全是干货，机器视觉基础应用知识详解

随着工业4.0时代的到来，机器视觉在智能制造业领域的作用越来越重要，为了能让更多用户获取机器视觉的相关基础知识，包括机器视觉技术是如何工作的、它为什么是实现流程自动化和质量改进的正确选择等。维视教育为您准备了这篇机器视觉入门学习资料。

机器视觉是一门学科技术，广泛应用于生产制造检测等工业领域，用来保证产品质量，控制生产流程，感知环境等。机器视觉系统是将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

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

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：光线反射离开照相机

•光源—构造光源

使用不同照明技术对被测目标会产生不同的影响，以滚珠轴承为例：

•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–按照图像传感器区分

CCD相机：使用CCD感光芯片为图像传感器的相机,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。

CMOS相机：使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机 ,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器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。

•相机–按照输出图像颜色区分：

单色相机：输出图像为单色图像的相机。

彩色相机：输出图像为彩色图像的相机。

•相机–按输出信号区分

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，即普通视频信号后再传到图像采集卡中。

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。数字相机又包含1394相机、USB相机、Gige相机、CameraLink相机等

•相机–按照传感器类型区分

面扫描相机：传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图像为二维“面”图像。

线扫描相机：传感器上呈线状（一行或三行）分布的相机，其所成图像为一维“线”图像。

•相机–CMOS VS CCD

•相机–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统的物理放大率。如：1/3“、1/2”等。绝大多数模拟相机的传感器的长宽比例是4：3 (H：V)，数字相机的长宽比例则包括多种：1：1，4：3，3：2 等。

•相机–像素

是成像于相机芯片的图像的最小组成单位。以200万像素的相机为例，满屏有1600*1200个像素,成像于1/1.8英寸大小的CCD芯片。

•相机–分辨率

由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：1920（H）x 1080(V)，前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元，后面的数字表示像元的行数，即1080行。

•相机–帧率和行频

由相机的帧率/行频表示相机采集图像的频率，通常面阵相机用帧率表示，单位fps（Frame Per second），如30fps,表示相机在1秒钟内最多能采集30帧图像；线性相机通常用行频表示，单位KHz,如12KHz表示相机在1秒钟内最多能采集12000行图像数据。

•相机–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。

卷帘快门（Rolling Shutter）：多数CMOS图像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。

全局快门（Global Shutter）：CCD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光。

•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

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%，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

远心镜头

•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。采用远心物镜可以消除物距变化带来的测量误差，而远心物镜则可以消除CCD位置不准带来的测量误差。