機器視覺入門

　　隨著工業4.0時代的到來，機器視覺在智慧製造業領域的作用越來越重要，為了能讓更多使用者獲取機器視覺的相關基礎知識，包括機器視覺技術是如何工作的、它為什麼是實現流程自動化和品質改進的正確選擇等。

　　機器視覺是一門學科技術，廣泛應用於生產製造檢測等工業領域，用來保證產品品質，控制生產流程，感知環境等。機器視覺系統是將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的影像處理系統，根據圖元分佈和亮度、顏色等資訊，轉變成數位化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特徵，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

機器視覺優勢：機器視覺系統具有高效率、高度自動化的特點，可以實現很高的解析度精度與速度。機器視覺系統與被檢測物件無接觸，安全可靠。人工檢測與機器視覺自動檢測的主要區別有：

為了更好地理解機器視覺，下面，我們來介紹在具體應用中的幾種案例。

啤酒廠採用的填充液位元檢測系統為例來進行說明：

　　當每個啤酒瓶移動經過檢測感測器時，檢測感測器將會觸發視覺系統發出頻閃光，拍下啤酒瓶的照片。採集到啤酒瓶的圖像並將圖像保存到記憶體後，視覺軟體將會處理或分析該圖像，並根據啤酒瓶的實際填充液位發出通過-未通過回應。如果視覺系統檢測到一個啤酒瓶未填充到位，即未通過檢測，視覺系統將會向轉向器發出信號，將該啤酒瓶從生產線上剔除。操作員可以在顯示幕上查看被剔除的啤酒瓶和持續的流程統計資料。

機器人視覺引導玩偶定位應用：

　　現場有兩個振動盤，振動盤1作用是把玩偶振動到振動盤2中，振動盤2作用是把玩偶從反面振動為正面。該應用採用了視覺定位系統，該系統通過判斷玩偶正反面，把玩偶處於正面的座標值通過串口發送給機器人，機器人收到座標後運動抓取產品，當振動盤中有很多玩偶處於反面時，視覺定位系統需判斷反面玩偶數量，當反面玩偶數量過多時，視覺系統發送指令給振動盤2把反面玩偶振成正面。

　　該定位系統通過玩偶表面的小孔來判斷玩偶是否處於正面，計算出玩偶中心點座標，發送給機器人。通過視覺定位系統實現自動上料，大大減少人工成本，大幅提高生產效率。

視覺檢測在電子元件的應用：

此產品為電子產品的按鈕部件，產品來料為料帶模式，料帶上面為雙排產品。通過對每個元器件定位後，使用斑點工具檢測產品固定區域的灰度值，來判斷此區域有無缺膠情況。

機器視覺的應用領域:

機器視覺系統的分類

智能相機
基於嵌入式
基於PC

機器視覺系統的組成

圖像獲取：光源、鏡頭、相機、採集卡、機械平臺
影像處理與分析：工控主機、影像處理分析軟體、圖形交互介面。
判決執行：電傳單元、機械單元

光源---光路原理

照相機並不能看見物體，而是看見從物體表面反射過來的光。

鏡面反射：平滑表面以對頂角反射光線

漫射反射：粗糙表面會從各個方向漫射光線

發散反射：多數表面既有紋理，又有平滑表面，會對光線進行發散反射

光源---作用和要求

在機器視覺中照亮目標，提高亮度，形成有利於影像處理的效果，克服環境光照影響，保證圖像穩定性，用作測量的工具或參照，良好的光場設計要求，對比度明顯，目標與背景的邊界清晰，背景儘量淡化而且均勻，不干擾影像處理與顏色有關的還需要顏色真實，亮度適中，不過曝或欠曝；

光源---光場構造

明場：光線反射進入照相機

暗場：光線反射離開照相機

光源---構造光源

使用不同照明技術對被測目標會產生不同的影響，以滾珠軸承為例：

相機

種類：線&面、隔/阻、黑/彩、數/模、低/高、CCD/CMOS

指標：像元尺寸、解析度、靶面大小、感應曲線、動態範圍、靈敏度、速度雜訊、填充因數、體積、品質、工作環境等

工作模式：Free run、Trigger（多種）、長時間曝光等

傳輸方式：GIGE，Cameralinker,模擬

相機--按照圖像感測器區分

CCD相機：使用CCD感光晶片為圖像感測器的相機,集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取於一體，是典型的固體成像器件。

CMOS相機：使用CMOS感光晶片為圖像感測器的相機 ,將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊晶片上，還具有局部圖元的程式設計隨機訪問的優點。

相機--按照輸出圖像顏色區分：

單色相機：輸出圖像為單色圖像的相機。

彩色相機：輸出圖像為彩色圖像的相機。

相機--按輸出信號區分

類比信號相機：從感測器中傳出的信號，被轉換成類比電壓信號，即普通視訊訊號後再傳到圖像採集卡中。

數位信號相機：信號自感測器中的圖元輸出後，在相機內部直接數位化並輸出。數位相機又包含1394相機、USB相機、Gige相機、CameraLink相機等

相機--按照感測器類型區分

面掃描相機：感測器上圖元呈面狀分佈的相機，其所成圖像為二維“面”圖像。

線掃描相機：感測器上呈線狀（一行或三行）分佈的相機，其所成圖像為一維“線”圖像。

相機--CMOS VS CCD

相機--感測器的尺寸

圖像感測器感光區域的面積大小。這個尺寸直接決定了整個系統的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數模擬相機的感測器的長寬比例是4：3 (H：V)，數位相機的長寬比例則包括多種：1：1，4：3，3：2 等。

相機--圖元

是成像於相機晶片的圖像的最小組成單位。以200萬圖元的相機為例，滿屏有1600*1200個圖元,成像於1/1.8英寸大小的CCD晶片。

相機--解析度

由相機所採用的晶片解析度決定，是晶片靶面排列的像元數量。通常面陣相機的解析度用水平和垂直解析度兩個數字表示，如：1920（H）x 1080(V)，前面的數字表示每行的像元數量，即共有1920個像元，後面的數字表示像元的行數，即1080行。

相機--幀率和行頻

由相機的幀率/行頻表示相機採集圖像的頻率，通常面陣相機用幀率表示，單位fps（Frame Per second），如30fps,表示相機在1秒鐘內最多能採集30幀圖像；線性相機通常用行頻表示，單位KHz,如12KHz表示相機在1秒鐘內最多能採集12000行圖像資料。

相機--快門速度（Shutter Speed）

CCD/CMOS相機多數採用電子快門，通過電信號脈衝的寬度來控制感測器的光積分（曝光）時間。對於一般性能的的相機快門速度可以達到1/10000-1/100000秒。

捲簾快門（Rolling Shutter）：多數CMOS圖像感測器上使用的快門，其特徵是逐行曝光，每一行的曝光時間不一致。

全域快門（Global Shutter）：CCD感測器和極少數CMOS感測器採用的快門，感測器上所有圖元同時刻曝光。

相機--智能相機

智慧工業相機是一種高度集成化的微小型機器視覺系統。它將圖像的採集、處理與通信功能集成于單一相機內，從而提供了具有多功能、模組化、高可靠性、易於實現的機器視覺解決方案。智慧工業相機一般由圖像採集單元、影像處理單元、影像處理軟體、網路通信裝置等構成。由於應用了最新的 DSP、FPGA及大型存放區技術，其智慧化程度不斷提高，可滿足多種機器視覺的應用需求。

鏡頭---主要參數

工業的鏡頭大都是多組鏡片組合在一起的。計算時會忽略厚度對透鏡的影響將其等效成沒有厚度的薄透鏡模型，即理想凸透鏡。

參數：焦距/視場/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍數/畸變/介面

解析度：對色彩和紋理的分辨能力。

畸變：鏡頭中心區域和四周區域的放大倍數不相同。

畸變的校正一般用黑白分明的方格圖像來進行，過程並不複雜。一般如果畸變小於2%，人眼觀察不到；若畸變小於CCD的一個圖元，攝像機也看不見。

鏡頭---分類

鏡頭---遠心鏡頭

在測量系統中，物距常發生變化，從而使像高發生變化，所以測得的物體尺寸也發生變化，即產生了測量誤差；即使物距是固定的，也會因為CCD敏感表面不易精確調整在像平面上，同樣也會產生測量誤差。採用遠心物鏡中的像方遠心物鏡可以消除物距變化帶來的測量誤差，而物方遠心物鏡則可以消除CCD位置不准帶來的測量誤差。