2020-10-05

如何进行机器视觉系统的选型？

1.什么是机器视觉？
机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品(即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种)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，得到被摄目标的形态信息，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。
2.机器视觉的特点?
1） 重复性
机器可以以相同的方法一次一次的完成检测工作而不会感到疲倦。与此相反，
人眼每次检测产品时都会有细微的不同，即使产品时完全相同的。
2） 精确性
由于人眼有物理条件的限制，在精确性上机器有明显的优点。即使人眼依靠
放大镜或显微镜来检测产品，机器仍然会更加精确，因为它的精度能够达到千分之一英寸。速度机器能够更快的检测产品。特别是当检测高速运动的物体时，比如说生产线上，机器能够提高生产效率。
3） 客观性
人眼检测还有一个致命的缺陷，就是情绪带来的主观性，检测结果会随工人
心情的好坏产生变化，而机器没有喜怒哀乐，检测的结果自然非常可观可靠。
4） 成本效率高
由于机器比人快，一台自动检测机器能够承担好几个人的任务。而且机器不
需要停顿、不会生病、能够连续工作，所以能够极大的提高生产效率。
5） 灵活性
机器视觉系统能够进行各种不同的测量。
3.机器视觉系统组成
机器视觉系统主要由以下三部分组成：
1） 图像采集单元；
2） 图像处理单元；
3） 图像处理输出单元。
4. 机器视觉系统硬件组成
1）镜头
机器视觉系统获取图像的窗口。
2）光源
光源是影响机器视觉系统输入的重要因素，因为它直接影响输入数据的质量，实际应用中其作用占到整个检测工作80%的应用效果。
3）相机主体 – 机器视觉
机器视觉系统的核心部分，完成视觉检测的图像采集和图像处理以及输出。
5. 机器视觉产品的分类
1）基于PC的板卡式（PC-based）视觉系统
基于PC的视觉系统利用了PC的开放性、高度灵活编程性以及良好的windows界面，同时系统总体成本较低，PC-Based系统内含高性能图像捕获卡，一般可接多个镜头，并提供库函数支持。
2）嵌入式，智能相机（SmartCamera）
智能相机是一种高度微型化的微小型机器视觉系统，它将图像采集、处理和通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。
智能相机分类：
1） 独立式
2） 智能式
因此，如下三种类型的机器视觉产品构成了视觉的主体：
1） 独立式(Stand-alone)
2） 智能式(Smart-Camera)
3） 板卡式（PC-BASE）
5. 独立式(Stand-alone) 智能相机
市场上独立式机器视觉产品主要以日系厂商为主，其代表厂商有：
1） 基恩士（KEYENCE）：CV-3000,XG-7000等;
2） 欧姆龙（OMRON）：FZ3,ZFX等;
3） 松下（Panasonic）：A210,PV200等。
6. 智能式(Smart-Camera) 智能相机
市场上智能式机器视觉产品主要以欧美厂商为主，其代表厂商有：
1） 康耐视（CONGEX）：IN-SIGHT等；
2） DALSL:BOA等；
3） 邦纳（BANNER）:P4系列。
7.镜头种类
1）CCTV镜头
CCTV镜头应用于闭路电视（Closed Circuit TV）中，主要应用在FA领域的检测和防盗、防灾领域监视等用途。由于镜片的数量较少，结构比较简单，因此体积较小并且成本较低。
一般来说，其特征为无论焦物距为多少，都可以进行均衡的象差校正。
比如：一般的CCTV镜头CV-L系列，与低失真镜头CA-LHR系列。两者不同在于：KEYENCE的图像处理用镜头在内部使用8块低色散镜片，与一般的CCTV镜头相比，它进行了特殊的光学设计，可以将歪斜和色差控制在最小范围内。
3） 远心镜头
远心镜头是一种通过排列使得主光线通过焦点的镜头，设计时使其在视觉接
近00 的状态下进行，也就是说主光线相对于镜头光轴将平行进行。由于与光轴平行，因此很难发生扭曲像差（失真），可以高精度的捕捉拍摄对象的尺寸和位置。在图像处理时需要高倍率低失真，景深深时，远心镜头将发挥其真正的价值。
远心镜头效果
原来的图像清晰，如果CCD、工件之间距离变动3mm时，远心镜头对焦状态下拍摄对象尺寸不会发生变化。一般的CCTV镜头，对焦模糊，拍摄对象尺寸会发生变化。
8. 板卡式（PC-BASE）
市场上板卡式机器视觉产品多以出售软件为主，以国产居多，其代表厂商有：
1）北京大恒图像；
2）凌云光子；
3）康耐视（CONGEX）。
9.镜头的特性
FA行业的图像处理一般将拍摄对象到镜头的距离称为WD（工作距离），将拍摄范围称为视野。视野由镜头的种类和WD、CCD的英尺尺寸来决定。
1）工作距离（WD）
表示焦点对准拍摄对象时，镜头顶端到拍摄对象的距离。当为CCD时，比例公式工作距离 ：视野 = 焦点距离 ：CCD尺寸 成立。
2）焦点距离
FA镜头中有代表性的镜头为焦点距离为8mm/16mm/25mm/50mm等规格的镜头。根据想要拍摄的对象所需的视野和焦点距离，可以求出对焦位置 = WD（工作距离）。WD和视野的大小由镜头的焦点距离和CCD的尺寸来决定，在无需连接环的最近距离上，可以套用以下公式: WD ：视野 = 焦点距离 ：CCD尺寸
3）视野
工作距离范围中的拍摄范围。一般来说，拍摄对象和镜头的工作距离越长，则视野越广（视野角）。另外，视野的广度由镜头的焦点距离来决定。将相对于视野，使用镜头可以拍摄的范围角度称为视角或者视野角。镜头的焦点距离越短，则视角越大，视野也就越广。相反，焦点距离越长，则可以放大远处的拍摄对象。
4） 景深
景深是指人感觉镜头对焦的深度范围（拍摄物体侧的距离）。范围较大时，称
为景深深，相反范围较小时，称为景深浅。严谨来说，对焦位置只有一个，只不过肉眼在一定的范围内感觉图像能够清晰成像。将此范围称为景深。
5） 镜头的分辨率
镜头的分辨率不光使用在图像处理中，它是指所有光学测试仪器中使用的镜
头可以观察的最小间隔。如分辨率为10um的镜头，可以清晰的观察线宽为10um、间距为10um并列条纹线。分辨率不足时，人们感觉2根线好像重叠在一起，因此不适用于精度要求较高的检测。镜头的分辨率可以用瑞利极限公式来表示。
想要提高分辨率，则增大对象镜头的开口数（N.A.）是十分重要的。
6） 镜头的倍率
镜头的倍率是指检测对象的实际大小与通过光学测量仪器成像大小的比率。
以往在通过显微镜的接眼部观察时，使用光学倍率概念，但是由于今年来可以将观察对象物显示在液晶显示器上的系统不断增多，显示器倍率这一概念已经普及。
光学倍率
用数码相机的原理考虑时，光学倍率可以通过（CCD有效像素大小 / 视野）来求得。
显示器倍率
显示器倍率可以通过（显示器对角 / CCD素子对角 *光学倍率））
7） F值
F值（或者光圈值）是指表示镜头的明亮度的基准。准确来说，就是镜头的焦
点距离除以镜头直径得到的值。
F = f / D
F: F值；
f: 镜头的焦点距离;
D: 镜头直径
事实上，镜头并不会让所有光线透过，其中的一部分会反射。而且，为了减
少像素差使用多个镜头时，透过的光量会变少。因此，光的透过量较多，可以获得明亮成像的镜头，称为亮，相反，称为暗。可以大大影响镜头明暗的要素之一，就是镜头的焦点距离和直径的关系，也即F值，这个值较小的镜头称为亮镜头，较大的镜头称为暗镜头。一般小型相机都会在镜头旁刻上（F = 2.5）(1:2.5)的标记，这就表示F值为2.5。在相机镜头的性能上，如果F值达到2.0左右，则表示这个相机的明亮登记非常高。
8） 像素
像素是指图像的最小构成单位。电脑中的图像，是通过像素这一规则排列的
点的集合进行表示的。每一个点都拥有色调和阶调等色彩信息，由此就可以描绘出彩色的图像。
例如：显示器上显示分辨率为1280 * 1024，表示横向的像素数为1280，纵向的像素数为1024，总像素数为1280 * 1024 = 1310720.像素数越多，则越可以表现出图像的细节，因此也可以说清晰度更高。
9）像素直径
像素直径是指每个CCD元件的大小，通常使用um作为单位。严谨来说，这个大小中包含了受光元件与信号传送通路。也就是说，像素直径与像素间距的值是一样的。如果像素直径较小，则图像将通过较小的像素进行描绘，因此可以获得更加精细的图像。可以通过像素直径和有效像素数，求出CCD元件的受光部的大小。
例如：假设某个CCD元件的条件如下：
有效像素数 ： 768 * 484
像素直径：8.4um * 9.8um
受光部的大小：
横向：768 * 8.4um = 6.4512mm
纵向：484 * 9.8um = 4.7432mm
10. CCD与CMOS区别
CCD与CMOS都称为感光元件，都是讲光学图像转换为电子信号的半导体元件。他们在检测光时都采用光电二极管，但是在信号的读取和制造方法上存在不同。区别如下：
CCD CMOS
制造技术 比较困难 比较容易
制造成本 高价 低价
消耗电力 多 少
干扰 比较少 比较多
对光的灵敏度 高 不如CCD
11.快门速度
表示CCD或CMOS感光元件中蓄积电荷的时间。如果快门速度为1/250，则蓄积光的时间为1/250秒。快门速度越快，则元件的受光量越少，相反，如果快门速度越慢，则元件的受光量越多。也可以说，快门速度将起到了调整光量的作用。关于快门速度和受光量（正确来说应该成为蓄积的电荷量），存在以下的关系：
例如：如果将快门速度基准定位1/1000秒（1ms），则：
快门速度变为1/500秒（2ms），则受光量变为2倍。
快门速度变为1/2000秒（0.5ms），则受光量变为1/2。
12.增益
增益是指将图像信号进行电子增幅的过程。
用于图像处理的CCD中，配备了可以通过在暗处拍摄时增幅信号，从而看上去变得明亮的功能。另外，还配有根据拍摄对象的亮度自动进行调整的增益控制功能等。