机器视觉系统选型教材.ppt

1机器视觉光学系统选型培训EDC-EQUIP：QC Li2主要内容机器视觉概要机器视觉硬件基础知识介绍镜头选型指南CCD选型指南光源选型指南3第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状机器视觉（机器视觉（Machine VisionMachine Vision）的引入）的引入机器视觉的概念和相关技术的关系机器视觉的概念和相关技术的关系机器视觉的主要应用（行业、技术分类）机器视觉的主要应用（行业、技术分类）机器视觉在国际上的发展（美日欧）机器视觉在国际上的发展（美日欧）机器视觉的技术范围机器视觉的技术范围q技术层次，软、硬件分类，相关技术技术层次，软、硬件分类，相关技术机器视觉的产业链和从业者格局机器视觉的产业链和从业者格局第一节 机器视觉概述第一节 机器视觉综述4第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状一、机器视觉的引入自动化和电脑技术是机器视觉进入工业生产线的关键要素自动化和电脑技术是机器视觉进入工业生产线的关键要素自动化技术的发展史是机器逐步取代人工的历史自动化技术的发展史是机器逐步取代人工的历史q传感与控制是自动化的主要分支；传感与控制是自动化的主要分支；q人类大脑、四肢、感官和神经分别可以对应人类大脑、四肢、感官和神经分别可以对应CPUCPU、运动控制、传感器和网络。、运动控制、传感器和网络。人类视觉是最后几个被取代的器官之一人类视觉是最后几个被取代的器官之一在很多情况下人类视觉越发不能满足要求在很多情况下人类视觉越发不能满足要求q高速、高精、超视、微距，高速、高精、超视、微距，q客观、无疲劳、环境限制等。客观、无疲劳、环境限制等。第一节 机器视觉概述机器视觉培训系列教程（基础入门培训）5第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状二、机器视觉的概念和相关技术的关系机器视觉的通俗定义机器视觉的通俗定义权威机构怎么说？权威机构怎么说？机器视觉的本质、特征机器视觉的本质、特征q本质本质q特征特征机器视觉关联技术机器视觉关联技术q图像处理图像处理q模式识别和辨识模式识别和辨识q其他其他第一节 机器视觉概述6传统机器视觉系统基本构成待测目标CCD相机镜 头灯源图像采集卡电脑系统PCI地址总线灯源控制信号相机控制信号及电源模拟图像信号数字图像信号第一节 机器视觉概述第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状7三、机器视觉的主要应用领域机器视觉应用分类机器视觉应用分类q测量测量q检测检测q定位定位q识别识别第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述机器视觉培训系列教程（基础入门培训）8三、机器视觉的主要应用领域机器视觉应用分类机器视觉应用分类q测量测量（如长度测量）（如长度测量）第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述9三、机器视觉的主要应用领域机器视觉应用分类机器视觉应用分类q测量测量（如角度测量）（如角度测量）第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述10三、机器视觉的主要应用领域机器视觉应用分类机器视觉应用分类l测量测量（如圆弧及半径测量）（如圆弧及半径测量）第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述11三、机器视觉的主要应用领域机器视觉应用分类机器视觉应用分类q检测检测（如有无检测）（如有无检测）(邮包)第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述12三、机器视觉的主要应用领域机器视觉应用分类机器视觉应用分类q检测检测（如残次品检测）（如残次品检测）第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述13三、机器视觉的主要应用领域机器视觉应用分类机器视觉应用分类q检测检测（如数字统计）（如数字统计）第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述14三、机器视觉的主要应用领域机器视觉应用分类机器视觉应用分类q检测检测（瑕疵检测）（瑕疵检测）第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述15机器视觉应用分类机器视觉应用分类q定位定位三、机器视觉的主要应用领域第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述16机器视觉应用分类机器视觉应用分类q定位定位三、机器视觉的主要应用领域第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述17三、机器视觉的主要应用领域机器视觉应用分类机器视觉应用分类q识别识别（如读码）（如读码）第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述18三、机器视觉的主要应用领域机器视觉应用分类机器视觉应用分类q识别识别（如（如OCR/OCVOCR/OCV）第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述19机器视觉应用分类机器视觉应用分类q识别识别（如颜色识别）（如颜色识别）三、机器视觉的主要应用领域第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述机器视觉培训系列教程（基础入门培训）20三、机器视觉的主要应用领域机器视觉适用的生产环节分类机器视觉适用的生产环节分类q原料、加工原料、加工q组装、测试、包装组装、测试、包装q使用、监控使用、监控第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述21塑料/薄膜食品&饮品汽车日用品光纤产品三、机器视觉的主要应用领域半导体纸张冶金航空航天通用生产电子医学设备纺织药品第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述22四、机器视觉的国际发展现状（美日欧）机器视觉在国际上的发展阶段，总的规模机器视觉在国际上的发展阶段，总的规模各国的主要市场、规模和发展趋势各国的主要市场、规模和发展趋势各国主要的供应商各国主要的供应商相关组织和机构相关组织和机构国际机器视觉公司的中国策略和做法国际机器视觉公司的中国策略和做法第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述23五、机器视觉的技术范围技术层次技术层次q底层基础元件和材料底层基础元件和材料q图像和视觉核心算法图像和视觉核心算法q视觉硬件和系统（含照明）视觉硬件和系统（含照明）q软件开发环境软件开发环境系统流程系统流程q取像取像 =分析分析 =结果输出结果输出部件与系统软、硬件部件与系统软、硬件q照明、光学元件、镜头、相机、图像采集卡照明、光学元件、镜头、相机、图像采集卡q工具软件工具软件q智能相机智能相机相关技术：相关技术：运动控制、机器人、通讯运动控制、机器人、通讯第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第一节 机器视觉概述24第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状机器视觉的主要技术趋势和市场趋势机器视觉的主要技术趋势和市场趋势机器视觉在中国的发展概述机器视觉在中国的发展概述中国市场的竞争者及其产业链分析中国市场的竞争者及其产业链分析本土供应商的现状以及生存策略本土供应商的现状以及生存策略本土供应商面临的机会和威胁本土供应商面临的机会和威胁用户获得的价值用户获得的价值第二节 国内外发展现状第二节 国内外发展现状25六、机器视觉的产业链和从业者格局机器视觉的产业链机器视觉的产业链q基础原创技术提供者；基础原创技术提供者；q软、硬件部件或子系统开发者；软、硬件部件或子系统开发者；q系统集成商或方案提供者；系统集成商或方案提供者；q代理商、零售商；代理商、零售商；qOEMOEM设备、整机开发者；设备、整机开发者；q外围技术合作伙伴；外围技术合作伙伴；q协会、媒体和政府机构；协会、媒体和政府机构；q最终用户；最终用户；q培训、咨询、安装维护等服务提供者。培训、咨询、安装维护等服务提供者。第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第二节 国内外发展现状26六、机器视觉的产业链和从业者格局机器视觉产业链（直接利益者）机器视觉产业链（直接利益者）厂家最终用户代理商OEM客户系统集成商第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第二节 国内外发展现状27六、机器视觉的产业链和从业者格局中国机器视觉产业链的缺失中国机器视觉产业链的缺失厂家最终用户OEM客户系统集成商第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第二节 国内外发展现状28七、机器视觉的主要技术趋势和市场趋势机器视觉的机器视觉的技术技术趋势趋势q高速化、高分辨率、彩色高速化、高分辨率、彩色q低功耗、智能化、模块化、傻瓜化低功耗、智能化、模块化、傻瓜化q先进数字网络先进数字网络q特殊应用特殊应用机器视觉的机器视觉的市场市场趋势趋势q价格下降、使用方便，向中低端应用扩展价格下降、使用方便，向中低端应用扩展q性能提高、可靠性提高，解决复杂高端问题性能提高、可靠性提高，解决复杂高端问题q行业应用增加行业应用增加q分工细化，利润在产业链中的重新分配分工细化，利润在产业链中的重新分配q与相关技术结合更加紧密与相关技术结合更加紧密第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第二节 国内外发展现状29八、机器视觉在中国的发展概述机器视觉在中国的几个阶段机器视觉在中国的几个阶段q概念导入概念导入q培育从业者培育从业者q树立样板、教育市场树立样板、教育市场q视觉从业者快速膨胀视觉从业者快速膨胀q行业应用开始加速行业应用开始加速机器视觉在中国未来几年的展望机器视觉在中国未来几年的展望q开始形成商业模式开始形成商业模式q本土供应商的成长本土供应商的成长q市场较快形成一定规模市场较快形成一定规模q中国特色应用中国特色应用第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第二节 国内外发展现状30九、中国市场的竞争者及其产业链分析国际供应商国际供应商q高端视觉供应商高端视觉供应商q中低端视觉供应商中低端视觉供应商q光学元件供应商光学元件供应商q照明以及附件供应商照明以及附件供应商q国际供应商的市场策略国际供应商的市场策略q本地化举措本地化举措本土供应商本土供应商q板卡、智能相机开发板卡、智能相机开发q软件开发软件开发q系统开发系统开发q应用集成应用集成q代理分销代理分销q生存战略生存战略第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第二节 国内外发展现状31十、本土供应商面临的机会和威胁主要机会：市场快速发展主要机会：市场快速发展q市场快速发展，且层次丰富市场快速发展，且层次丰富q技术逐渐成熟到可接受水平技术逐渐成熟到可接受水平q价格优势明显价格优势明显q服务优势服务优势主要威胁：主要威胁：我们来得及吗？我们来得及吗？q品牌方面的劣势，建立客户信任需要时间成本品牌方面的劣势，建立客户信任需要时间成本q进口产品大量进入，生命周期缩短，利润下降进口产品大量进入，生命周期缩短，利润下降q外企本地化加速，成本下降，响应加快外企本地化加速，成本下降，响应加快q研发积累方面的差距，创新或领先困难研发积累方面的差距，创新或领先困难q自身资源和能力制约自身资源和能力制约第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第二节 国内外发展现状32十一、用户期望获得价值更有更有行业针对性行业针对性的解决方案的解决方案更加更加行业专业化行业专业化的经验积累的经验积累更好的更好的性价比性价比更广泛的更广泛的产品配置产品配置方案方案更紧密的更紧密的合作伙伴合作伙伴关系关系更有效地提高客户自身产品的更有效地提高客户自身产品的竞争力竞争力第一讲：机器视觉概述及国内外发展现状第二节 国内外发展现状33机器视觉硬件基础知识第二讲机器视觉培训系列教程34第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识基本概念基本概念分类分类成像原理及参数间关系成像原理及参数间关系第一节 工业镜头第一节 工业镜头内容提要35第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、镜头基本概念(1)成象面工作距离（WD）景深（DOV）视野（FOV）后焦面距离第一节 工业镜头36第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、镜头基本概念（2）视野视野(FOV)图象采集设备所能够覆盖的范围，它可以是在监视器上可以见到的范围，也可以图象采集设备所能够覆盖的范围，它可以是在监视器上可以见到的范围，也可以使设备所输出的数字图象所能覆盖的最大范围使设备所输出的数字图象所能覆盖的最大范围.最大最大/最小工作距离最小工作距离（Work Distance）从物镜到被检测物体的距离的范围，小于最小工作距离大于最大工作距离系统均从物镜到被检测物体的距离的范围，小于最小工作距离大于最大工作距离系统均不能正确成像不能正确成像.景深景深（Depth Of Field）在某个调焦位置上，景深内的物体都可以清晰成像。景深可以用在某个调焦位置上，景深内的物体都可以清晰成像。景深可以用4545度倾角的目标度倾角的目标进行标定。一般情况下，只要清晰度能满足要求就可以了。进行标定。一般情况下，只要清晰度能满足要求就可以了。第一节 工业镜头37第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、镜头基本概念（3）畸变畸变 几何畸变指的是由于镜头方面的原因导致的图象范围内不同位置上的放大率存几何畸变指的是由于镜头方面的原因导致的图象范围内不同位置上的放大率存在的差异。几何畸变主要包括径向畸变和切向畸变。如枕形或桶形失真。在的差异。几何畸变主要包括径向畸变和切向畸变。如枕形或桶形失真。第一节 工业镜头38第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、镜头基本概念（4）镜头接口镜头接口lC-MOUNT镜头的标准接口之一，镜头的接口螺纹参数：镜头的标准接口之一，镜头的接口螺纹参数：公称直径：公称直径：1“螺距：螺距：32牙牙lCSMount是是CMount的一个变种，区别仅仅在于镜头定位面到图的一个变种，区别仅仅在于镜头定位面到图像传感器光敏面的距离的不同，像传感器光敏面的距离的不同，CMount 是是17.5mm，CSMount是是12.5mm。lC/CS能够匹配的最大的图象传感器的尺寸不超过能够匹配的最大的图象传感器的尺寸不超过1“。第一节 工业镜头39第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、镜头基本概念（5）成像面成像面 可以在镜头的像面上清晰成像的物方平面可以在镜头的像面上清晰成像的物方平面光圈（光圈（F值）值）/相对孔径相对孔径光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内，表达光圈大小。光圈是一个用来控制镜头通光量装置，它通常是在镜头内，表达光圈大小。用用F值来表示，如值来表示，如f1.4，f2，f2.8 etc.相对孔径是镜头入瞳直径与焦距的比相对孔径是镜头入瞳直径与焦距的比值，与光圈的值，与光圈的F值是倒数关系。值是倒数关系。焦距焦距焦距是像方主面到像方焦点的距离。如焦距是像方主面到像方焦点的距离。如16mm,25mm第一节 工业镜头40第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、镜头基本概念（6）分辨率分辨率测量系统能够重现的最小的细节的尺寸测量系统能够重现的最小的细节的尺寸常常用每毫米线对来表示，也就是根常常用每毫米线对来表示，也就是根据这个镜头能够分辨一毫米内多少对直线。选择镜头的时候必须注意厂商给据这个镜头能够分辨一毫米内多少对直线。选择镜头的时候必须注意厂商给出的分辨率的定义方式。出的分辨率的定义方式。lp/mm(line pair per mm)lp/mm是表征分辨率的最简单的指标，但不是最佳指标，最佳的指标是镜是表征分辨率的最简单的指标，但不是最佳指标，最佳的指标是镜头的调制传递函数头的调制传递函数MTF。第一节 工业镜头41第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、镜头基本概念（7）镜头的调制传递函数镜头的调制传递函数MTF第一节 工业镜头42第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、镜头基本概念（8）镜头的调制传递函数镜头的调制传递函数MTF第一节 工业镜头43第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、镜头基本概念（9）镜头的调制传递函数镜头的调制传递函数MTFMTF能够同时表征系统重现物方空间的几何和灰度细节能力，是衡量成像系统性能的最佳方式。对于一个实际的成像系统，细节密集地方的对比度要小于细节稀疏位置的对比度成像系统中的每个环节都对系统最终的MTF产生影像，包括滤色片，镜头，图象传感器，后期处理电路等等。第一节 工业镜头44第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、镜头基本概念（10）系统的调制传递函数系统的调制传递函数MTF第一节 工业镜头45第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识二、镜头的分类（1）按照按照等效焦距等效焦距分为分为广角镜头广角镜头 等效焦距小于标准镜头（等效焦距为等效焦距小于标准镜头（等效焦距为50mm）的镜头。特点是最小工作距离短，）的镜头。特点是最小工作距离短，景深大，视角大。常常表现为桶形畸变。景深大，视角大。常常表现为桶形畸变。中焦距镜头中焦距镜头 焦距介于广角镜头和长焦镜头之间的镜头。通常情况下畸变校正较好。焦距介于广角镜头和长焦镜头之间的镜头。通常情况下畸变校正较好。长焦距镜头长焦距镜头 等效焦距超过等效焦距超过200mm的镜头。工作距离长，放大比大，畸变常常表现为枕形状畸的镜头。工作距离长，放大比大，畸变常常表现为枕形状畸变。变。等效焦距计算方法：等效焦距计算方法：实际焦距实际焦距43mm 镜头成像圆的直径镜头成像圆的直径第一节 工业镜头46第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识二、镜头的分类（2）按照按照功能功能分分变焦距镜头变焦距镜头 镜头的焦距可以调节，镜头的视角，视野可变镜头的焦距可以调节，镜头的视角，视野可变定焦距镜头定焦距镜头 镜头的焦距不能调节，镜头视角固定。聚焦位置和光圈可以调节镜头的焦距不能调节，镜头视角固定。聚焦位置和光圈可以调节定光圈镜头定光圈镜头 光圈不能调节，通常情况下聚焦也不能调节。光圈不能调节，通常情况下聚焦也不能调节。第一节 工业镜头47第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识二、镜头的分类（3）按照按照用途用途分分微距镜头（或者称为显微镜头）微距镜头（或者称为显微镜头）用于拍摄较小的目标具有很大的放大比用于拍摄较小的目标具有很大的放大比远心镜头远心镜头 包括物方远心镜头和像方远心镜头以及双边远心镜头。包括物方远心镜头和像方远心镜头以及双边远心镜头。第一节 工业镜头48第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识二、镜头的分类（4）关于远心镜头关于远心镜头 远心指的是一种光学的设计模式：系统的出瞳和入瞳的位置在无限远处。远心指的是一种光学的设计模式：系统的出瞳和入瞳的位置在无限远处。第一节 工业镜头49第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识二、镜头的分类（5）远心镜头特性远心镜头特性 物方远心镜头可以消除透视畸变，像方远心镜头可以获得更好的像面照度的均匀物方远心镜头可以消除透视畸变，像方远心镜头可以获得更好的像面照度的均匀性。性。第一节 工业镜头50第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识二、镜头各个参数间关系（1）q光圈大通光能力大，光圈小通光能力小；q光圈小则景深大，光圈大则景深小；第一节 工业镜头51第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识二、镜头各个参数间关系（2）q焦距越大，景深越短q景深较短第一节 工业镜头52第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识三、镜头各个参数间关系（3）第一节 工业镜头正确曝光所需光量 （相当于桶的容积，正确拍照标准是得到恰好的光量。正确曝光的标准就是用“水”将这个“桶”充满）工作距离 （距离越远，所需时间越长）光圈 （相当于水龙头开关，开得越大，所需时间越短）光线强度 （相当于水压，水压越大，所需时间越短）光线 （相当于水）正确曝光时间 （相当于以当前的水压、龙头开关大小、距离，将桶装满的时间53第一节 CCTVCCTV镜头镜头专业摄影镜头专业摄影镜头远心镜头远心镜头价格价格低低中中高高分辨率分辨率低低（20L/MM20L/MM）中中（4080L/MM4080L/MM）高高畸变畸变高高中中低低焦距选择范围焦距选择范围广泛广泛25MM/75MM/50MM25MM/75MM/50MM广泛广泛25MM/75MM/50MM25MM/75MM/50MM狭窄狭窄使用灵活性使用灵活性高高中中低低适合应用适合应用低精度测量低精度测量/简单简单检测检测标准精度测量标准精度测量/定定位位高精度测量高精度测量/纵深纵深测量测量四、常见镜头对比第三讲：机器视觉光学系统选型54讨论与答疑第一节 工业镜头第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识55第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识基本概念基本概念基本结构基本结构成像原理成像原理分类与发展趋势分类与发展趋势第二节 工业相机第二节 工业相机内容提要56第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、工业相机的基本概念（1）传感器的尺寸传感器的尺寸 图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接决定了整个系图像传感器感光区域的面积大小。这个尺寸直接决定了整个系统的物理放大率。如：统的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。绝大多数模拟相机的传等。绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是感器的长宽比例是4:3(H:V)，数字相机的长宽比例则包括多，数字相机的长宽比例则包括多种：种：1:1,16:9,3:2 etc.第二节 工业相机57第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、工业相机的基本概念（2）物理放大率物理放大率 传感器感光面积于视野的比值，整个参数基本取决于镜头传感器感光面积于视野的比值，整个参数基本取决于镜头系统放大率系统放大率 最后显示环节上目标的尺寸于实际目标尺寸的比值。系统放大率取决最后显示环节上目标的尺寸于实际目标尺寸的比值。系统放大率取决于物理放大率和显示系统的阐述。对于自动测量和检测系统而言，物于物理放大率和显示系统的阐述。对于自动测量和检测系统而言，物理放大率具有关键的意义。系统放大率仅仅对于需要人机交互进行检理放大率具有关键的意义。系统放大率仅仅对于需要人机交互进行检测的系统有意义测的系统有意义像素（像素（Pixel=picture+element）传感器感光面上最小感光单位。传感器感光面上最小感光单位。第二节 工业相机58第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、工业相机的基本概念（3）分辨率分辨率(Resolution)模拟制式相机的分辨率取决于传感器上像素的数目以及后期处理电路的质量，模拟制式相机的分辨率取决于传感器上像素的数目以及后期处理电路的质量，数字相机的传分辨率则直接取决与传感器上像素的数目。数字相机的传分辨率则直接取决与传感器上像素的数目。480768640480760574美制 RS 170 Norm欧制 CCIR-Norm第二节 工业相机59第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、工业相机的基本概念（4）像素长宽比像素长宽比 指传感器上像素水平和垂直方向节距的比值，对于正方形的象素来说，其指传感器上像素水平和垂直方向节距的比值，对于正方形的象素来说，其比值为比值为1：1。此参数，对于系统的标定有直接影响。此参数，对于系统的标定有直接影响。快门速度（快门速度（Shutter Speed）CCD/CMOS相机多数采用电子快门，通过电信号脉冲的宽度来控制传感器相机多数采用电子快门，通过电信号脉冲的宽度来控制传感器的光积分（曝光）时间。对于一般性能的的相机快门速度可以达到的光积分（曝光）时间。对于一般性能的的相机快门速度可以达到1/10000-1/100000秒。秒。帧频率（帧频率（Frame Rate）相机每秒中能够输出图象的帧数，对于模拟制式相机，这个频率是固定值，相机每秒中能够输出图象的帧数，对于模拟制式相机，这个频率是固定值，对于数字相机，是个可变的值。对于数字相机，是个可变的值。像素速率（像素速率（Pixel Rate）相机每秒中能够输出像素的个数，仅仅对于数字相机有意义。相机每秒中能够输出像素的个数，仅仅对于数字相机有意义。第二节 工业相机60第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、工业相机的基本概念（5）卷帘快门（卷帘快门（Rolling Shutter）多数多数CMOS图象传感器上使用的快门，其特征是逐行曝光，每一行的曝光时间图象传感器上使用的快门，其特征是逐行曝光，每一行的曝光时间不一致。不一致。全局快门（全局快门（Global Shutter）CCD传感器和极少数传感器和极少数CMOS传感器采用的快门，传感器上所有像素同时刻曝传感器采用的快门，传感器上所有像素同时刻曝光。光。第二节 工业相机61第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、工业相机的基本概念（6）相机扫描方式相机扫描方式l隔行扫描（隔行扫描（Interlace）35246第二节 工业相机62第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、工业相机的基本概念（7）相机扫描方式相机扫描方式 逐行扫描（逐行扫描（Progressive scan）35241第二节 工业相机63第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、工业相机的基本概念（8）异步触发异步触发 通常情况下相机是一帧一帧拍摄的，所以进行高速拍摄的时候最高的同步精度不通常情况下相机是一帧一帧拍摄的，所以进行高速拍摄的时候最高的同步精度不可能超过一帧图像的周期，对于某些支持异步触发的相机，可以在当前帧扫描可能超过一帧图像的周期，对于某些支持异步触发的相机，可以在当前帧扫描尚未完成的情况下，将当前帧抛弃，直接开始新一帧图象的扫描，可以使得告尚未完成的情况下，将当前帧抛弃，直接开始新一帧图象的扫描，可以使得告诉拍摄的同步精度达到一行的扫描周期。诉拍摄的同步精度达到一行的扫描周期。最低照度最低照度 又称灵敏度，衡量相机对光线敏感程度的指标。通常情况下是指相机获得又称灵敏度，衡量相机对光线敏感程度的指标。通常情况下是指相机获得30最最大输出值时候所需的照度。单位是大输出值时候所需的照度。单位是Lux。局部扫描局部扫描 多数数字相机支持仅仅输出传感器上某一部分像素，这些像素位于某个矩形窗口多数数字相机支持仅仅输出传感器上某一部分像素，这些像素位于某个矩形窗口内。通过具备扫描可以获得更高的桢频率。内。通过具备扫描可以获得更高的桢频率。第二节 工业相机64第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、工业相机的基本概念（9）传感器的光谱传感器的光谱下面是一个典型的下面是一个典型的CCDCCD图像传感器对于不同光谱的响应曲线图像传感器对于不同光谱的响应曲线。第二节 工业相机65第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识一、工业相机的基本概念（10）信号格式信号格式模拟图象信号的格式包括：复合视频信号，模拟图象信号的格式包括：复合视频信号，Y/C分离信号，分离信号，RGB分量信号。绝大多数周边设备都能够兼容这些信号格式。通常分量信号。绝大多数周边设备都能够兼容这些信号格式。通常情况下对于彩色视频信号，情况下对于彩色视频信号，Y/C分离传输的方式优于复合视频传分离传输的方式优于复合视频传输的方式，输的方式，RGB分量传输的方式又优于分量传输的方式又优于Y/C分离传输方式。分离传输方式。数字相机的信号传输格式更为复杂，目前普遍应用的包括：数字相机的信号传输格式更为复杂，目前普遍应用的包括：*IEEE-1394(Fire Wire)*USB2.0 *CameraLink *Ethernet，包括传输未经压缩影像的千兆协议和传输经过压缩，包括传输未经压缩影像的千兆协议和传输经过压缩影像的百兆协议。影像的百兆协议。上述数字相机的传输方式无论是在机械上还是在电气上都是不上述数字相机的传输方式无论是在机械上还是在电气上都是不兼容的。兼容的。第二节 工业相机66第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识二、工业相机的基本结构Digital Image Processing ModuleLens MountIR FilterImage SensorDrive CircuitTransmitting Controller Video SignalChannel to control the camera 机器视觉培训系列教程（基础入培训）第二节 工业相机67第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识三、工业相机的基本原理1图像传感器（图像传感器（Image sensorImage sensor）：是一个由）：是一个由N N行及行及M M列感光单元（列感光单元（CCD PixelCCD Pixel）组成的矩阵。组成的矩阵。CCDCCD的基本工作原理：当光子撞击到硅原子上时，会产生自由电子，再将这的基本工作原理：当光子撞击到硅原子上时，会产生自由电子，再将这些自由电子收集在一起形成信号。些自由电子收集在一起形成信号。感光单元(CCD Pixcel)工作原理第二节 工业相机68第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识三、工业相机的基本原理2CCD的电荷存储器：能够存储一定量的电子。将电子释放出来之后所形成的的电荷存储器：能够存储一定量的电子。将电子释放出来之后所形成的电流，便可以量化地代表感光面上某点的明暗信息。电流，便可以量化地代表感光面上某点的明暗信息。CCD成象的成象的“溢出溢出”（Blooming）问题：当）问题：当CCD象素接收到过多的光子，象素接收到过多的光子，存储器中所收集的自由电子就会向周边的象素存储器中所收集的自由电子就会向周边的象素“溢出溢出”。致使整个区域成象。致使整个区域成象变亮。变亮。光子CCD象素自由电子溢出第二节 工业相机69第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识三、工业相机的基本原理3相机拍照时间示意图相机拍照时间示意图l电子快门时间可由用户自己设置。但相机传输速率（电子快门时间可由用户自己设置。但相机传输速率（Frame rateFrame rate）是相对固定的。）是相对固定的。因此，传输速率是相机的成像速度的因此，传输速率是相机的成像速度的“瓶颈瓶颈”。例：电子快门速度可达。例：电子快门速度可达1/10001/1000秒，秒，但成像却只能达到但成像却只能达到6060帧帧/秒。秒。电子快门时间图象传输时间单帧图象完整拍照时间第二节 工业相机70第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识按照图象传感器区分按照图象传感器区分CCDCCD相机：使用相机：使用CCDCCD感光芯片为图象传感器的相机感光芯片为图象传感器的相机 CMOSCMOS相机：使用相机：使用CMOSCMOS感光芯片为图象传感器的相机感光芯片为图象传感器的相机 按照输出图像颜色区分：按照输出图像颜色区分：单色相机：输出图象为单色图像的相机。单色相机：输出图象为单色图像的相机。彩色相机：输出图象为彩色图像的相机。彩色相机：输出图象为彩色图像的相机。四、工业相机分类（1）第二节 工业相机71第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识按照传感器类型区分按照传感器类型区分面扫描相机面扫描相机传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图象为二维传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图象为二维“面面”图象。图象。线扫描相机线扫描相机传感器上呈线状（一行或三行）分布的摄像机，其所成图象为一维传感器上呈线状（一行或三行）分布的摄像机，其所成图象为一维“线线”图象。图象。四、工业相机分类（2）第二节 工业相机72第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识按输出信号区分按输出信号区分 模拟信号相机模拟信号相机从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信号，后再传到图象采集卡中。号，后再传到图象采集卡中。数字信号相机数字信号相机信号自传感器中的像素输出后，在相机内部直接数字化并输出。信号自传感器中的像素输出后，在相机内部直接数字化并输出。四、工业相机分类（3）第二节 工业相机73第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识四、工业相机分类（5）彩色VS黑白 黑白相机的每个像素仅仅采集亮度信号，对于彩色相机，则是借助于一个Bayer滤色片让每个像素来采集图象特定的色彩分量，然后利用后期的电路再重建出真实色彩，所以黑白相机的分辨率通常比具有同样像素数目和同级别后期处理电路的彩色相机搞出1020（in TVL).此外由于没有覆盖Bayer滤色片，黑白相机在弱光下面的灵敏度也更好一些。但是彩色相机在检测那些具有色彩敏感信息的目标的时候具有突出的优势。当然黑白相机也可以通过对光源色彩的控制实现这一功能。如果需要更高质量的彩色视频，就需要采用3CCD技术的彩色相机。第二节 工业相机74第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识四、工业相机分类（6）模拟相机 VS.数字相机 相对来说模拟相机的价格比较低廉，使用比较简单。但是模拟相机存在一个分辨率和帧频率的上限，而且对于传输过程中的噪声和损耗也较为敏感。数字相机，通常具有更高的分辨率，当然价格也更昂贵，而且牵涉到比较复杂的安装调试工作，即使这个系统只需要最简单的功能，数字相机的传输距离通常较模拟相机短。第二节 工业相机75第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识数字相机最终将取代传统模拟相机数字相机最终将取代传统模拟相机CMOS芯片最终将取代传统芯片最终将取代传统CCD芯片芯片CAMERALINK数字接口技术将流行数字接口技术将流行FIREWIRE数字接口采集卡将被广泛使用数字接口采集卡将被广泛使用专业的机器视觉专用相机将成为发展趋势专业的机器视觉专用相机将成为发展趋势五、工业相机的发展趋势第二节 工业相机76讨论与答疑第二节 工业相机第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识77第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识概述概述光源的种类光源的种类光源的照射方式光源的照射方式颜色选择颜色选择第三节 机器视觉光源第三节 机器视觉光源内容提要78第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识第三节 机器视觉光源概述l照明系统是机器视觉系统最为关键的部分，往往关系到系统的成败l目的：将目标与背景尽可能地明显区分l穏定均匀的光源極其重要l光源是基准，打光是艺术79第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识第三节 机器视觉光源光源的种类高频荧光灯光纤卤素光源LED光源80第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识第三节 机器视觉光源光源照射方高频荧光灯光纤卤素光源LED光源81q光源照射方式：背光测量系统的最佳选择第三节 机器视觉光源第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识82高角度照明q光源照射方式：亮场最直接的照明第三节 机器视觉光源第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识83低角度照明光源照射方式：暗场光源照射方式：暗场适合光滑表面适合光滑表面的照明的照明第三节 机器视觉光源第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识84三维深度信息激光或线性光源固定角度照射光源照射方式：结构光光源照射方式：结构光最简便的三最简便的三维测量方法维测量方法第三节 机器视觉光源第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识85待测物长度信息待测物高度信息光源照射方式：光源照射方式：影子的利用影子的利用最不直接的测最不直接的测量量第三节 机器视觉光源第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识8650%分束片光源照射方式：光源照射方式：同轴光同轴光昂贵的灯昂贵的灯第三节 机器视觉光源第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识87q光源颜色选择第三节 机器视觉光源第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识88第三节 机器视觉光源第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识89常用灯源分析萤光灯萤光灯卤素灯卤素灯+光纤导管光纤导管LEDLED灯源灯源价格价格低低高高中中亮度亮度低低高高中中稳定性稳定性低低中中高高闪光装置闪光装置无无无无有有使用寿命使用寿命中中低低高高光线均匀度光线均匀度高高中中低低多色光多色光无无无无有有复杂设计复杂设计低低中中高高温度影响温度影响中中低低高高第三节 机器视觉光源第二讲：机器视觉中的图像采集技术硬件基础知识90机器视觉光学系统选型第三讲机器视觉培训系列教程91第三讲：机器视觉光学系统选型获得完美图像的获得完美图像的6 6大要素大要素光学系统选型流程光学系统选型流程如何选择相机如何选择相机如何选择镜头如何选择镜头如何选择光源如何选择光源内容提要92第一节 一、获得完美图像的6大要素（1）：高系统精度系统精度（系统精度（System accuracySystem accuracy）X X方向系统精度（方向系统精度（X X方向象素值）方向象素值）视野范围（视野范围（X X方向）方向）CCD CCD芯片象素芯片象素数量（数量（X X方向）方向）Y Y方向系统