觉检测:利用计算机视觉技术实现目标参数的自动检测 计算机视觉:利用计算机模拟生物宏观视觉功能的科学目标光学成像技术光源创建数字图像镜头恢复现实模型恢复现实模型图像图像获取和存储图像认知现实世界卡视觉数字 起源:50年代—模式识别:二维灰度图像的分析与识别检测 数字图像处理视觉 发展:60年代—Roberts三维机器视觉算法技术特征70年代—Marr视觉计算理论模式识别技术视觉算法计算理论、表示与算法、硬件实现识别80年代—蓬勃发展,新概念,新方法,新理论信息处理技术计算机算法处理、控制1.2什么是视觉检测1.3视觉检测的作用视觉检测与其他学科的关系美国国家标准局:未来检测任务的90%有无:生产件零件计数、外包装喷码 图像处理图像 滤波、增强、复原 图像智能 方位:电子元件焊接分割、细化,压缩判断 缺陷:产品包装损害、零件缺陷识别 模式识别模式识别 图像特征匹配:染色体配对匹配:染色体配对、目标相关性检验目标相关性检验提取提取视觉视觉识别:数字、字符、标记、目标采集图像 模式图像 计算机视觉 目标图像 处理 图像 识别 特征 分析 信息检测尺寸:长度、角度、形状位置:零件位置公差、元件定位、三坐标 视觉检测目标 计算机视觉 信息 测量数据处理 测量结果参数 颜色:药液品质检测、油漆速度、纺织品测量计算、重构、生成灰度:玻璃制品透明度、液体浑浊度 计算机图形学 数字图像领域:工业、交通,三航、军事、医学、安防12011/11/181.3视觉检测的作用1.3视觉检测的作用 1)工业在线检测日本Keyence 双目立体成像玻璃瓶子及瓶盖 大恒:管瓶在线质量检测系统品质检测检测 检测对象:零部件尼康听觉识别,产品,包装 检测参数:尺寸检测参数:尺寸 ,颜色颜色 ,缺陷缺陷品质,位置,匹配美国NI判断连接 判断PCB板加工 判断饮料过多判断药粒安装正 成像系统:单目,双目,多目正确性正确性或过少确性1.3视觉检测的作用1.3视觉检测的作用大三维激光视觉检测系统恒印印刷质量检测1.3视觉检测的作用1.3视觉检测的作用 2)工业离线检测小型零件尺寸参数测量 检测对象:零部件 检测参数:尺寸,颜色,缺陷,品质 检测系统:单目成像22011/11/181.3视觉检测的作用1.3视觉检测的作用 PCB电路板参数检测3).生物医学图像分析医学临床诊断B超,CT,核磁共振(MRI)胃镜,肠镜生物图像分析形状形状 ,组织切片组织切片 ,染色体配对染色体配对细菌,病毒,病原体外形尺寸组织切片检测,表面损伤检测细胞统计排序叶片细胞显微放大转基因大豆孢子MRI1.3视觉检测的作用1.3视觉检测的作用 4.监控、安防、交通管理5.遥感图像分析: 交通车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、卫星遥感图像交通流量检测气象卫星(红外成象云图气象状况) 安全指纹、人脸和静脉识别、安全检查(飞机、海关)资源卫星(多光谱成象地质、矿藏、森林、灾害) 监视监视 超市防盗超市防盗、银行监控银行监控 ,停车场停车场、电梯闭路电视电梯闭路电视海洋卫星(合成孔径雷达成象海洋、海浪、海滩)航空摄影图像(多目成象大地测量、测绘)6.军事与国防:超低空雷达、超视距雷达、导弹制导与导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象1.4视觉检测的特点1.4视觉检测的特点 (1)高速度(2)高智能 瞄准:自动搜索目标边缘并定位照明:自动控制照明亮度及方式无需人工介入和目视瞄准调焦:自动识别图像清晰度 测量测量 :可以直接测量零件参数可以直接测量零件参数瞄准瞄准 :自动寻找边缘轮廓并定位自动寻找边缘轮廓并定位二维和三维信息测量:给出最优测量结果 参数:长度,距离,外径,孔径厚度,倒角,轮廓面积,线宽,螺距等Good Bad32011/11/181.4视觉检测的特点1.4视觉检测的特点 (3)高精度(4)其他 光学:高放大倍率提高分辨率长时间 图像:亚像素细分确保图像处理宽光谱的准确性的准确性消除错觉消除错觉 算法:最小二乘法处理结果更可靠,更准确第二讲 视觉检测系统组成2.1视觉检测系统构成 2.1视觉检测系统构成 2.2光源和照明方式 2.3检测镜头 2.4摄像器件 2.5图像存储体 2.6视觉软件2.1视觉检测系统构成2.2光源和照明方式(1)光源的作用:选择依据:①使视场具有足够照度几何形状、照明亮度、均匀度、光整体亮度、突出特征量谱特性,发光效率、使用寿命②满足一定的投影关系位置变化、成像质量③满足一定的滤光要求区别、对比度(2)光源的种类:①自然光源②人工光源42011/11/182.2光源和照明方式2.2光源和照明方式明场和暗场 照射方向直射光 :入射光基本上来自一个方向,入射角小,被照射物体有阴影;漫射光漫射光 :入射光来自入射光来自多个方向,不会投射出明显阴影。

2.2光源和照明方式2.2光源和照明方式 反射背光 照明照明 (明场) 反射 照明 (暗场)2.2光源和照明方式2.2光源和照明方式 穹顶结构光 漫射照明 同轴 照明52011/11/182.2光源和照明方式2.2光源和照明方式 常用人工光源(1)高频荧光灯常用光源(2)光纤卤素灯使用寿命约1000小时使用寿命1500-3000小时几乎没有亮度和色温的变化优点:扩散性好,适合大面优点:亮度高积均匀照明,成本低缺点:响应速度慢缺点:响应速度慢,亮度较暗2.2光源和照明方式2.2光源和照明方式 常用光源(3)发光二极管(LED)光源比较寿命长,耐振动萤光灯卤素灯+光纤导管LED灯源体积小,无辐射价格低高中功耗低,发热少响应快(毫秒级)亮度低高中稳定性稳定性低低中中高高闪光装置无无有使用寿命中低高光线均匀度高中低多色光无无有复杂设计低中高点光源线光源面光源温度影响中低高2.2光源和照明方式2.3检测镜头 各种光源实例镜头的作用成像:目标通过镜头成像到摄像器件上没有镜头,无法采集到图像输出被噪声淹没聚焦:当镜头成像平面不在摄像机像面上时,输出图像模糊不清;调焦:调整CCD与镜头基准面的距离。

曝光:改变光积分时间—曝光量(光圈)改变灰度变焦:改变镜头的焦距—改变成像大小(人眼不具备)功能相当于人眼的晶状体62011/11/182.3检测镜头2.3检测镜头 镜头参数焦距:焦距大小决定视场角的大小 焦距,视场,分辨率焦距小(短):视场角大,观测范围大,景深大 最大/最小工作距离,远处物体分辨不很清楚,畸变大,边缘暗 景深,畸变焦距大(长):视场角小,观测范围小,景深小远处物体分辨也很清楚,畸变小选择焦距选择焦距 :观测目的观测目的—要细节还是大范围视野要细节还是大范围视野光圈:用来控制镜头通光量表达光圈大小用F值,F=f(焦距)/D(孔径)。2.3检测镜头2.3检测镜头畸变几何畸变指的是由于镜头方面的原因导致的图像范围内不同位置上的放大率存在的差异。 景 深 图枕形畸变桶形畸变。 示示焦点对在4.5 m时的景深情况实例2.3检测镜头2.3检测镜头–镜头的分类(1) 镜头各个参数间关系按照等效焦距分为光线标准镜头(中焦距) 光圈(相当于水)等效焦距为50mm的镜头。适用范围广,畸变校正较好。 (相当于水龙头开正确曝光所需光量广角镜头 关,开得越大,所(相当于桶的容积等效焦距小于标准镜头的镜头。

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需时间越短),正确拍照标准是工作距离短,景深大,视角大。常常表现为桶形畸变。得到恰好的光量得到恰好的光量。长焦距镜头正确曝光的标准就等效焦距超过200mm的镜头。是用“水”将这个“桶”充满)工作距离长,放大比大,观测范围小,畸变常常表现为枕形状畸变。正确曝光时间按变焦方式分为:(相当于以当前固定变焦 光线强度的水压、龙头开手动变焦 (相当于水压,关大小、距离,电动变焦 水压越大,所需将桶装满的时间 时间越短)72011/11/182.3检测镜头–镜头的分类(2)2.3检测镜头–镜头的分类(3) 按照功能分远心镜头: 变焦距镜头物方远心镜头可以 镜头的焦距可以调节,镜头的视角,视野可变消除透视畸变, 定焦距镜头像方远心镜头可以 镜头的焦距不能调节,镜头视角固定。聚焦位置和光圈可以调节获得更好的像面 定光圈镜头定光圈镜头照度的均匀性照度的均匀性 光圈不能调节,通常情况下聚焦也不能调节。 按照用途分 微距镜头(显微镜头) 用于拍摄较小的目标具有很大的放大比 远心镜头2.3检测镜头–镜头的分类(4)2.4摄像器件图像传感器是在光电技术基础上发展起来的将光学图像转换成电信号 按镜头接口分的器件,分为真空管图像传感器和半导体图像传感器。

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CCTV(C-MOUNT) :又称C接口镜头,固态图像传感器是高度集成的半导体光电器件,在一个器件上可以完采用螺纹式固定方式,应用最广泛,成光电信号的转换、传输和处理。重量轻、体积小、价格便宜、品种多。固态图像传感器的核心是电荷转移器件,有五种类型:CS-MOUNT:是C接口的一种变形电荷耦合器件(CCD)互补式金属-氧化物-半导体(CMOS)型FMount——尼康工业镜头;电荷注入器件(CID)Pentax接口—宾得工业镜头电荷引发器件(CPD)接口类型C接口CS接口叠层型成像器件镜头定位面至光敏面距离17.5mm 12.5mm是否可以连接C接口相机√×是否可以连接CS接口相机 √ (需加装节圈)√2.4摄像器件2.4摄像器件CMOS电荷耦合器件 (简称CCD)是以阵列形式排列在衬底材料上的金属 -氧化物-半导体电容器组成的,具有光生电荷、积蓄和转移的功能。互补式金属-氧化物-半导体 ,NMOS和PMOS串联;是集成电路中广泛使用的一个基本单元,在动态存储器中广泛在使用CCD拍照时,从目标处反射的光线穿过透镜,在CCD上使用,如计算机内存; 组成图像。当CCD上的像素接受光线时,就会产生与光强度相对应出现于20世纪70年代初,早期CMOS图像传感器图片质量差, 的电荷。

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该电荷被转换为电子信号,以获取各个像素接受的光强度仅用于低端产品;90年代后重新得到关注,低功耗、高集成 (浓淡度浓淡度)。度 ;也就是说,每个像素都是一个可检测光强度的传感器(光电二已广泛用于各种高、中、低端图像采集设备。 极管),一个2百万像素的CCD就是2百万个光电二极管的集合。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CCD以电荷作为信号的载体,而不是电压或电流。82011/11/182.4摄像器件2.4摄像器件CCD和CMOS的集成度CMOS芯片除了具有CCD芯片的功能单元,还包括了控制电路以电荷形式传输以电压形式传输、A/D转换和视频信号处理电路,可以进行亮度、对比度、噪音抑制、边缘检测等复杂处理。2.4摄像器件2.4摄像器件 (1)CCD的种类:(2)摄像机的主要参数: ①按成象器件分类:线阵CCD、面阵CCD①制式:-PAL制式:PAL制电视的供电频率为50Hz、场频为每秒50场、帧线阵CCD:一行,扫描;体积小,价格低;频为每秒25帧、扫描线为625行、图像信号带宽分别为4.2,,5.6MHz面阵CCD:整幅图像;直观;价格高,体积大;等。

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中国,香港、中东地区和欧洲 ②按颜色分类:黑白摄像机、彩色摄像机NTSC制式–NTSC制电视的供电频率为60Hz,场频为每秒60场,黑白摄像机黑白摄像机 :信息量小信息量小 ,时间时间、空间少空间少帧频为每秒帧频为每秒3030帧帧 ,扫描线为扫描线为525525行行 ,图像信号带宽为图像信号带宽为62MHz6.2MHz。采。采用NTSC制的国家有美国、日本等国家。彩色摄像机:信息量大,时间、空间多非标准制式–只有医疗或其它专业领域才用到 ③按扫描方式分类:逐行扫描、隔行扫描②CCD芯片尺寸:逐行扫描:高速运动,避免边缘模糊 ④按输出信号分类:模拟式、数字式数字摄像机电子快门曝光时间:1/50s、1/125s、1/32000s…面阵CCD芯片 ⑤按形状分类:长形、短形、方块形、半球形、单板形2.4摄像器件2.4摄像器件是CCD的主要性能指标尼康听觉识别,它决定了显示图像的清晰程度, ③CCD分辨率:④最低照度:也称灵敏度,是CCD对环境光线的敏感程度(最暗光线)。分辨率越高,图像细节的表现越好。单位-勒克斯,LUX,数值越小,需要的光线越少,越灵敏。像素CCD每一个元素,像素越多,图像越清晰普通型正常工作所需照度1~3LUX44万(768*576)、100万(1024*1024)根据 月光型正常工作所需照度0.1LUX左右200万(1600*1200)、600万(2832*2128)照度电视线电视线简称线简称线(TVLINES)(TVLINES),彩色摄像头一般彩色摄像头一般330~500330~500线线 , CCDCCD 星光型星光型 正常工作所需照度正常工作所需照度00..0101LUXLUX以下以下黑白可以达到600线。

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电视线与CCD和镜头有关,分为 红外型采用红外灯照明,在没有光线还与摄像头电路通道的频带宽度直接相关,通的情况下也可以成像常规律是1MHz的频带宽度相当于清晰度为80线。照天气照度LUX 室内场所照度LUX频带越宽,图像越清晰,线数值相对越大。度 晴天30000~300000 生产车间 10~500灰度级灰度分辨率、色彩分辨率,1/2n参 阴天3000办公室30~50考 日出日落 300餐厅10~30位数:8位(bit)、10位、11位、12位、表 月圆0.3~0.03走廊5~10位数越多,图像越清晰。星光0.0002~0.00002 停车场 1~5阴暗夜晚 0.003~0.000792011/11/182.4摄像器件2.5图像存储体 ⑤信噪比: 典型值为46分贝,(1)图像存储体的作用:如果为50分贝,则图像有少量噪声,但图像质量较好;①接收信号: 模拟摄像机标准电视信号如果能达到60分贝,就不会出现噪声。数字摄像机数字信号②存储图像数据:容量大、速度高、存取方便 ⑥光谱: 感光范围—可见光、红外、超声波等③图像处理:简单预处理滤波、二值化图像叠加图像叠加直线直线、圆圆、数字数字、符号符号 选择摄像机:芯片尺寸、色彩,④图像输出:输出到监视器监视、观察 分辨率、灵敏度、光谱响应输出到计算机图像处理、模式识别(2)图像存储体的种类:视觉传感器模块①外置式:独立单元、单独供电、功能全面、容易构成视觉系统视觉传感器—光源、摄像头、图像处理器、控制与通讯接口②图像卡式:插入计算机扩展槽内使用方便、速度快、成本低③传输式:数字摄像机计算机接口(串行、并行、USB)/网络传输2.6视觉软件2.6视觉软件–定位工具 1.定位工具(AlignmentTools)功能: 2.标定工具(CalibrationTools)确定对象的位置,包括X、Y方向偏移、角度。

可 3.几何工具(GeometryTools)消除设备对产品固定的要 4.检测工具(InspectionTools)求,提高产品制造的柔性。 55.特征提取工具特征提取工具(Feature(FeatureExtractionTools)应用: 6.颜色工具(ColorTools)定位和引导、检测。 7.图像处理工具关键指标: (ImageAnalysisTools)精度、效率、鲁棒性2.6视觉软件–标定工具2.6视觉软件–几何工具 功能:校正光学和成像畸变,形状探测工具:将图像坐标精确转换到物理坐标包括:FindLine、FindCircle、FindEllipse。拟合工具:包括:LineFit、CircleFit、EllipseFit。 应用:定位和引导、测量、精密检测测量工具:包括:DistanceMeasurement、AngleMeasurement。 关键指标:精度关键指标:精度。102011/11/182.6视觉软件–检测工具2.6视觉软件–特征提取工具 功能:基于图像比对的检测解决方案。功能:高性能的特征提取工具,可快速、高精度提取图像特征。

应用:可广泛应用于各类检测应用。关键指标:精度、鲁棒性、效率。 关键指标:检测能力、漏检率、误检率、效率。2.6视觉软件–颜色工具2.6视觉软件–图像分析工具 功能:最完备的颜色应用解决方案,直方图工具:可对图像灰度分布进行统计分析,并计算直方图统计量。包括:颜色测量、监测、检测、识别工具。阈值工具:可根据直方图自动计算图像分割阈值。灰度形态学工具:常用灰度形态学操作,包括:灰度膨胀、灰度腐蚀、 应用:适用各种颜色应用形态学梯度、灰度开启、灰度闭合等。清晰度工具:清晰度评价,为自动调焦提供评价基准。 关键指标:精度关键指标:精度、鲁棒性鲁棒性、效率效率。图像变换工具:仿射变换,极坐标变换,投影变换等。图像变换工具:仿射变换,极坐标变换,投影变换等。图像校正工具:可对图像进行畸变校正。Gaussian采样工具:包括GaussianSmooth、GaussianSampling。112011/11/18第3讲 图像预处理3.1 图像采样和量化3.2图像空间的关系3.3 图像的运算 机器视觉与智能检测机器视觉与智能检测华南理工大学2011.093.1图像采样和量化3.1图像采样和量化 采样(Sampling)量化(Quantization )空间坐标的离散化称为空间采样,简称采样,确定了对采样点亮度(灰度)值的离散化过程。

确定了图图像的空间分辨率像的灰(幅)度分辨率即用空间上部分点的灰度值代表图像。这些点称为两种量化:均匀量化、非均匀量化采样点采样点均匀量化均匀量化:: 将样点灰度级值等间隔分档取整将样点灰度级值等间隔分档取整两种方式非均匀量化: 将样点灰度级值不等间隔分档取整点阵采样:直接对表示图像的二维函数值进行采样,所得的结果就是一个样点值序列采样和量化的级数正交系数采样:先将图像函数进行某种正交变换,假定图像取M ×N个采样点,对样点值进行G级分档取整用其变换系数作为采样值M, N, G 一般取2的整数次幂mnkM=2 ;N=2 ;G=23.1图像采样和量化3.1图像采样和量化 取值的数字化被称为图像灰度级量化数字图像表示函数:2-D数组f (x, y)矩阵⎡ f 11 f 12 f 1N ⎤⎢⎥

Author: adhuang

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