《机器视觉入门及应用》硬件篇1)相机按芯片类型:CCD相机、CMOS相机按扫描方式:隔行扫描相机、逐行扫描相机按传感器结构特性:线阵相机、面阵相机1.相机基本参数●分辨率:相机每次采集图像的像素点(Pixels),对于数字相机一是直接与光电传感器的像元数对应的,对于模拟相机则是取决于视屏制式,PAL制为768*576,NTSC制为640*480;●像素深度:即每个像素数据的位数,一般常用的是8Bit,对于数字工业相机一般还有10Bit、12Bit等;●像元尺寸(pixel Size):像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机机靶面的大小。
目前数字相机像元尺寸一般为3um--10um;●帧率:相机采集传输图像的速率,对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec)对于线阵相机为每秒采集的行数(Hz)D相机CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。
它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体,是典型的固体成像器件。
CCD的突出特点是以电荷作为信号,而不同于其他器件是以电流或者电压为信号。
这类成像器件通过光电转换成电荷包,而后在脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。
典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。
CCD作为一种功能器件,与真空管相比具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。
3.SMOS相机CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制集成在一块芯片上。
CMOS相机具有局部像素的编程随机访问的优点,目前,CMOS相机以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围特点在高分辨率和高速场合得到了广泛应用。
4.工业相机与普通相机的区别A. 工业相机性能可靠易于安装,相机结构紧凑结实不易损坏,连续工作时间长,可以在较差的环境下使用,普通相机是做不到这些的,例如:让普通相机连续工作一天或几天肯定会受不了的;B. 工业相机的快门(曝光)时间非常短,可以抓拍高速运动的物体;C. 工业相机帧率远高于普通相机;D. 工业相机输出的是裸数据,光谱范围较宽。
比较适合进行高质量的图像处理算法,普通相机的光谱范围只适合人眼视觉,图像质量较差,不利于进行分析处理。
E. 工业相机价格贵。
5.相机选取方法A. 根据应用的不同选取CCD或CMOS相机。
CCD相机主要应用在运动物体的图像摄取,如贴片机机器视觉,。
用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD 相机比较多,CMOS相机成本低,功耗低也越来越广泛;B. 分辨率的选择。
首先考虑待观察或待测量物体的精度,根据精度选择分辨率。
相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。
则相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理论精度。
若单视野为5mm,理论精度为0.02mm,则单方向分辨率=5/0.02=250。
然而为增加系统稳定性,不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值,一般可以选择倍数4或更高。
这样改相机需求单方向分辨率为1000,选用130万像素已经足够。
C.其次看相机的输出,若是体式观察或机器视觉软件分析识别,分辨率高是有帮助的;若是VGA输出或USB输出,再显示器上观察,则还依赖显示器的分辨率,相机的分辨率再高,显示器分辨率不够,也是没有意义的;利用存储卡或拍照功能,相机的分辨率高也是很有帮助的。
D.考虑与镜头的匹配。
传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸,C或CS安装座也要匹配(或者增加转接口);E.考虑相机帧数选择。
当被测物体有运动要求时,要选择帧数高的工业相机。
但一般来说分辨率越高,帧数越低。
2) 镜头镜头的基本功能就是实现光束变换,在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将目标图像成像在图像传感器的光敏面上。
镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能,合理地选择和安装镜头,是机器视觉系统设计的重要环节。
1. 镜头分类按功能:定焦镜头、变焦镜头、定光圈镜头按视角:普通镜头、广角镜头、远摄镜头按用途:微距镜头、远心镜头、CCTV镜头2. 镜头基本参数1)镜头的相关参数:●视场(FOV,邺城视野范围):指观测物体的可视范围,也就是相机采集芯片的物体部分。
(视场范围是选型中必须了解的)●工作距离(WD):指从镜头前部到受检验物体的距离。
即清晰成像的表面距离。
(选型必须了解的问题,工作问题是否可调?包括是否有安装空间等)●分辨率:图像系统可以测到的手检验物体上的最小可分辨特征尺寸。
在多数情况下,视野越小,分辨率越好;●景深(DOF):物体离最佳焦点较近或较远时,镜头保持所需分辨率的能力。
(需要了解客户对景深是否有特殊要求)3.景深计算公式δ--容许弥散圆直径;f --镜头焦距;F --镜头的拍摄光圈值;L--对焦距离;ΔL1--前景深;ΔL2--后景深;ΔL --景深4.景深计算公式(2):可看出,后景深>前景深,且景深与镜头使用的光圈,镜头焦距与拍摄距离等有关系:●镜头光圈:光圈越大,景深越小;光圈越小,景深越大;●镜头焦距:镜头焦距越长,景深越小;镜头焦距越短,景深越大;●拍摄距离:距离越远,景深越大;距离越近,景深越小。
5. 镜头的其他参数●感光芯片尺寸:相机感光芯片的有效区域尺寸,一般指水平尺寸。
这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视野范围(FOV)非常重要。
●镜头光学放大倍数(PMAG)由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。
虽然基本参数包括感光芯片的尺寸,但PMAG却不属于基本参数;●焦距(f): 是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式,指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。
亦是相机中,从镜头中心到底片或CCD等成像平面的距离。
●镜头接口➢C型:C型接口镜头与摄像机接触面至镜头焦平面(摄像机CCD光电感应器处的位置)的距离为17.5mm;➢CS型:CS型接口此距离为12.5mm。
C型镜头与CS型相机之间增加一个5mm 的C/CS接圈可以配合使用。
CS镜头与C型镜头无法配合使用;➢F型:通用型接口,一般适用于大于25mm的镜头。
➢畸变:视野中局部放大倍数不一定造成的图像扭曲,由于受制作工艺的影响,镜头越好畸变越小。
广角镜头的畸变比较大,比如直线弯曲、矩形变成桶形或者枕型。
因此在精密测量系统等精度要求高的情况下必须考虑镜头的畸变。
6. 镜头选取方法●根据客户要求。
一般先考虑客户对镜头的特殊要求,例如在镜头与工件之前有没有加入其他器件(透镜、反光镜片、玻璃)、镜头的工作环境等。
●是否需要用远心镜头。
精密测量系统需要选用远心镜头,远心镜头最主要的功能就是克服透视相差(成像时由于距离的不同而导致的放大倍数不一致现象)的影响,使得检测目标在一定范围内运动时得到的尺寸数据几乎不变。
一般情况下,远心镜头都是固定焦距和工作距离的,而且有些远心镜头的体积很大,有的超过十斤,需要详细了解客户对视场大小、工作距离、空间限制和运动控制的要求。
一般的表面缺陷、有无判断等对物体成像没有严格要求时,选用畸变小的镜头就可以。
●镜头的接口。
镜头接口和相机接口都分为C、CS、F和其他更大尺寸的接口类型。
相机和镜头时互补的,即C接口的相机只能用C口接的镜头,CS接口的相机可以使用CS接口的镜头或者加上5mm接圈,其他接口的只能一一对应,如果相机的芯片尺寸超过1英尺,尽量选用F或者更大的接口,避免图像周围成像质量差。
3)光源机器视觉系统中最关键的一个方面就是选择正确的照明,机器视觉光源直接影响到图像的质量,进而影响到系统的性能。
所以我们经常说光源起到的作用就是获得对比鲜明的图像。
1. 光源的作用选择合适的光源,可突显良好的图像效果(特征点),可以简化算法,提高检测精度,保证检测系统的稳定性。
2.光源类型A. 环形光源:提供不同的照射角度、不同颜色组合,更能突出物体的三维信息;高密度LED列阵,高亮度;多种紧凑设计,节省安装空间;解决对角照射阴影问题;可选配漫射板导光,光线均匀扩散。
(PCB基板检测,IC元件检测,显微镜照明,液晶校正,塑胶容器检测,集成电路印字检查...)B. 背光源:用高密度LED列阵面提供高强度背光照明,能突出物体的外形轮廓特征,尤其适合作为显微镜的载物台。
红白两用背光源、红蓝多用背光源,能调配出不同颜色,满足不同被测物多色要求。
(机械零件尺寸的测量,电子元件、IC的外型检测、胶片污点检测,透明物体划痕检测...)C. 条形光源:条形光源是较大方形结构被测物体的首选光源;颜色可根据需求搭配,自由组合;照射角度与安装随意可调。
(金属表面检查,图像扫描,表面裂缝检测,LCD面板检测...)D. 组合条形光源:四边配置条形光,每边照明独立可控;可根据被测物体要求调整所需照明角度,使用性广。
(PCB基板检测,IC元件检测,焊锡检查,Mark 点定位,显微镜照明,包装条码照明,球形物体照明...)E. 同轴光源:同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影,从而减少干扰;部分采用分光镜设计,减少光损失,提高成像清晰度,均匀照射物体表面。
(系列光源最适宜用于反射度极高的物体,如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测,芯片和晶片的破损检测,Mark点定位,包装条码识别。
F. 线性光源:超高亮度,采用柱面透镜聚光,适用于各种流水线连续检测场合。
G. 点光源:大功率LED,体积小,发光强度高;光纤卤素灯的替代品,尤其适合作为镜头的同轴光源等;高效散热装置,大大提高光源的使用寿命。
(适合远心镜头使用,用于芯片检测,Mark点定位,晶片及液晶玻璃底基校正。
3.光源选型A.条光选型要领:➢条光照射宽度最好大于检测的距离,否则可能会照射距离远造成亮度差,或者是距离近而辐射面积不够;➢条光长度能够照明所需打亮的位置即可,无需太长造成安装不便,同时也增加成本,一般情况下,光源的安装高度会影响到所选用条光的长度,高度越高,光源长度要求越长,否则图像两侧亮度比中间暗;➢如果照明目标是高反光物体,最好加上漫射板,如果是黑色等暗色不反光产品,也可以拆掉漫射板以提高亮度;B. 环光选型要领:➢了解光源安装距离,过滤掉某些角度光源;例如要求光源安装尺寸高,就可以过滤掉大角度光源,选择用小角度光源,同样,安装高度越高,要求光源直径越大;➢目标面积小,且主要特征性在表面中间,可选择小尺寸0角度或小角度光源;➢目标需要表现的特征如果在边缘,可选择90角度环光,或大尺寸高角度环形光;➢检测表面划伤,可选择90度角环光,尽量选择波长短的光源。
C. 背光源/平行背光源选型要领:➢根据物体大小选择合适大小的背光源,以免增加成本造成浪费➢背光源四周一条由于外壳遮挡,其亮度会低于中间部位,因此选择背光源时,尽量不要使目标正好位于背光源边缘➢背光源一般在检测轮廓时,可以尽量使用波长短的光源,波长短的光源其衍射性弱,图像边缘不容易产生重影,对比度更高;➢背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳效果,并非离得越近效果越好,也非越远越好;➢液位检测可以将背光源侧立使用;➢圆轴类产品,螺旋状的产品尽量使用平行背光源D. 同轴光源选型要领:➢选择同轴光时主要看其发光面积,根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光;➢同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍左右,因为同轴光的光路设计时让光路通过一片45度反半透镜改变光源靠近灯板的地方会比原理灯板的亮度高,因此,尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀;➢同轴光在安装时尽量不要离目标太高,越高,要求选用的同轴光越大,才能保证其均匀性。