機(jī)器視覺(jué)入門(mén)知識(shí)詳解
機(jī)器視覺(jué)是一門(mén)學(xué)科技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造檢測(cè)等工業(yè)領(lǐng)域，用來(lái)保證產(chǎn)品質(zhì)量，控制生產(chǎn)流程，感知環(huán)境等。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)是將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。
機(jī)器視覺(jué)優(yōu)勢(shì)：機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)具有高效率、高度自動(dòng)化的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)很高的分辨率精度與速度。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)與被檢測(cè)對(duì)象無(wú)接觸，安全可靠。人工檢測(cè)與機(jī)器視覺(jué)自動(dòng)檢測(cè)的主要區(qū)別有：
為了更好地理解機(jī)器視覺(jué)，下面，我們來(lái)介紹在具體應(yīng)用中的幾種案例。
啤酒廠采用的填充液位檢測(cè)系統(tǒng)為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明：
當(dāng)每個(gè)啤酒瓶移動(dòng)經(jīng)過(guò)檢測(cè)傳感器時(shí)，檢測(cè)傳感器將會(huì)觸發(fā)視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)出頻閃光，拍下啤酒瓶的照片。采集到啤酒瓶的圖像并將圖像保存到內(nèi)存后，視覺(jué)軟件將會(huì)處理或分析該圖像，并根據(jù)啤酒瓶的實(shí)際填充液位發(fā)出通過(guò)-未通過(guò)響應(yīng)。如果視覺(jué)系統(tǒng)檢測(cè)到一個(gè)啤酒瓶未填充到位，即未通過(guò)檢測(cè)，視覺(jué)系統(tǒng)將會(huì)向轉(zhuǎn)向器發(fā)出信號(hào)，將該啤酒瓶從生產(chǎn)線上剔除。操作員可以在顯示屏上查看被剔除的啤酒瓶和持續(xù)的流程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用領(lǐng)域:
?識(shí)別
標(biāo)準(zhǔn)一維碼、二維碼的解碼
光學(xué)字符識(shí)別（OCR）和確認(rèn)（OCV）
?檢測(cè)
色彩和瑕疵檢測(cè)
零件或部件的有無(wú)檢測(cè)
目標(biāo)位置和方向檢測(cè)?測(cè)量
尺寸和容量檢測(cè)
預(yù)設(shè)標(biāo)記的測(cè)量，如孔位到孔位的距離
?機(jī)械手引導(dǎo)
輸出空間坐標(biāo)引導(dǎo)機(jī)械手精確定位
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的分類
?智能相機(jī)
?基于嵌入式
?基于PC
機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的組成
?圖像獲取：光源、鏡頭、相機(jī)、采集卡、機(jī)械平臺(tái)
?圖像處理與分析：工控主機(jī)、圖像處理分析軟件、圖形交互界面。
?判決執(zhí)行：電傳單元、機(jī)械單元
光源---光路原理
照相機(jī)并不能看見(jiàn)物體，而是看見(jiàn)從物體表面反射過(guò)來(lái)的光。
鏡面反射：平滑表面以對(duì)頂角反射光線
漫射反射：粗糙表面會(huì)從各個(gè)方向漫射光線
發(fā)散反射：多數(shù)表面既有紋理，又有平滑表面，會(huì)對(duì)光線進(jìn)行發(fā)散反射
?光源---作用和要求
在機(jī)器視覺(jué)中的作用
照亮目標(biāo)，提高亮度
形成有利于圖像處理的效果
克服環(huán)境光照影響，保證圖像穩(wěn)定性
用作測(cè)量的工具或參照
良好的光場(chǎng)設(shè)計(jì)要求
對(duì)比度明顯，目標(biāo)與背景的邊界清晰
背景盡量淡化而且均勻，不干擾圖像處理
與顏色有關(guān)的還需要顏色真實(shí)，亮度適中，不過(guò)曝或欠曝；
?光源---光場(chǎng)構(gòu)造
明場(chǎng)： 光線反射進(jìn)入照相機(jī)
暗場(chǎng)：光線反射離開(kāi)照相機(jī)
?光源---構(gòu)造光源
使用不同照明技術(shù)對(duì)被測(cè)目標(biāo)會(huì)產(chǎn)生不同的影響，以滾珠軸承為例：
?相機(jī)
種類：線&面、隔/逐、黑/彩、數(shù)/模、低/高、CCD/CMOS
指標(biāo)：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感應(yīng)曲線、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、速度噪聲、填充因子、體積、質(zhì)量、工作環(huán)境等
工作模式：Free run、Trigger（多種）、長(zhǎng)時(shí)間曝光等
傳輸方式：GIGE，Cameralinker,模擬
?相機(jī)--按照?qǐng)D像傳感器區(qū)分
CCD相機(jī)：使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機(jī),集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件。
CMOS相機(jī)：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機(jī) ,將光敏元陣列、圖像信號(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機(jī)訪問(wèn)的優(yōu)點(diǎn)。
?相機(jī)--按照輸出圖像顏色區(qū)分：
單色相機(jī)：輸出圖像為單色圖像的相機(jī)。
彩色相機(jī)：輸出圖像為彩色圖像的相機(jī)。
?相機(jī)--按輸出信號(hào)區(qū)分
模擬信號(hào)相機(jī)：從傳感器中傳出的信號(hào)，被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)，即普通視頻信號(hào)后再傳
到圖像采集卡中。
數(shù)字信號(hào)相機(jī)：信號(hào)自傳感器中的像素輸出后，在相機(jī)內(nèi)部直接數(shù)字化并輸出。數(shù)字相機(jī)
又包含1394相機(jī)、USB相機(jī)、Gige相機(jī)、CameraLink相機(jī)等
?相機(jī)--按照傳感器類型區(qū)分
面掃描相機(jī)：傳感器上像素呈面狀分布的相機(jī)，其所成圖像為二維“面”圖像。
線掃描相機(jī)：傳感器上呈線狀（一行或三行）分布的相機(jī)，其所成圖像為一維“線”圖像。
?相機(jī)--CMOS VS CCD
CCD | CMOS |
串行處理 | 并行處理 |
光線靈敏度高，圖像對(duì)比度高 | 光線靈敏度低，圖像對(duì)比度低，高動(dòng)態(tài)范圍 |
低噪聲 | 存在固定模式噪音 |
集成度較低 | 高集成度，芯片上集成了很多功能 |
取圖速度慢，幀率低 | 取圖速度塊，幀率高 |
功耗一般 | 功耗較低 |
成本較高 | 成本低 |
?相機(jī)--傳感器的尺寸
圖像傳感器感光區(qū)域的面積大小。這個(gè)尺寸直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。絕大多數(shù)模擬相機(jī)的傳感器的長(zhǎng)寬比例是4：3 (H：V)，數(shù)字相機(jī)的長(zhǎng)寬比例則包括多種：1：1，4：3，3：2 等。
?相機(jī)--像素
是成像于相機(jī)芯片的圖像的最小組成單位。以200萬(wàn)像素的相機(jī)為例，滿屏有1600*1200個(gè)像素,成像于1/1.8英寸大小的CCD芯片。
?相機(jī)--分辨率
由相機(jī)所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量。通常面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)數(shù)字表示，如：1920（H）x 1080(V)，前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有1920個(gè)像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即1080行。
?相機(jī)--幀率和行頻
由相機(jī)的幀率/行頻表示相機(jī)采集圖像的頻率，通常面陣相機(jī)用幀率表示，單位fps（Frame Per second），如30fps,表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集30幀圖像；線性相機(jī)通常用行頻表示，單位KHz,如12KHz表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集12000行圖像數(shù)據(jù)。
?相機(jī)--快門(mén)速度（Shutter Speed）
CCD/CMOS相機(jī)多數(shù)采用電子快門(mén)，通過(guò)電信號(hào)脈沖的寬度來(lái)控制傳感器的光積分（曝光）時(shí)間。對(duì)于一般性能的的相機(jī)快門(mén)速度可以達(dá)到1/10000-1/100000秒。
卷簾快門(mén)（Rolling Shutter）：多數(shù)CMOS圖像傳感器上使用的快門(mén)，其特征是逐行曝光，每一行的曝光時(shí)間不一致。
全局快門(mén)（Global Shutter）：CCD傳感器和極少數(shù)CMOS傳感器采用的快門(mén)，傳感器上所有像素同時(shí)刻曝光。
?相機(jī)--智能相機(jī)
智能工業(yè)相機(jī)是一種高度集成化的微小型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)。它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺(jué)解決方案。智能工業(yè)相機(jī)一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網(wǎng)絡(luò)通信裝置等構(gòu)成。由于應(yīng)用了最新的 DSP、FPGA及大容量存儲(chǔ)技術(shù)，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機(jī)器視覺(jué)的應(yīng)用需求。
?鏡頭---主要參數(shù)
工業(yè)的鏡頭大都是多組鏡片組合在一起的。計(jì)算時(shí)會(huì)忽略厚度對(duì)透鏡的影響將其等效成沒(méi)有厚度的播透鏡模型，即理想凸透鏡。
參數(shù)：焦距/視場(chǎng)/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍數(shù)/畸變/接口
分辨率：對(duì)色彩和紋理的分辨能力。
畸變：鏡頭中心區(qū)域和四周區(qū)域的放大倍數(shù)不相同。
畸變的校正一般用黑白分明的方格圖像來(lái)進(jìn)行，過(guò)程并不復(fù)雜。一般如果畸變小于2%，人眼觀察不到；若畸變小于CCD的一個(gè)像素，攝像機(jī)也看不見(jiàn)。
?鏡頭---分類
CCTV鏡頭
專業(yè)攝影鏡頭
遠(yuǎn)心鏡頭
?鏡頭---遠(yuǎn)心鏡頭
在測(cè)量系統(tǒng)中，物距常發(fā)生變化，從而使像高發(fā)生變化，所以測(cè)得的物體尺寸也發(fā)生變化，即產(chǎn)生了測(cè)量誤差；即使物距是固定的，也會(huì)因?yàn)镃CD敏感表面不易精確調(diào)整在像平面上，同樣也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。采用遠(yuǎn)心物鏡中的像方遠(yuǎn)心物鏡可以消除物距變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，而物方遠(yuǎn)心物鏡則可以消除CCD位置不準(zhǔn)帶來(lái)的測(cè)量誤差。
