机器视觉光学技术与应用.ppt

LUSTERLightVision 赵赵 严严 北北 京京 凌凌 云云 公公 司司2007年年7月月20日日机器视觉光学技术与应用LUSTERLightVision目录目录一、机器视觉系统概论一、机器视觉系统概论机器视觉系统构成机器视觉系统构成机器视觉成像系统解析机器视觉成像系统解析成像系统设计方法成像系统设计方法二、系统主要评价指标和测试方法二、系统主要评价指标和测试方法主要指标意义主要指标意义调试方法调试方法三、新产品技术介绍三、新产品技术介绍LUSTERLightVision一、机器视觉系统概论一、机器视觉系统概论1.1.机器视觉系统构成机器视觉系统构成概念：“机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。”“机器视觉是通过光学的装置和非接触的传感器自动地接收和处理一个真实物体的图像，以获得所需信息或用于控制机器人运动的装置”。SME 和RIA LUSTERLightVision机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度自动化程度：非接触检测；环境适应性高；检测效率高；检测精度高；采用计算机和图像处理技术，能够进行智能化检测LUSTERLightVision2.2.机器视觉系统组成机器视觉系统组成机器视觉系统主要由三部分组成：图像的获取、图像的处理和分析、输出。图像采集：光学系统采集图像，图像转换成模拟格式并传入计算机存储器。图像处理和分析：处理器运用不同的算法来提高对结论有重要影响的图像要素并形成数据作为判决依据。判决和输出：处理器的控制程序根据收到的数据做出结论并输出信息作反馈控制等应用。LUSTERLightVision 一个典型的工业机器视觉系统包括：光源、镜头、CCD照相机、图像处理单元（或图像捕获卡）、图像处理软件、监视器、通讯/输入输出单元等。LUSTERLightVisionLUSTERLightVision 2.2.机器视觉成像系统解析机器视觉成像系统解析2.12.1成像系统地位意义：成像系统地位意义：它是决定系统成败的最重要因素它是决定系统成败的最重要因素 “Garbage in,garbage out”-Garbage in,garbage out”-垃圾图像垃圾图像 输入，垃圾图像输出输入，垃圾图像输出 系统应用不同，图像效果要求也不相同，系统应用不同，图像效果要求也不相同，追求追求 最佳性价比最佳性价比 LUSTERLightVision2.22.2系统元件解析系统元件解析1）光源）光源光源是影响机器视觉系统输入的重要因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和至素，因为它直接影响输入数据的质量和至少少30%的应用效果。的应用效果。背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明背向照明、前向照明、结构光和频闪光照明等。等。LUSTERLightVision机器视觉系统对光源的要求机器视觉系统对光源的要求高亮度 高速扫描、高速成像，要求曝光时间短的场合；高均匀性 表面检测、缺陷检测，利用灰度差异进行检测的场合；低功耗 移动设备、便携检测系统；长寿命 任何场合，节约成本和维护费用；光谱特性 利用光谱单色性检测的场合；与传统光源相比，LED光源具有功率密度高，能耗低，长寿命，电光响应快，光谱单色性好等突出优点。是机器视觉专用光源的发展方向。LUSTERLightVision提高图像亮度的方法提高图像亮度的方法采用高亮发光器件采用高亮发光器件采用透射或反射式聚光系统采用透射或反射式聚光系统采用柱透镜汇聚亮度提高采用柱透镜汇聚亮度提高1倍倍但工作距离限定在最佳汇聚位置但工作距离限定在最佳汇聚位置增加光源数量增加光源数量2条光源亮度约为条光源亮度约为1条光源亮度的条光源亮度的2倍倍安装空间的约束安装空间的约束缩短光源与目标之间的距离缩短光源与目标之间的距离其他其他增大光圈增大光圈与通光孔径大小成平方正比关系与通光孔径大小成平方正比关系牺牲系统景深为代价牺牲系统景深为代价增大增大CCD增益增益信噪比降低，图像质量下降信噪比降低，图像质量下降LUSTERLightVision光源均匀性设计光源均匀性设计发光原理上荧光灯管的均匀性很好，而发光原理上荧光灯管的均匀性很好，而LED光源光源高均匀性难度大得多高均匀性难度大得多芯片或单管筛选芯片或单管筛选电光效率、封装工艺、焊接工艺电光效率、封装工艺、焊接工艺均匀性设计均匀性设计排列方式：间距、角度排列方式：间距、角度电气设计电气设计独立驱动或调校，工艺复杂独立驱动或调校，工艺复杂反射或散射反射或散射损失光亮度损失光亮度LUSTERLightVision光谱特性光谱特性单色光源单色光源利用补色原理进行检测利用补色原理进行检测白色光源白色光源颜色检测颜色检测红外、紫外光源红外、紫外光源红外检测、荧光检测红外检测、荧光检测LUSTERLightVision光谱特性光谱特性补色对成像的影响补色对成像的影响色材的三原色材的三原色色C C青緑青緑赤紫赤紫黄色黄色光的三原光的三原色色R R紅紅緑緑藍藍紅藍緑白黄青緑赤紫LUSTERLightVision光谱特性光谱特性补色对成像的影响补色对成像的影响（紫紅）（紫紅）（黄色）（黄色）C（青色）青色）(紅）紅）淡淡淡淡淡浓浓浓（緑）（緑）（藍（藍）淡LUSTERLightVision2）镜头）镜头主要参数：光圈、景深、相对孔径、视场角、口径、放大率、光圈、景深、相对孔径、视场角、口径、放大率、焦距焦距、传函、光谱传函、光谱几何光学成象公式（几何光学成象公式（BasicFormula）放大率（放大率（Magnification）视场（视场（FieldofView）工作距离（工作距离（WorkingDistance）分辨率（分辨率（Resolution）LUSTERLightVision光圈（光圈（Aperture）景深（景深（DepthofField）LUSTERLightVision光学传递函数（光学传递函数（ModulationTransferFunction）畸变（畸变（Distortion）快门速度快门速度(ShutterSpeed)安装方式（安装方式（Mount）LUSTERLightVision3）相机）相机成像器件：成像器件：CCD或或CMOS器件尺寸：器件尺寸：12英寸或其他尺寸英寸或其他尺寸像素（像素（pixel）：）：1024768像素尺寸像素尺寸(size)：6.56.5m像素深度像素深度(bitdepth)：810Bit帧频帧频(framerate)：30fps电子快门速度电子快门速度(electronicshutter)：160110000秒秒信噪比信噪比(signaltonoiseration)：60dB视频接口视频接口(videoout)：FireWire/IEEE1394b，6pin镜头接口镜头接口(lensmount)：C-Mount电源电源(power)：12VDC其他还包括：像面尺寸、时钟、行频（线阵）、积分时间其他还包括：像面尺寸、时钟、行频（线阵）、积分时间（线阵）、光谱响应度、是否制冷、工作环境等。（线阵）、光谱响应度、是否制冷、工作环境等。LUSTERLightVisionCCD摄像机的选择摄像机的选择彩色还是黑白？线阵还是面阵？彩色还是黑白？线阵还是面阵？什么接口？什么接口？多大尺寸？多大尺寸？镜头如何匹配？镜头如何匹配？LUSTERLightVision4）图像采集卡）图像采集卡图像采集卡主要完成对模拟视频信号的数字化过程。图像采集卡主要完成对模拟视频信号的数字化过程。视频信号首先经低通滤波器滤波，转换为在时间上连续的视频信号首先经低通滤波器滤波，转换为在时间上连续的模拟信号；模拟信号；按照应用系统对图像分辨率的要求，得用采样按照应用系统对图像分辨率的要求，得用采样/保持电路保持电路对边疆的视频信号在时间上进行间隔采样，把视频信号转对边疆的视频信号在时间上进行间隔采样，把视频信号转换为离散的模拟信号；换为离散的模拟信号；由由A/D转换器转变为数字信号输出。转换器转变为数字信号输出。图像采集处理卡在具有模数转换功能的同时，还具有对图像采集处理卡在具有模数转换功能的同时，还具有对视频图像分析、处理功能，并同时可对相机进行有效的控视频图像分析、处理功能，并同时可对相机进行有效的控制。制。LUSTERLightVision光学系统设计步骤光学系统设计步骤讨论LUSTERLightVisionLUSTERLightVision二、系统主要评价指标和测试方法二、系统主要评价指标和测试方法l视场、分辨率视场、分辨率lMTF、最佳焦面、最佳焦面l信噪比信噪比l均匀性均匀性LUSTERLightVision视场、分辨率视场、分辨率视场（Field of View）分辨率（Resolution）视场较大，检测效率高；分辨率高，检测精度高，二者均是表征检测性能的重要指标。视场和分辨率是一对矛盾，在相机像元数一定的情况下，视场越大，分辨率越低。LUSTERLightVisionMTF、最佳焦面、最佳焦面信息理论给调制度M的定义为：在同一系统中，将空间频率不同的原稿信号输入，把经过系统的调制度M与未经系统的调制度M之比，定义为调制传递函数MTF LUSTERLightVisionMTF是频率相关的；MTF是OTF的模值，表示振幅变化，PTF表示相位变化，成像光学系统是积分型，不考虑相位；目标点信号经过傅立叶变换可以看作是不同频率正弦信号的叠加的结果，低频反映了轮廓、层次（对比度），高频反应细节；LUSTERLightVisionMTF曲线曲线粗线是空间频率为10lp/mm的结果，细线是30lp/mm的；黑色曲线是最大光圈(对于这个镜头是F1.4)的，蓝色曲线是光圈F8(一般是最佳光圈)的；实线是S曲线(弧矢曲线)，虚线是M曲线(子午曲线)。LUSTERLightVision最佳焦面确定最佳焦面确定通过靶标计算不同视场通过靶标计算不同视场处的传函，给出过焦曲处的传函，给出过焦曲线线确定最佳焦面位置确定最佳焦面位置复测传函复测传函LUSTERLightVisionLUSTERLightVision信噪比信噪比噪声噪声LUSTERLightVision动态范围动态范围动态范围是比值，输入信号功率上限与下线的比值，下限为灵敏度。例如8位CCD的动态范围是：28：1=256：1 LUSTERLightVision信噪比信噪比 定义：测量方法：目标为白平衡纸。多次测量取平均值：信噪比=均值：标准差LUSTERLightVision均匀性均匀性图像处理的基本判别依据：灰度图像处理的基本判别依据：灰度图像均匀性是保证图像处理判别标准一致图像均匀性是保证图像处理判别标准一致性的基本条件。性的基本条件。LUSTERLightVision镜头渐晕镜头渐晕光学上定义：光学上定义：由于由于孔径光阑孔径光阑的限制，斜光束的宽度比轴上点的光束宽度小的限制，斜光束的宽度比轴上点的光束宽度小像平面边缘部分比像平面中心暗像平面边缘部分比像平面中心暗孔径光阑：孔径光阑：光圈（调节光能量）；光圈（调节光能量）；光学零件的外框，如透镜框（支撑透镜）光学零件的外框，如透镜框（支撑透镜）-DMNLUSTERLightVision均匀性均匀性校正校正渐晕产生结果渐晕产生结果LUSTERLightVision均匀性校正均匀性校正根据全视场范围内白场灰度分布，采用衰减补偿的方法，根据全视场范围内白场灰度分布，采用衰减补偿的方法，在线型对称光源前端，同时加形状如下图所示的透明模片，通过在线型对称光源前端，同时加形状如下图所示的透明模片，通过对光源照度分布的修正，补偿镜头渐晕带来的白场灰度分布不均对光源照度分布的修正，补偿镜头渐晕带来的白场灰度分布不均匀性。匀性。具体制作过程如下具体制作过程如下LUSTERLightVision三、新产品技术介绍三、新产品技术介绍大功率大功率LED线光源线光源彩色线阵相机彩色线阵相机PC30LUSTERLightVision提高提高LED线光源亮度线光源亮度采用大功率采用大功率LED光源光源高密度排列高密度排列采用非球面汇聚透镜采用非球面汇聚透镜采用柱透镜汇聚系统采用柱透镜汇聚系统LUSTERLightVision提高提高LED线光源亮度线光源亮度缩短工作距离：缩短工作距离：近距离，近似线性近距离，近似线性LED光源光照距离关系曲线LUSTERLightVision提高提高LED线光源亮度线光源亮度增加驱动电流增加驱动电流LED驱动电流与光输出关系曲线 注意：增加驱动电流可能导致光源寿命缩短LUSTERLightVisionLUSTERLightVision实例：1m大功率LED线光源用于印刷检测与普通高亮LED光源比较大功率大功率LED高亮高亮LED功耗功耗36W30W寿命寿命50000小时小时 10000小时小时聚光聚光柱透镜汇聚柱透镜汇聚无无100mm照度照度 30000lux10000luxLUSTERLightVisionDALSAPC30彩色线阵相机彩色线阵相机Color line scan camera using DALSAs trilinear CCD sensor chipResolution:2k&4k Speed:80 or 60 Mpixels/s per colorMax line rates:2k/14m4k/10m60 Mpixels/s22 kHz12 kHz80 Mpixels/s33 kHz18 kHzLUSTERLightVision三线阵间距小更好的紫外、蓝色响应率和白平衡能力高输出速率每种颜色高达80 Mpixels/s 防曝光过度溢出各颜色单独曝光8 位12 位Camera Link 接口特点LUSTERLightVision基本性能参数基本性能参数L3002K4KMountTypePixelSizeMax.LineRateDataFormatVideoOutputTypeHousingSize(LxWxH)WeightPowerRequirementsCenter-to-center-spacingPixelClockPC302K4K14.0mx14.0m10.0mx10.0m14.0mx14.0m10.0mx10.0m112m90m42m30m3x20MHz3x30MHz3x40or80MHz9.20kHz7.2kHz33kHz18kHz8,10bits8,12bitsCameraLink(Base)38.1x62.0 x62.041.3x71.0 x71.076mmx105mmx50mmMax.300gMax.450g12VDC(10%)12Vto15VF-mountF-mount,M58x0.75F-mountorM72x0.75LUSTERLightVision相近的光谱相应相近的光谱相应LUSTERLightVision更高的线速率更高的线速率2k4k9.2kHz7.2kHz更高的线速率可以显著提高系统的纵向分辨率。有助于提升系统的检出率。以棉花检测为例：棉流运动速度6m/s,线速率6 kHz 时，纵向分辨率只能达到1.0mm，检测精度较低。PC30可以使系统的纵向分辨率成倍提升，提高系统的检测精度。33kHz18kHz2k4kLUSTERLightVision更紧凑的芯片结构更紧凑的芯片结构42m30m2k4k2k4k112m90m更强的空间校正更稳定的抗干扰能力更好的色彩还原有色细丝、透明薄膜的检出率会显著提高。LUSTERLightVision LightPhoto diodesSignalcorrectedfor shadingCorrectionsignalSensorsignalSignal averagedover 8 pixelsPC30具有校正光照不均匀及镜头光阑效应的功能，从而可以获得均匀的图像。平场校正功能平场校正功能有有无无棉花异纤检测系统通道两侧暗中间亮，会对检出效果产生较大影响，PC30的平场校正功能可以有效解决这一问题。LUSTERLightVision自动白平衡功能自动白平衡功能有有无无LUSTERLightVision谢谢大家！