1、机器视觉机器视觉 机器视觉概述?使机器具有像人一样的视觉功能，从而实现各种检测、判断、识别、测量等功能。一个典型的机器视觉系统组成包括：图像采集单元（光源、镜头、相机、采集卡、机械平台），图像处理分析单元（工控主机、图像处理分析软件、图形交互界面），执行单元（电传单元、机械单元）机器视觉概述?机器视觉系统通过图像采集单元将待检测目标转换成图像信号，并传送给图像处理分析单元。?图像处理分析单元的核心为图像处理分析软件，它包括图像增强与校正、图像分割、特征提取、图像识别与理解等方面。输出目标的质量判断、规格测量等分析结果。?分析结果输出至图像界面，或通过电传单元（PLC等）传递给机械单元执行相应操
2、作，如剔除、报警等，或通过机械臂执行分拣、抓举等动作。机器视觉优势?机器视觉系统具有高效率、高度自动化的特点，可以实现很高的分辨率精度与速度。机器视觉系统与被检测对象无接触，安全可靠。人工检测与机器视觉自动检测的主要区别有：机器视觉自动检测机器视觉自动检测 效率高 速度快 高精度 检测效果稳定可靠 可24小时不停息工作 方便信息集成 成本不断降低，一次性投入 适合恶劣、危险环境 人工检测人工检测 效率低 速度慢 受主观影响，精度一般 易疲劳，受情绪波动 工作时间有限 不易信息集成 人力和管理成本不断上升 不适合恶劣和危险环境 效率效率 速度速度 精度精度 可靠性可靠性 工作时间工作时间 信息集
3、成信息集成 成本成本 环境环境 机器视觉的应用领域?识别?标准一维码、二维码的解码?光学字符识别（OCR）和确认（OCV）?检测?色彩和瑕疵检测?零件或部件的有无检测?目标位置和方向检测?测量?尺寸和容量检测?预设标记的测量，如孔位到孔位的距离?机械手引导?输出空间坐标引导机械手精确定位 机器视觉系统的分类?智能相机?基于嵌入式?基于PC 主流的解决方案提供商?提供从单一的视觉检测到视觉系统集成的完整视觉检测方案。?视觉检测方案主要包括两个方面：?硬件相机，控制器，光源及支架；?软件控制系统，图形用户界面(GUI)和图像分析算法。厂家厂家 康耐视康耐视 迈思肯迈思肯 邦纳邦纳 Leuze 基恩
4、士基恩士 擅长擅长 识别/检测/测量 识别/检测/测量 识别/检测/测量 识别/检测/测量 识别/检测/测量 前身前身 一/二维码识别 一/二维码识别 传感器 传感器 传感器 ABB 发那科发那科 美国国家仪器公司美国国家仪器公司 机械手引导 机械手引导 数据采集/交互 变频器 机器人 软硬件测试、自动化 机器视觉主要行业协会和标准?美国自动成像协会（AIA）?相机专用传输协议CameraLink标准?相机千兆网传输协议GigEVision标准?欧洲机器视觉协会（EMVA）?相机统一控制协议GenICam标准?相机灵敏度和成像质量评测EMVA1288 机器视觉发展历程（国外）?发展阶段：?20
5、世纪50年代提出机器视觉概念，?20世纪70年代真正开始发展，?20世纪80年代进入发展期，?20世纪90年代发展趋于成熟，?20世纪90代后至今高速发展。?关键标志：?20世纪70年代CCD图像传感器的出现是机器视觉提供了可靠清晰的图像；?20世纪80年代以来处理器、图像处理技术的飞速发展为机器视觉的高速发展提供了基础条件；?2000年以来基于LED光源的任意光场设计使机器视觉在各种行业的应用成为可能。机器视觉发展历程（国内）?起步于20世纪80年代?20世纪90年代进入发展期，加速发展是近几年的事情。?机遇与挑战并存?中国正在成为世界机器视觉发展最为活跃的地区之一；?中国已经成为全世界的制
6、造中心，许多生产线已经迁至中国，许多国际先进水平的机器视觉系统也进入了中国；?国内机器视觉企业在与国际机器视觉企业的竞争中不断得到成长。机器视觉系统组成?图像获取：光源、镜头、相机、采集卡、机械平台?图像处理与分析：工控主机、图像处理分析软件、图形交互界面。?判决执行：电传单元、机械单元 图像获取?组成：光源、镜头、相机、采集卡、机械平台 Garbage In,Garbage Out 光源种类?LED：寿命长/可以有各种颜色/便于做成各种复杂形状/光均匀稳定/可以闪光；?荧光灯：光场均匀/价格便宜/亮度较LED高；?卤素灯：亮度特别高/通过光纤传输后可做成；?氙灯：使用寿命约1000小时/亮度
7、高，色温与日光接近。大部分机器视觉照明采用 LED 光源光路原理?照相机并不能看见物体，而是看见从物体表面反射过来的光。?镜面反射：平滑表面以对顶角反射光线?漫射反射：粗糙表面会从各个方向漫射光线?发散反射：多数表面既有纹理，又有平滑表面，会对光线进行发散反射 光源作用和要求?在机器视觉中的作用?照亮目标，提高亮度?形成有利于图像处理的效果?克服环境光照影响，保证图像稳定性?用作测量的工具或参照?良好的光场设计要求?对比度明显，目标与背景的边界清晰?背景尽量淡化而且均匀，不干扰图像处理?与颜色有关的还需要颜色真实，亮度适中，不过曝或欠曝；光源光场构造?明场：光线反射进入照相机?暗场：光线反射离
8、开照相机 明场照明 暗场照明 光源构造光源 光源构造光源 使用不同照明技术对滚珠轴承产生的影响：滚珠轴承 光纤环光灯 荧光环光灯 漫射圆顶灯 同轴照明灯 直角持续漫射灯 持续漫射灯 镜头主要参数?工业的镜头大都是多组镜片组合在一起的。计算时会忽略厚度对透镜的影响将其等效成没有厚度的播透镜模型，即理想凸透镜。?参数：焦距/视场/物距/像距/光圈/景深/分辨力/放大倍数/畸变/接口 物距 视野成象面 FOV 景深（DOV）像距 镜头主要参数?分辨率：对色彩和纹理的分辨能力。?畸变：镜头中心区域和四周区域的放大倍数不相同。畸变的校正一般用黑白分明的方格图像来进行，过程并不复杂。一般如果畸变小于2%，
9、人眼观察不到；若畸变小于CCD的一个像素，摄像机也看不见。镜头分类 CCTV镜头 专业摄影镜头 CCTV镜头 专业摄影镜头 远心镜头 远心镜头 价格 分辨率 畸变 焦距选择范围 低 低（20L/MM）高 广泛 中 中（4080L/MM）中 广泛 高 高 低 狭窄 使用灵活性 适合应用 高 低精度测量/简单检测 中 标准精度测量/定位 低 高精度测量/纵深测量 镜头远心镜头?在测量系统中，物距常发生变化，从而使像高发生变化，所以测得的物体尺寸也发生变化，即产生了测量误差；?即使物距是固定的，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上，同样也会产生测量误差。?采用远心物镜中的像方远心物镜可以消除
10、物距变化带来的测量误差，而物方远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。相机?种类：线&面、隔/逐、黑/彩、数/模、低/高、CCD/CMOS?指标：象元尺寸、分辨率、靶面大小、感应曲线、动态范围、灵敏度、速度噪声、填充因子、体积、质量、工作环境等?工作模式：Free run、Trigger（多种）、长时间曝光等?传输方式：GIGE，Cameralinker,模拟 相机线扫描系统 相机面阵相机 相机自由触发/外部触发 自由触发：按照相机自己的时钟抓怕图像，对于运动目标，每次在图像中出现的位置不同。外部触发：按照外部传感器给的触发信号拍摄图像，运动物体在图像中每次的位置一致。相机数据接口?模
11、拟接口：CCIR/EIA,Non-Standard,RS-422/LVDS?高速，可靠性高，传输距离远，支持多相机连接。管脚定义不统一，电缆成本高。?Camera Link?高速，高可靠性。不便于多相机连接和集中控制，电缆价格高。?IEE1394?灵活性高，成本低。传输距离短，可靠性低。?USB2.0?灵活性高，成本低。传输距离短，可靠性低，技术不成熟。?GigEVision?灵活性高，可扩充性强，支持远距离传输，支持多点传输，技术成熟，鲁棒性强，成本低。?USB3.0?灵活性高。传输距离短，可靠性低，技术不成熟。图像分析核心算法 物体测量 二维码读取 瑕疵检测 空间标定 图像数学和逻辑运算
12、图像分割 图像分析核心算法 模板和形状匹配 光学字符的识别与确认 色彩检测 边缘检测 目标分类 图像滤波和频率分析 图像处理分析核心功能?测量工具：测量两点的距离，点到线的距离，两线之间的角度?线性定位：通过检测工件边缘的相对移动确定工件的平移和旋转?模板查找：通过检测图形的相对移动确定工件的平移和旋转?GEO查找：通过检测图形的相对移动确定工件的平移和部件360度的旋转?斑点查找：通过检测工件的有无、关联、尺寸、形状和坐标来确定工件位置?边缘工具：确定边缘的有无、数量、类别和位置目标物工具：确定目标物有无、数量、类别、尺寸和位置?图形计数工具：确定图形的有无、数量和位置GEO计数工具：在36
13、0度范围内确定目标图形的有无和位置?条码检测工具：查找、解码和评估一维和二维码?OCR/OCV:读取和确认光学字符?圆弧工具:检测圆弧，以及圆心及其他弧形特征?线段工具:检测长度，端点及其他线段特征?颜色匹配:检测匹配的色调和浓度 图像处理分析核心功能 行业应用?饮料行业：类别和瑕疵检测?日用品行业：排列顺序检测 行业应用?电子器件行业：电镀不良检测?电子器件行业：器件污点检测 行业应用?电子器件行业：仪表按键位置错误检测?包装行业：树脂盖污点检测 行业应用?电子器件行业：轮廓和边缘曲线检测?包装行业：罐头底部污点检测 行业应用?日用品行业：透明塑料瓶污点检测?纺织行业：布匹瑕疵检测 行业应用
14、?加工业：金属元件检测与内径测量?包装行业：二维码读取，OCR字符识别 行业应用?电子器件行业：接线位置检测?包装行业：保质期有无检测/标签错位检测 行业应用?电子器件行业：电子零部件的有无检测、方向识别/确认?工业制品检测：金属零部件内的密封垫有无、螺纹孔的螺纹槽是否存在 高精密工件检测?线阵相机+远心镜头+精密丝杆组成的线扫描式工业视觉检测 应用案例产品可追溯?针对润滑油灌装生产线，实现产线一体化管理，产品生产数据与上下游数据实现无缝连接，实现产品在整个供应链中的可追溯性需求。?机器视觉系统重点聚焦调合和灌装两个生产区域，先后实现了产品在线赋码、灌装线管汇自动化、储罐信息共享、调合配方系统
15、化、灌装线自动数据采集、储运发货优化、中转库和经销商管理、原料油到货管理、生产任务智能排产等管理课题的突破，有效地提高了现场作业管理效率，具备了先进过程控制体系的基本格局，使智能数字化管理水平进一步提升。应用案例产品可追溯?使用机器视觉技术进行条码读取和标签验证，具体包括读码（包括读取一维码，二维码），OCR（光学字符识别），检测有/无，定位，测量，标签验证，OCV（光学字符验证）等等，?保证产品质量和全程可视化操作。管理者和生产人员可轻松地管理日常工作，对各类时间能快速响应和决断，确保生产顺利进行，实现产品的全程可追溯性。应用案例视觉堆垛视觉堆垛?通过相机视野内目标比例的变化来估算目标的高度
16、并引导机器人的运动补偿目标的偏移，允许机器人只借助一个普通2D相机或线激光辅助来拾取码放堆集的目标。应用案例视觉堆垛视觉堆垛?工作原理：?利用传感器和辅助光源组成机器视觉系统，实现对无定位工件的准确位置判断，在机器人收到信号后，机器人装上为工件定制的专用手爪去可靠的抓取工件，在与机床进行通讯得到上料请求后，最终完成机床的上下料，在各种机械加工行业中该系统应用广泛。?工作流程?标定：图像坐标映射与世界坐标的映射?检测：工件有无及在图像坐标中的位置?定位：工件映射到世界坐标的位置?引导：发出指令动作 应用案例视觉堆垛视觉堆垛?传感器安装方式：?固定式?机械手一体式?传感器：?2D相机?2D相机+线
17、激光?优势：?使生产流水线更加简单易于维护;?大幅度降低工人的劳动强度;效率和柔性都比较高。?系统结构简单、安全文明、无污染，能在各种机械加工场合进行应用，满足了高效率、低能耗的生产要求。机器视觉系统的项目评估?系统评估及选型：精度、速度、可靠性?精度：为什么要达到这么高的精度？高精度意味着高代价。系统的误差分配，系统精度、机台精度、控制传感精度，视觉部分的精度（分辨率、图像质量、安装精度、镜头、标定方法、算法、环境等）?速度：总指标、控制部分、动作的配合及协调、通信速度、采集速度（硬件）、处理速度（计算机硬件、软件算法、图像质量等）?可靠性：硬件的可靠性、软件算法的可靠性及稳定性、系统设计的可靠性等 机器视觉系统的开发流程?提出问题?定义检测目标?收集制订完整的规格列表?可行性研究?这个零件是如何被肉眼看到的？?这个零件将如何照在其上的光的特性？?将自己想成是那个零件?概念设计?实验室的反复实验?原型机生产?批量生产，先进制造 机器视觉系统的开发周期?需求了解/分析/确认；（前期多沟通很重要）?样品准备/测试；（需要客户密切配合）?系统软/硬件选型；（保证性价比最好）?系统开发设计；（严格按项目管理方法进行）?现场试运行/大量测试；（必不可少，需要配合）?系统的局部修改和完善；（往往耗时较多）?系统验收；?人员培训与系统维护；
