視覺測量技術(shù)(一)-視覺系統(tǒng)構(gòu)成

視覺測量技術(shù)（一）視覺系統(tǒng)組成丁雅斌１、什麼是機(jī)器視覺？人類的眼睛機(jī)器視覺傳感器以光電傳感器和計算機(jī)為核心組成的能夠模擬人類視覺而完成某項工作的方法及裝備通過兩維圖像建立三維或高維真實世界的模型2、機(jī)器視覺應(yīng)用目標(biāo)識別與定位2、機(jī)器視覺應(yīng)用質(zhì)量檢測2、機(jī)器視覺應(yīng)用幾何量測量高速檢測連續(xù)沖孔的沖壓零部件。滾軸的外觀檢測可使用2臺線型相機(jī)高精度檢測長尺的金屬滾軸表面缺陷零件外觀檢測軸承的外觀檢測曲面外觀檢測Rocky7火星車2、機(jī)器視覺應(yīng)用導(dǎo)航

Rocky7視覺系統(tǒng)獲取的立體圖象對(a)深度圖象

(b)障礙物探測示意圖Rocky7視覺系統(tǒng)對場景的深度恢復(fù)

2、機(jī)器視覺應(yīng)用導(dǎo)航2、機(jī)器視覺應(yīng)用其他應(yīng)用智能交通監(jiān)控三維重建遙感圖像分析（植被分析、考古發(fā)掘）醫(yī)學(xué)圖像分析（骨骼定位）安全鑒別、監(jiān)視與跟蹤（門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控）國防系統(tǒng)（目標(biāo)自動識別與目標(biāo)跟蹤）文物保護(hù)（數(shù)字博物館）其他（游戲、動畫、體育、人機(jī)交互）…………機(jī)器視覺的一些基本概念1.平面視覺（PlanarVision）：被測對象處在平面內(nèi)，只對目標(biāo)在平面的信息進(jìn)行測量的視覺測量與控制。2.立體視覺（StereoVision）：對目標(biāo)在三維笛卡爾空間內(nèi)的信息進(jìn)行測量的視覺測量與控制。3.結(jié)構(gòu)光視覺（StructuredLightVision）：利用特定光源照射目標(biāo)，形成人工特性，由攝像機(jī)采集這些特征進(jìn)行測量。結(jié)構(gòu)光視覺可簡化圖像處理中的特征提取，大幅度提高圖像處理速度。4.主動視覺（ActiveVision）：對目標(biāo)主動照明或者主動改變攝像機(jī)參數(shù)的視覺系統(tǒng)。5.被動視覺（PassiveVision）：如雙目視覺。被動視覺采用自然測量，機(jī)器視覺的一些基本概念6.視覺測量（VisionMeasure/VisualMeasure）：根據(jù)攝像機(jī)獲得的視覺信息對目標(biāo)的位置和姿態(tài)進(jìn)行的測量。7.手眼系統(tǒng)（Hand-EyeSystem）：攝像機(jī)和機(jī)械手構(gòu)成的機(jī)器人視覺系統(tǒng)。.Eye-in-Hand：攝像機(jī)安裝在機(jī)械手末端并隨機(jī)械手一起運動

的視覺系統(tǒng)。

Eye-to-Hand：攝像機(jī)不安裝在機(jī)械手末端，不隨機(jī)械手運動

的視覺系統(tǒng)。8.視覺控制（VisionControl/VisualControl）：根據(jù)視覺測量獲得目標(biāo)的位置和姿態(tài)，將其作為給定或者反饋對機(jī)器人的位置和姿態(tài)進(jìn)行的控制。9.視覺伺服（VisualServo/VisualServoing）：利用視覺信息對機(jī)器人進(jìn)行的伺服控制，是視覺控制的一種。3、

機(jī)器視覺檢測系統(tǒng)的構(gòu)成1被測物體4光照系統(tǒng)2攝像機(jī)5攝像機(jī)-計算機(jī)接口3計算機(jī)6控制機(jī)構(gòu)3.1攝像機(jī)鏡頭Lens（工業(yè)）攝像機(jī)Camera聚焦光線生成圖像攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)-Sensor攝像機(jī)的作用：將通過鏡頭聚焦于像平面的光

線生產(chǎn)圖像。攝像機(jī)最重要的部件：數(shù)字傳感器CCD（charge-coupleddevice）電荷耦合元件CMOS（complementarymetal-oxidesemiconductor）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體攝像機(jī)照明接口CCD（charge-coupleddevice）電荷耦合元件也稱為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。CCD上植入的微小光敏物質(zhì)稱作像素（Pixel）。一塊CCD上包含的像素數(shù)越多，其提供的圖像分辨率也就越高。

攝像機(jī)照明接口面陣線陣3.1攝像機(jī)-Sensor

攝像機(jī)照明接口CMOS（complementarymetal-oxidesemiconductor）互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體3.1攝像機(jī)-Sensor

攝像機(jī)照明接口CCDVsCMOSCCDCMOS靈敏度

高低成本高低分辨率高低抗噪聲好一般功耗高低速度低高3.1攝像機(jī)-Sensor

攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)-CCD傳感器-尺寸CCD的尺寸，是說感光器件的面積大小。主要有2/3英寸、1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸等。面積越大，捕獲的光子越多，感光性能越好，信噪比越低。2/3英寸的300萬像素相機(jī)效果通常好于1/2英寸的400萬像素相機(jī)(后者的感光面積只有前者的53%)。而相同尺寸的CCD，像素越多，圖像質(zhì)量越好。價格越高。攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)-CCD傳感器-尺寸

攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)-鏡頭-Lens鏡頭是一種光學(xué)設(shè)備，用于聚焦光線在攝像機(jī)內(nèi)部成像。鏡頭的作用是收集光線，產(chǎn)生銳利的圖像，以得到被測物體的細(xì)節(jié)。通常由一塊或者多塊光學(xué)玻璃或塑料組成的透鏡組，基本單元為凹透鏡、凸透鏡，或其組合攝像機(jī)照明接口瞳孔視網(wǎng)膜晶狀體虹膜虹膜調(diào)節(jié)瞳孔的大小，對光線大小進(jìn)行控制。光線通過焦距20的晶狀體，在視網(wǎng)膜上成像。3.1攝像機(jī)-鏡頭Vs.人眼攝像機(jī)照明接口保證通光量Lens尺寸≥Sensor尺寸3.1攝像機(jī)-鏡頭–型號攝像機(jī)照明接口控制進(jìn)光量F2.2、F2.8、F4…..光圈F值愈小，在同一單位時間內(nèi)的進(jìn)光量便愈多由于光學(xué)原理和制造成本的限制，攝影鏡頭在全開光圈時的像質(zhì)并不是最佳的，通常在收縮光圈后，像質(zhì)有明顯的改善。每個攝影鏡頭都有一個或者多個最佳光圈，在這些最佳光圈下，畫面的質(zhì)量達(dá)到最好，分辨率高、反差均衡等。3.1攝像機(jī)-鏡頭–型號攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)-鏡頭–型號攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)-鏡頭–型號薄透鏡原理f:透鏡焦距長度F:透鏡焦點z’:攝像機(jī)常數(shù)攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)-鏡頭–焦距攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)-鏡頭–焦距攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)–幾種專業(yè)術(shù)語①分辨率Resolution:被檢測物體的最小特征尺寸⑦像素Pixel⑧像素分辨率

Pixelresolution:圖像上需要表達(dá)被測物體所需的最小像素個數(shù)②視野Fieldofview物體可被檢測到的區(qū)域，

換言之,它是物體填滿傳感器圖象的區(qū)域③工作距離Workingdistance從鏡頭前端到被檢測物體表面的距離攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)–幾種專業(yè)術(shù)語⑤景深Depthoffield:在整個聚焦范圍內(nèi)，能夠維持清楚成像對應(yīng)的最大物體的深度；也可定義為在允許聚焦的范圍內(nèi)，允許物體移動的范圍。⑥圖像Image④傳感器尺寸

Sensorsize傳感器的有效面積,典型的指標(biāo)是水平尺寸攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)–選型步驟1明確被測物體的測量精度要求，選擇適合的CCD尺寸和像素數(shù)目關(guān)注的要素：視野CCD尺寸像素分辨率基本要求：被測物體在某一方向上盡量充滿攝像機(jī)的視野攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)–選型步驟基本要求：被測物體在某一方向上盡量充滿攝像機(jī)的視野wfov是攝像機(jī)視野在X方向的尺寸，hfov是Y方向的尺寸w是物體X方向上的最小特征，h是Y方向上的最小特征則所需最小像素分辨率為攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)–選型步驟根據(jù)被測物體尺寸確定視野大小，進(jìn)而確定所需CCD的尺寸CCD上的像素數(shù)目≥最小像素分辨率數(shù)目攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)–選型步驟1明確被測物體的測量精度要求，選擇適合的CCD尺寸和像素數(shù)目2確定相機(jī)的接口類型3確定鏡頭的焦距關(guān)注的要素：工作距離CCD尺寸視野景深CorCSorF攝像機(jī)照明接口3.1攝像機(jī)–選型步驟焦距=（CCD尺寸×工作距離）/視野如果工作距離不變，可選擇定焦鏡頭如果工作距離時變，可選擇變焦鏡頭如果被測物體本身高度變化大，即需要測量的景深大，根據(jù)最大、最小距離都可清晰成像選擇焦距范圍3.2照明攝像機(jī)照明接口1光源類型2光照技術(shù)目的：使被測物體的重要特征顯現(xiàn)，抑制不重要的特征名稱成本亮度穩(wěn)定性壽命溫度熒光燈低低低一般一般鹵素?zé)舾吒咭话愕透週ED光源一般一般高高低光源類型攝像機(jī)照明接口光照技術(shù)攝像機(jī)照明接口利用有效照明使被測特征對比度最大化用環(huán)型光照皺折物體失敗用連續(xù)漫射光照皺折物體成功光照技術(shù)-反射類型攝像機(jī)照明接口鏡面反射對角直接反射光線

漫射反射所有方向漫射光線光照技術(shù)-照明的方向攝像機(jī)照明接口背光照射入射光照射光源在攝像機(jī)對面

光源在攝像機(jī)一方

光照技術(shù)-背光照射攝像機(jī)照明接口形狀測量半透明物體測量增強(qiáng)被測工件的邊緣輪廓

看到半透明物體的透光性（相對障礙物光的通過特性）觀察出物體表面的光潔度、顏色、發(fā)射光和不明顯的高度變化光照技術(shù)-背光照射的效果攝像機(jī)照明接口用環(huán)型光照的燈絲Lampfilamentwithringlight用背光光照的燈絲Lampfilamentwithbacklight光照技術(shù)-背光照射圖像比較攝像機(jī)照明接口

通過塑料連接器的金屬針Metalpinsthroughplasticconnector光照技術(shù)-背光照射圖像比較攝像機(jī)照明接口光照技術(shù)-入射光照攝像機(jī)照明接口入射光照射光源在攝像機(jī)一方

1、普通用途的光照(明場或暗場)GeneralPurpose-BrightorDarkField2、關(guān)于光軸的漫射光照（區(qū)域照射）DOAL-DiffusedOn-AxisLight

3、均勻光的漫（散）射（同軸照射）DOME入射光照-明場、暗場攝像機(jī)照明接口了解“W”反射光與光源角度相同。明場：光線反射后進(jìn)入攝像機(jī)。暗場：光線反射后未進(jìn)入攝像機(jī)。入射光照-明場、暗場攝像機(jī)照明接口對形成高對比度有益，但反光表面會生成鏡面反射

光源范圍應(yīng)在照相機(jī)透鏡視野的兩倍處漫射光被反射進(jìn)入照相機(jī)但鏡面反射光線被反射離開

光源在“W”之外

除有紋理的表面和凸高變化的表面之外，光線被反射而不進(jìn)入照相機(jī)入射光照-明場、暗場攝像機(jī)照明接口入射光照-明場、暗場攝像機(jī)照明接口攝像機(jī)照明接口入射光照-明場、暗場攝像機(jī)照明接口入射光照-明場、暗場入射光照-明場、暗場攝像機(jī)照明接口入射光照-均勻光的漫（散）射攝像機(jī)照明接口ObjectLightsource(off-axis)入射光照-均勻光的漫（散）射攝像機(jī)照明接口用區(qū)域光照的加工表面用DOME光照的加工表面入射光照-均勻光的漫（散）射攝像機(jī)照明接口入射光照-關(guān)于光軸的漫射光照攝像機(jī)照明接口光源Lightsource物體Object漫散射器Diffuser光分束器BeamSplitter入射光照-關(guān)于光軸的漫射光照攝像機(jī)照明接口CourtesyofRVSI/NER突出光潔表面與紋理表面反射光的不同EmphasizeFinish/Texture(reflection)Differences紋理表面光照入射光照-關(guān)于光軸的漫射光照攝像機(jī)照明接口缺針的連接器入射光照-關(guān)于光軸的漫射光照攝像機(jī)照明接口CourtesyofRVSI/NER金屬軸上的激光碼入射光照-關(guān)于光軸的漫射光照攝像機(jī)照明接口傾角光照突出傾角的變化90%機(jī)器視覺應(yīng)用的成功案例來自于恰當(dāng)?shù)恼彰?攝像機(jī)并不能看到物體；只能看到從物體表面反射過來的光。

如果攝像機(jī)無法看到部件和標(biāo)記，也就無法讀取和檢測。

你應(yīng)該知道：攝像機(jī)照明接口攝像機(jī)-計算機(jī)接口攝像機(jī)照明接口圖像采集卡是將模擬攝像機(jī)的圖像信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，或?qū)?shù)字?jǐn)z像機(jī)的輸出信號，通過計算機(jī)總線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)內(nèi)存或顯存，使計算機(jī)能對攝像機(jī)拍攝到的現(xiàn)場圖像進(jìn)行實時處理、存儲和顯示的硬件設(shè)備。攝像機(jī)-計算機(jī)接口攝像機(jī)照明接口模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，傳輸至內(nèi)存的圖像相機(jī)“看”到的圖像攝像機(jī)-計算機(jī)接口攝像機(jī)照明接口傳統(tǒng)數(shù)字信號（RS-422,LVDS)CameraLinkIEEE1394(Firewire)USBGigabitEthernet數(shù)字接口-LVDS攝像機(jī)照明接口優(yōu)點：高速，可靠性高，傳輸距離遠(yuǎn)，支持多相機(jī)連接。缺點：管腳定義不統(tǒng)一，兼容性差，電纜成本高。LVDS是一個低波動、差分I/O技術(shù)的高速接口。每線對最大傳輸率為655Mb/s。數(shù)字接口-CameraLink攝像機(jī)照明接口13對線（其中有6線對數(shù)據(jù)線），使得接插件的尺寸更加的小巧。允許相機(jī)設(shè)計的體積更小。更高的傳輸速率。采用ChannelLink芯片組(支持速率達(dá)2.3Gb/s)滿足對數(shù)據(jù)傳輸速率越來越高的要求。集成有串口通訊協(xié)議。數(shù)字接口-USB攝像機(jī)照明接口接口是4芯，其中2根為電源線、2根為信號線，接口體積小，可熱拔插，可真正實現(xiàn)即插即用，適合傳送多媒體數(shù)據(jù)的傳送模式，連接方便。USB2.0向下兼容USB1.1、USB1.0，數(shù)據(jù)的傳輸率可以達(dá)到120Mbps～480Mbps。傳輸距離短，0.6米。數(shù)字接口-IEEE1394攝像機(jī)照明接口兩種接口標(biāo)準(zhǔn)，一種是6針接口，另一種是4針接口。6針接口可以從端口獲得電源，以給那些無法自己供電的產(chǎn)品提供電源。1394A傳輸速率為400Mb/s，1394B可達(dá)800Mb/s。不需要控制器，可以實現(xiàn)對等傳輸，最大連線4.5米，大于4.5米可采用中繼設(shè)備。支持即插即用。它是目前唯一支持?jǐn)?shù)字?jǐn)z錄機(jī)的總線。數(shù)字接口-GigabitEthernet攝像機(jī)照明接口帶寬可達(dá)到1000Mbps，圖像可以無損失實時傳輸。最遠(yuǎn)可傳輸100米。標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連接器，電纜線成本低。帶寬易于升級，包括10M,100M,1000M等，在工業(yè)機(jī)器視覺中將被廣泛應(yīng)用。數(shù)字接口-

比較攝像機(jī)照明接口GigE1394USBCameraLink帶寬<1000Mb/s125MBytes<400Mb/s50MBytes<12Mb/sUSB1<480Mb/sUSB260MBytes<2380Mb/s(base)<7140Mb/s(full)890MBytes距離<10