工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)組成及介紹

ByBradLucas 2016.4.9工業(yè)機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)組成及介紹視覺(jué)系統(tǒng)0.機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)組成架構(gòu)1.工業(yè)攝像機(jī)2.鏡頭3.照明光源4.圖像采集/處理卡模擬相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)數(shù)字相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)0.機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)組成架構(gòu)1.相機(jī)的概念2.相機(jī)的分類(lèi)（1）芯片類(lèi)型（2）傳感器結(jié)構(gòu)特性（3）掃描方式（4）分辨率大?。?）輸出信號(hào)方式（6）輸出色彩（7）輸出信號(hào)速度（8）響應(yīng)頻率范圍（9）深度的計(jì)算方式一.工業(yè)相機(jī)篇3.相機(jī)的主要參數(shù)4.工業(yè)相機(jī)與普通相機(jī)的區(qū)別5.工業(yè)相機(jī)選型的依據(jù)（1）應(yīng)用的不同（2）分辨率的選擇（3）與鏡頭的匹配（4）相機(jī)幀數(shù)選擇6.幾種攝像機(jī)的參數(shù)實(shí)例工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)?；叶戎档漠a(chǎn)生：1.相機(jī)的概念N個(gè)電子落在傳感器的區(qū)域內(nèi)電子-空穴對(duì)形成電荷然后轉(zhuǎn)換為電壓電壓經(jīng)過(guò)放大并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)字化產(chǎn)生灰度值y（1）芯片類(lèi)型CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)(CCD圖像傳感器提供較好的質(zhì)量，而CMOS圖像傳感器按電池壽命和低成本來(lái)說(shuō)能提供更好的性能)（2）傳感器結(jié)構(gòu)特性線陣相機(jī)、面陣相機(jī)（3）掃描方式隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)2.相機(jī)的分類(lèi)（4）分辨率大小普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)（5）輸出信號(hào)方式模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)（6）輸出色彩單色相機(jī)、彩色相機(jī)（7）輸出信號(hào)速度普通速度相機(jī)、高速相機(jī)（8）響應(yīng)頻率范圍可見(jiàn)光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等（9）深度的計(jì)算方式單目RGB攝像機(jī)、雙目攝像機(jī)、RGBD攝像機(jī)1.分辨率（Resolution）：相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)（Pixels），對(duì)于數(shù)字相機(jī)一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對(duì)應(yīng)的，對(duì)于模擬相機(jī)機(jī)則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480，模擬相機(jī)已經(jīng)逐步被數(shù)字相機(jī)代替，且分辨率已經(jīng)達(dá)到6576*4384。2.

像素深度（PixelDepth）：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit、14Bit等。3.最大幀率（FrameRate）/行頻（LineRate）：相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對(duì)于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec.），對(duì)于線陣相機(jī)為每秒采集的行數(shù)（Lines/Sec.）。4.曝光方式（Exposure）和快門(mén)速度（Shutter）：對(duì)于線陣相機(jī)都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時(shí)間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間；面陣相機(jī)有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見(jiàn)方式，數(shù)字相機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能?？扉T(mén)速度一般可到10微秒，高速相機(jī)還可以更快。3.相機(jī)的主要參數(shù)5.像元尺寸（PixelSize）：像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機(jī)靶面的大小。數(shù)字相機(jī)像元尺寸為3μm~10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。6.靶面尺寸：也就是圖像傳感器感光部分的大小。一般用英寸來(lái)表示，和電視機(jī)一樣，通常這個(gè)數(shù)據(jù)指的是這個(gè)圖像傳感器的對(duì)角線長(zhǎng)度，如常見(jiàn)的有1/3英寸，靶面越大，意味著通光量越好，而靶面越小則比較容易獲得更大的景深。比如1/2英寸可以有比較大的通光量，而1/4英寸可以比較容易獲得較大的景深。7.

光譜響應(yīng)特性（SpectralRange）：是指該像元傳感器對(duì)不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm，一些相機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對(duì)紅外感光時(shí)可去掉該濾鏡。8.接口類(lèi)型：數(shù)字相機(jī)有CameraLink接口，以太網(wǎng)接口，1394接口、USB接口輸出，目前最新的接口有CoaXPress接口。9.觸發(fā)方式（對(duì)于同步非常重要?。河灿|發(fā)（控制高低電平來(lái)進(jìn)行快門(mén)曝光的控制），軟觸發(fā)（通過(guò)軟件主動(dòng)查詢信號(hào)或儀器當(dāng)前狀態(tài)，符合條件則控制系統(tǒng)采集信號(hào)，精度不如硬觸發(fā)）。CCD&CMOS靶面越大，則對(duì)應(yīng)的視野角越大。CCD&CMOS靶面大小1.工業(yè)相機(jī)的性能穩(wěn)定可靠易于安裝，相機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)實(shí)不易損壞，連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，可在較差的環(huán)境下使用，一般的數(shù)碼相機(jī)是做不到這些的。2.工業(yè)相機(jī)輸出的是裸數(shù)據(jù)(rawdata)，其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進(jìn)行高質(zhì)量的圖像處理算法，例如機(jī)器視覺(jué)(MachineVision)應(yīng)用。而普通相機(jī)拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺(jué)，并且經(jīng)過(guò)了mjpeg壓縮，圖像質(zhì)量較差，不利于分析處理。3.工業(yè)相機(jī)(IndustrialCamera)相對(duì)普通相機(jī)(DSC)來(lái)說(shuō)價(jià)格較貴。4.工業(yè)相機(jī)與普通相機(jī)的區(qū)別（1）應(yīng)用的不同用在視覺(jué)自動(dòng)檢查的方案或行業(yè)中一般用CCD工業(yè)相機(jī)比較多。

CMOS工業(yè)相機(jī)由成本低，功耗低也應(yīng)用越來(lái)越廣泛。（2）分辨率的選擇首先考慮待觀察或待測(cè)量物體的精度，根據(jù)精度選擇分辨率。5.工業(yè)相機(jī)選型的依據(jù)（3）與鏡頭的匹配傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉(zhuǎn)接口）。鏡頭和攝像機(jī)之間的接口有許多不同的類(lèi)型，工業(yè)攝像機(jī)常用的包括C接口、CS接口、F接口、V接口、T2接口、徠卡接口、M42接口、M50接口等。接口類(lèi)型的不同和鏡頭性能及質(zhì)量并無(wú)直接關(guān)系，只是接口方式的不同，一般可以也找到各種常用接口之間的轉(zhuǎn)接口。C接口和CS接口是工業(yè)攝像機(jī)最常見(jiàn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接口，為1英寸－32UN英制螺紋連接口，C型接口和CS型接口的螺紋連接是一樣的，區(qū)別在于C型接口的后截距為17.5mm，CS型接口的后截距為12.5mm。所以CS型接口的攝像機(jī)可以和C口及CS口的鏡頭連接使用，只是使用CS口鏡頭時(shí)需要加一個(gè)5mm的接圈；C型接口的攝像機(jī)不能用CS口的鏡頭。F接口鏡頭是尼康鏡頭的接口標(biāo)準(zhǔn)，所以又稱尼康口，也是工業(yè)攝像機(jī)中常用的類(lèi)型，一般攝像機(jī)靶面大于1英寸時(shí)需用F口的鏡頭。V接口鏡頭是著名的專業(yè)鏡頭品牌施奈德鏡頭所主要使用的標(biāo)準(zhǔn)，一般也用于攝像機(jī)靶面較大或特殊用途的鏡頭。（4）相機(jī)幀數(shù)選擇當(dāng)被測(cè)物體有運(yùn)動(dòng)要求時(shí)，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機(jī)。但一般來(lái)說(shuō)分辨率越高，幀數(shù)越低。有效像素?cái)?shù)是指：真正參與感光成像的像素值。模擬相機(jī)USB攝像機(jī)1.電子卷簾快門(mén)(electronicrollingshutter)。2.全局快門(mén)(globalshutter/snapshotshutter)GIGE千兆網(wǎng)相機(jī)RGBD攝像機(jī)1.鏡頭的定義2.鏡頭的分類(lèi)3.鏡頭參數(shù)4.像差二.工業(yè)鏡頭篇光學(xué)鏡頭是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中必不可少的部件，直接影響成像質(zhì)量的優(yōu)劣，影響算法的實(shí)現(xiàn)和效果。1.鏡頭2.鏡頭的分類(lèi)按外形功能分按尺寸大小分按光圈分按變焦類(lèi)型分按焦距長(zhǎng)矩分球面鏡頭1”25mm自動(dòng)光圈電動(dòng)變焦長(zhǎng)焦距鏡頭非球面鏡頭1/2”13mm手動(dòng)光圈手動(dòng)變焦標(biāo)準(zhǔn)鏡頭針孔鏡頭1/3”8.5mm固定光圈固定焦距廣角鏡頭魚(yú)眼鏡頭2/3”17mm微距鏡頭（1）鏡頭的成像尺寸：不得小于CCD（CMOS）的靶面尺寸。（2）鏡頭的分辨率：以每毫米能夠分辨的黑白條紋數(shù)為計(jì)量單位。（3）鏡頭焦距與視野角度：首先根據(jù)攝像頭到被監(jiān)控目標(biāo)的距離，選擇鏡頭的焦距，鏡頭焦距f

確定后，則由攝像頭靶面決定了視野。（4）光圈F值=鏡頭的焦距/鏡頭光圈的直徑光圈的作用在于決定鏡頭的進(jìn)光量，F(xiàn)后面的數(shù)值越小，光圈越大，而進(jìn)光量也就越多；反之，則越小。簡(jiǎn)單的說(shuō)，在快門(mén)速度（曝光速度）不變的情況下，光圈F數(shù)值越小光圈就越大，進(jìn)光量越多，畫(huà)面比較亮；光圈F數(shù)值越大光圈就越小，畫(huà)面比較暗。3.鏡頭參數(shù)4.像差1.定義2.光源參數(shù)3.光源分類(lèi)4.光源與被測(cè)物間的相互作用5.如何利用光源三.工業(yè)光源篇物理學(xué)上光源：指能發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的電磁波（包括可見(jiàn)光與紫外線、紅外線、X射線等不可見(jiàn)光）的物體。通常指能發(fā)出可見(jiàn)光的發(fā)光體。凡物體本身能發(fā)光者，稱做光源，又稱發(fā)光體。1.光源1.色溫：色溫是描述光源色譜特性的簡(jiǎn)單方法。低色溫意味暖光（偏黃紅），而高色溫意味冷光（偏藍(lán)）。色溫的標(biāo)準(zhǔn)單位為Kelvin,簡(jiǎn)稱k。2.白平衡：白平衡是一種讓數(shù)字相機(jī)適應(yīng)場(chǎng)景主體光色溫的一種技術(shù)。白平衡通過(guò)調(diào)整感光器的輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此說(shuō)到底，調(diào)整白平衡就是調(diào)整色溫。3.光通量：光源每秒種發(fā)出的可見(jiàn)光量之和，簡(jiǎn)單說(shuō)就是發(fā)光量。單位：流明（lm）4.照度：?jiǎn)挝幻娣e內(nèi)入射的光通量，也就是光通量除以面積所得到的值。單位：勒克司（lux）。2.光源參數(shù)按發(fā)光形式：1.熱輻射光源。電流流經(jīng)導(dǎo)電物體，使之在高溫下輻射光能的光源。包括白熾燈和鹵鎢燈兩種。2.氣體放電光源。電流流經(jīng)氣體或金屬蒸氣，使之產(chǎn)生氣體放電而發(fā)光的光源。氣體放電有弧光放電和輝光放電兩種，放電電壓有低氣壓、高氣壓和超高氣壓3種?；」夥烹姽庠窗ǎ簾晒鉄?、低壓鈉燈等低氣壓氣體放電燈，高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高強(qiáng)度氣體放電燈，超高壓汞燈等超高壓氣體放電燈，以及碳弧燈、氙燈、某些光譜光源等放電氣壓跨度較大的氣體放電燈。輝光放電光源包括利用負(fù)輝區(qū)輝光放電的輝光指示光源和利用正柱區(qū)輝光放電的霓虹燈，二者均為低氣壓放電燈；此外還包括某些光譜光源。3.電致發(fā)光光源。在電場(chǎng)作用下，使固體物質(zhì)發(fā)光的光源。它將電能直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。包括?chǎng)致發(fā)光光源和發(fā)光二極管兩種。3.光源分類(lèi)（簡(jiǎn)單說(shuō)）1.鏡面反射2.漫反射3.定向投射4.漫投射5.背反射6.吸收實(shí)際的物體要比上述簡(jiǎn)單模型復(fù)雜得多。因此，為實(shí)物找一個(gè)合適的光源常常需要大量的實(shí)驗(yàn)。4.光源與被測(cè)物間的相互作用1.利用照明的光譜（1）如果綠色背景上面的紅色被測(cè)物需要增強(qiáng)，我們就可以使用紅色照明，這時(shí)紅色物體會(huì)更加明亮，同時(shí)綠色物體會(huì)變得暗淡。（2）CCD和CMOS傳感器對(duì)于紅外光比較敏感（常常需要加上紅外截止濾光片來(lái)避免圖像過(guò)亮以及圖像顏色變化）。4.如何利用光源2.利用照明的方向性1.圖像采集卡，其功能是將圖像信號(hào)采集到電腦中，以數(shù)據(jù)文件的形式保存在硬盤(pán)上。4.圖像采集/處理卡2.圖像采集卡原理（1）視野(FOV)或現(xiàn)場(chǎng)是相機(jī)及光學(xué)系統(tǒng)“看”到的真實(shí)世界的具體部分。（2）CCD芯片將光能轉(zhuǎn)化為電能。（3）相機(jī)將此信息以模擬信號(hào)的格式輸出至圖像采集卡。（4）AD–轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成8位（或多位）的數(shù)字信號(hào)。每個(gè)象素獨(dú)立地把光強(qiáng)以灰度值(Graylevel)的形式表達(dá)。（5）這些光強(qiáng)值從CCD芯片的矩陣中被存儲(chǔ)在內(nèi)存的矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。3.圖像采集卡參數(shù)(1)圖像傳輸格式格式是視頻編輯最重要的一種參數(shù)，圖像采集卡需要支持系統(tǒng)中攝像機(jī)所采用的輸出信號(hào)格式。大多數(shù)攝像機(jī)采用RS422或EIA644(LVDS)作為輸出信號(hào)格式。在數(shù)字相機(jī)中，IEEE1394，USB2.0和CameraLink幾種圖像傳輸形式則得到了廣泛應(yīng)用。(2)圖像格式(像素格式)黑白圖像：通常情況下，圖像灰度等級(jí)可分為256級(jí)，即以8位表示。在對(duì)圖像灰度有更精確要求時(shí)，可用10位，12位等來(lái)表示。彩色圖像：彩色圖像可由RGB(YUV)3種色彩組合而成，根據(jù)其亮度級(jí)別的不同有8-8-8，10-10-10等格式。(3)

傳輸通道數(shù)當(dāng)攝像機(jī)以較高速率拍攝高分辨率圖像時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高的輸出速率，這一般需要多路信號(hào)同時(shí)輸出，圖像采集卡應(yīng)能支持多路輸入。一般情況下，有1路，2路，4路，8路輸入等。隨出現(xiàn)著科技的不斷發(fā)展和行業(yè)的不斷需求，路數(shù)更多的采集卡也出現(xiàn)在市面上。(4)分辨率采集卡能支持的最大點(diǎn)陣反映了其分辨率的性能。一般采集卡能支持768*576點(diǎn)陣，而性能優(yōu)異的采集卡其支持的最大點(diǎn)陣可達(dá)64K*64K。單行最大點(diǎn)數(shù)和單幀最大行數(shù)也可反映采集卡的分辨率性能。同三維推出的采集卡能達(dá)到1920x1080分辨率。(5)采樣頻率采樣頻率反映了采集卡處理圖像的速度和能力。在進(jìn)行高度圖像采集時(shí)，需要注意采集卡的采樣頻率是否滿足要求。高檔的采集卡其采樣頻率可達(dá)65MHZ。(6)傳輸速率主流圖像采集卡與主板間都采用PCI