机器视觉学习总结

一、视觉行业引入机器视觉是传感器技术的一个重要分支其核心在于利用机器系统替代人眼和大脑进行测量与判断实现非接触式的自动化检测。从技术本质上讲机器视觉通过光 学装置和非接触传感器接收和处理真实物体的图像从而获取所需信息或控制机器运动。应用分类机器视觉检测在工业应用中主要分为四大类1.识别包括字符识别、条码识别、二维码识别、颜色识别等2.测量尺寸测量、角度测量、弧度测量等精密测量应用3.定位确定目标物体的位置和方向常用于机器人引导4.检测表面缺陷检测、装配完整性检测、污染物检测等系统特点机器视觉系统具有以下基本特点快速性毫秒级的处理速度远超人工检测高效性可同时进行多项目标检测与分析客观性排除人为因素干扰评价标准一致信息量大可获取并处理大量视觉数据对比人工优势效率检测速度是人工的510倍以上精度可达微米级检测精度远超人类视觉极限稳定性24小时连续工作而不产生疲劳误差成本长期使用大幅降低人力成本环境适应性可在高温、有毒、强光等恶劣环境下工作工作时间支持7×24小时不间断工作检测范围可检测人眼不可见的光谱范围紫外、红外系统组成机器视觉系统的基本工作流程目标物体 → 图像采集 → 数字信号转换 → 图像处理 → 判别和控制系统主要包括两大部分1.成像系统硬件部分包括光源、镜头、相机等图像采集设备2.图像处理系统视觉控制系统包括图像处理软件、算法和控制系统二、光源系统光源基础光源是指自身能够发光的物体在机器视觉中起到照亮目标、增强对比度、消除反射等关键作用。光源分类按来源分自然光源太阳光、生物光等人造光源LED、卤素灯、氙气灯等按传播方向分点光源光线从单一点向各个方向发射平行光源光线保持平行传播如激光光源常见视觉光源类型1.LED灯寿命长、稳定性好、响应快最常用2.卤素灯亮度高、成本低但发热量大、寿命短3.氙气灯亮度极高适合高速拍摄但成本高4.荧光灯光线柔和均匀但响应速度慢常用光源结构类型环光源提供均匀照明减少阴影点光源用于局部高亮度照明条形光源适合长形工件检测碗光源提供漫反射照明减少反光开孔背光源用于轮廓检测和尺寸测量同轴光源消除反光用于光滑表面检测背光源产生高对比度轮廓图像光源选型颜色选择机器视觉常用光源颜色及其特性红色620750nm通用性强适用于大多数应用绿色495570nm对表面细节敏感度高白色全光谱彩色成像必需蓝色450495nm短波长提高分辨率UV紫外线10400nm用于荧光材料检测、微小缺陷检测IR红外线750nm1mm穿透性强用于特殊材料检测波长特性波长与穿透性波长越长穿透性越强如红外光可穿透某些塑料和涂层波长与扩散率波长越短扩散率越高如紫外光容易产生散射色彩原理应用互补色原理选择与检测物体颜色相对的颜色光源可增强对比度。例如检测红色物体使用绿色光源在黑白相机中会呈现深色效果相邻色原理使用与检测物体相同或相近颜色的光源可过滤背景干扰。例如检测绿色物体使用绿色光源在黑白相机中会呈现明亮效果打光技术高角度打光特点光线方向与检测面相对垂直角度45°效果突出表面纹理和凹陷特征常用光源高角度环形光源、条形光源、同轴光源、开孔背光源等应用字符识别、表面划伤检测等低角度打光特点光线方向与检测面相对接近平行角度45°效果突出边缘和凸起特征常用光源低角度环形光源、条形光源、线性条形光等应用边缘检测、焊点检测、平面度检测等特殊打光方式透射打光光线从物体背面透过产生高对比度轮廓背部打光物体置于光源前方形成清晰 silhouette漫射打光通过漫射板产生均匀柔和的光线减少镜面反射偏振光使用偏振片消除镜面反射增强表面细节三、工业相机工业相机是机器视觉系统的核心组件其本质功能是将光信号转换为电信号数字图像。相机分类按芯片类型CCD电荷耦合元件相机优点噪声低、动态范围大、一致性高缺点功耗大、成本高、读取速度慢适用高精度测量、低光照环境CMOS互补金属氧化物半导体相机优点集成度高、功耗低、成本低、读取速度快缺点噪声较大、动态范围较小适用高速应用、成本敏感场合按色彩区分单色黑白相机灵敏度高、分辨率高、处理简单适用于测量、检测等大多数应用彩色相机可获取颜色信息适用于需要颜色区分的选择、识别等应用按输出信号分模拟信号相机成本低、传输距离远但抗干扰能力差、图像质量较低数字信号相机抗干扰强、图像质量高是现代主流选择按取图类型分面扫描相机一次获取整幅图像适用于大多数静态或低速场景线扫描相机一次获取一行图像通过移动获取完整图像适用于高速、连续检测主要参数详解1. 图像传感器CCD通过模拟移位寄存器传输电荷保持信号一致性CMOS每个像素自带放大器和ADC可随机访问像素2. 快门方式全局快门所有像素同时曝光适合拍摄运动物体卷帘式快门像素逐行曝光成本低但拍摄运动物体会产生变形3. 靶面尺寸指相机传感器感光区域的大小通常用英寸表示如1/2、2/3等。靶面尺寸越大收集光子的能力越强图像质量通常越好。4. 分辨率相机每次采集图像的像素点数直接决定图像细节程度。例如1280(H)×1024(V) 1,310,720像素 ≈ 130万像素分辨率选择需根据检测精度和视场大小计算5. 像元尺寸单个像素的物理尺寸单位通常为μm。像元尺寸越大感光能力越强动态范围越大但分辨率相对降低。6. 最大帧率相机每秒能够采集并输出的最大图像数量决定系统检测速度。7. 接口类型GigE千兆网接口传输距离长成本低USB3.0/3.1即插即用传输速度快Camera Link高速传输专为机器视觉设计CoaXPress高速、长距离传输型号说明工业相机型号通常包含品牌、系列、分辨率、帧率、接口等信息。例如MVCA01320GMMV品牌系列CA013型号代码20可能代表帧率或版本GMGigE接口、单色四、工业镜头工业镜头是将目标景物成像于相机传感器上的光学组件其质量直接影响图像质量。镜头分类定焦镜头焦距固定结构简单成本低变焦镜头焦距可调适用性强但成本高远心镜头特殊设计消除透视误差用于精密测量微距镜头专为近距离拍摄设计放大倍率高关键参数靶面尺寸与视角靶面尺寸镜头成像圈大小必须≥相机传感器尺寸否则会出现暗角视角(FOV)镜头能够覆盖的范围以角度表示视角与焦距、传感器尺寸相关FOV2×arctan(S/2f)其中S为传感器尺寸f为焦距光圈控制镜头通光量的装置用F值表示F焦距/孔径光圈越大F值越小通光量越多景深越小背景越模糊光圈越小F值越大通光量越少景深越大背景越清晰焦距焦点到成像面的距离决定成像大小和视角短焦距广角大视角近大远小效果明显长焦距望远小视角压缩远近感景深能够在像平面上获得清晰图像的轴向深度范围景深与光圈、焦距、拍摄距离相关光圈越小景深越大焦距越短景深越大拍摄距离越远景深越大畸变径向畸变由镜头曲率引起分为桶形畸变和枕形畸变切向畸变由镜头与传感器不平行引起高精度测量需选择低畸变镜头或进行畸变校正接口类型C接口法兰距17.526mm螺纹直径1CS接口法兰距12.5mm螺纹直径1F接口尼康单反相机接口M接口徕卡相机接口注意CS接口相机可通过5mm接圈使用C接口镜头但C接口相机不能直接使用CS接口镜头远心镜头特殊设计的镜头主要特点是主光线平行于光轴分为三种类型物方远心消除物距变化带来的测量误差像方远心消除相机安装位置误差影响双侧远心同时具备物方和像方远心特性远心镜头主要用于高精度测量应用但成本较高、体积较大。镜头选型要点1. 确定相机接口类型C/CS等2. 匹配靶面尺寸镜头靶面≥相机传感器尺寸3. 根据工作距离和视野确定焦距4. 根据精度要求确定分辨率镜头分辨率应匹配相机分辨率5. 根据环境光线选择最大光圈6. 考虑特殊需求远心、微距、低畸变等五、通讯系统机器视觉系统的通讯是实现图像数据传输和控制指令交互的关键环节。通讯基本组成一个完整的通讯系统包括信息收发器物理层面的信号传输设备通讯协议规定数据格式、传输速率、错误检测等规则信息收发器类型以太网口最常用支持TCP/IP协议传输距离长100mRS232串口点对点通信简单可靠传输距离短15mRS485串口多点通信抗干扰强传输距离长1200mUSB口即插即用传输速度快距离短5m无线模块WiFi、蓝牙等灵活性强稳定性相对较差常见通讯协议TCP/IP协议传输控制协议/网际协议互联网最基本通信协议四层体系结构1.应用层提供应用程序间通信HTTP、FTP等2.传输层提供节点间数据传输TCP、UDP3.网络层地址管理和路由选择IP4.数据链路层物理连接以太网、WiFi等特点开放标准、灵活性强、广泛应用Modbus协议工业领域最常用的串行通信协议两种传输模式Modbus RTU二进制格式紧凑高效Modbus ASCIIASCII字符可读性好但效率低简单主从结构易于实现和部署已成为工业电子设备间通信的业界标准其他工业协议PROFINET基于工业以太网的自动化总线标准EtherNet/IP基于标准以太网的工业协议CCLink三菱主导的开放式现场总线DeviceNet基于CAN总线的通信协议通讯系统设计考虑1.传输距离选择适合距离的接口类型2.传输速度根据数据量选择足够带宽3.可靠性工业环境需考虑抗干扰能力4.兼容性与现有设备和系统的兼容程度5.成本在满足需求前提下控制成本通过以上五个部分的详细阐述可以全面了解机器视觉系统的基本组成和工作原理为实际应用中的系统选型和设计提供理论基础。机器视觉技术正在不断发展和完善在工业自动化、智能检测等领域的应用也越来越广泛。六、常见题目1.光源作用-提高对比度突出被测物特征消除环境光干扰保证成像稳定辅助测量与缺陷检测。2.镜头接口类型C/CS接口大部分普通工业相机使用。F接口尼康标准卡口多用于大靶面相机。M12接口也称S接口M12*0.5mm螺纹常用于小型化设备。M42/M58接口用于高分辨率线阵/面阵相机。3.C/CS接口区别C接口17.5 mmCS接口12.5 mm比C口短 5 mm4.对颜色没有要求为什么默认选择黑白相机黑白一般比彩色精度更高黑白性价比高5.动态和静态动态选择全局相机CCDCOMS 静态选择卷帘相机CMOS6.什么是景深在最佳焦距前后能清晰成像的范围。7.怎么调节景深通过调节光圈F值越小光圈越大进光量越多景深越小背景虚化。反之越大8.检测口服液选择什么光源背光红外灯9.远心镜头有哪些物方远心镜头像方远心镜头双 侧远心镜头 C长CS短差5mmC转CS加环CS转C不行。10.镜头选型的计算公式WD 工作距离(镜头到被测物的距离mm) s 传感器对应方向的尺寸(宽/高,mm)FOV 对应方向的视野范围(宽/高,mm)焦距 f WD x s / FOV镜头验证 视野公式 FOVWD × s / f11.什么是通讯?通讯是信息在不同设备或系统之间的传输与交换过程。12.图像处理的作用?a. 去除噪声 b.填充黑洞 c.提升图像质量13.Modbus 通讯协议的特点及成为行业标杆的原因?特点主从架构支持主从设备间的通讯主设备发起请求从设备响应。简单易用协议结构简单易于实现和维护。广泛支持被众多厂商和设备支持具有良好的兼容性。行业标杆原因稳定性经过长期实践验证具有高度的稳定性。可靠性在恶劣工业环境下仍能保持可靠通讯。开放性协议公开易于集成和扩展。应用领域广泛应用于工业自动化、楼宇自动化、能源管理等领域。14.一副好的图像具有什么样的特征?a.光照均匀无过曝、无阴影 b.目标清晰无模糊、无拖影 c.对比度高特征明显d.噪声小画面干净 f.无畸变保证测量准确 g.分辨率足够细节完整15.什么是标定答标定主要用于确定相机坐标系和机械臂世界坐标系之间的转换关系。16.标定方式答: N点标定是通过N点像素坐标和物理坐标实现相机坐标系和执行机构物理坐标系之间的转换并生成标定文件N需要大于等于4。旋转标定17.亮度检测的过程答图像源-高精度匹配-位置修正-Group组合亮度检测-条件检测-变量计算-发送数据 -格式化输出18.位置修正答基于视觉检测结果对设备或目标的位置、姿态误差进行补偿与校正的过程。19.相机选型确定分辨率根据视场大小和所需精度计算相机所需像素分辨率 视场宽度 / 精度选择满足精度的最小合适分辨率避免资源浪费。确定传感器类型CCD / CMOS高速运动、高帧率场景选CMOS高精度、低噪声测量选CCD目前视觉项目主流用CMOS。确定相机接口根据传输距离、速度、稳定性选择USB3.0短距离、低成本GigE长距离、稳定Camera Link高速高精度确定帧率保证相机帧率大于工件运动速度避免图像拖影、模糊。匹配镜头根据工作距离、视场、传感器尺寸选择匹配靶面、焦距合适的工业镜头保证成像清晰无畸变。20.角度范围为什么是-45—45根据实际情况设置-45—45为90度的范围严格来说角度范围可以更小21.景深的影响因素是什么光圈大小F 值光圈越大F 越小→ 景深越小光圈越小F 越大→ 景深越大焦距长短焦距越长 → 景深越小焦距越短 → 景深越大工作距离 WD物距工作距离越远 → 景深越大工作距离越近 → 景深越小传感器 / 像素大小传感器 / 像素越大 → 景深越小传感器 / 像素越小 → 景深越大22.光圈的作用光圈是镜头内部控制通光孔径大小的装置用F 值表示。F 值越小 → 孔径越大 → 进光越多 → 画面更亮→景深小F 值越大 → 孔径越小 → 进光越少 → 画面更暗→景深大23.旋转标定的作用计算工件实际偏移量和旋转量结合机器人旋转中心进行二次补偿将补偿量发送给机器人完成精准抓取 / 放置。24.一个好的成像有哪些特征亮度合适对比度足够细节完整无明显畸变与噪点25.光源的种类环形光源、背光源透射光源、条形光源、同轴光源、面光源、穹顶光源、点光源