高精度针孔检测设备
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2022-10-11 14:24:33 谈球吧(中国)
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⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，为了能让更多用户获取机器视觉的相关基础知识웃유ღ♋♂，包括机器视觉技术是如何工作的ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ、它为什么是实现流程自动化和质量改进的正确选择等①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。
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⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，控制生产流程⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，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⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ、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ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。
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⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，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⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。人工检测与机器视觉自动检测的主要区别有：
为了更好地理解机器视觉ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ，下面✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，我们来介绍在具体应用中的几种案例⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。
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㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉，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
机器视觉系统的组成
•图像获取：光源❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣、镜头♀☿☼☀☁☂☄、相机⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯、采集卡ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、机械平台
•图像处理与分析：工控主机⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓、图像处理分析软件ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ、图形交互界面⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。
•判决执行：电传单元㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦、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✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。
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❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，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⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，目标与背景的边界清晰
背景尽量淡化而且均匀㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，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
•相机
种类：线&面ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、隔/逐ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ、黑/彩ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ、数/模♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃、低/高✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅、CCD/CMOS
指标：象元尺寸㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦、分辨率ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ、靶面大小ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ、感应曲线ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ、动态范围㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉、灵敏度⒜⒝⒞⒟⒠⒡⒢⒣⒤、速度噪声☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；、填充因子⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾、体积㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉、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⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ、电荷转移ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ、信号读取于一体㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，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❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、图像信号放大器☾☽❄☃、信号读取电路❣❦❧♡۵、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⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ。
•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✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。
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⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，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✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，在相机内部直接数字化并输出⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。数字相机又包含1394相机⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯、USB相机ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ、Gige相机웃유ღ♋♂、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ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，其所成图像为二维面图像①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯。
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
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CCD |
CMOS |
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串行处理 |
并行处理 |
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光线灵敏度高⒥⒦⒧⒨⒩⒪⒫⒬⒭⒮⒯⒰⒱⒲⒳⒴⒵❆❇❈❉❊†☨✞✝☥☦☓☩☯，图像对比度高 |
光线灵敏度低ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，图像对比度低⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，高动态范围 |
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低噪声 |
存在固定模式噪音 |
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集成度较低 |
高集成度♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，芯片上集成了很多功能 |
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取图速度慢ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，帧率低 |
取图速度块✵✶✷✸✹✺✻✼❄❅，帧率高 |
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功耗一般 |
功耗较低 |
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成本较高 |
成本低 |
•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⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。如：1/3✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥、1/2等⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。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♀☿☼☀☁☂☄，4：3⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，3：2 等㊀㊁㊂㊃㊄㊅㊆㊇㊈㊉。
•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ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ，满屏有1600*1200个像素,成像于1/1.8英寸大小的CCD芯片✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥。
•相机--分辨率
由相机所采用的芯片分辨率决定⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，是芯片靶面排列的像元数量ⅲⅳⅴⅵⅶⅷⅸⅹⒶⒷⒸⒹ。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)㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂，前面的数字表示每行的像元数量⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ，即共有1920个像元웃유ღ♋♂，后面的数字表示像元的行数☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；，即1080行웃유ღ♋♂。
•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❋❀⚘☑✓✔√☐☒✗✘ㄨ✕✖✖⋆✢✣，通常面阵相机用帧率表示ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，单位fps(Frame Per second)❣❦❧♡۵，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웃유ღ♋♂，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⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓。
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㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦。
全局快门(Global Shutter)：CCD传感器和极少数CMOS传感器采用的快门❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰，传感器上所有像素同时刻曝光ⒺⒻⒼⒽⒾⒿⓀⓁⓂⓃⓄⓅⓆⓇⓈⓉ。
•相机--智能相机
智能工业相机是一种高度集成化的微小型机器视觉系统☾☽❄☃。它将图像的采集❻❼❽❾❿⓫⓬⓭⓮⓯⓰、处理与通信功能集成于单一相机内⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，从而提供了具有多功能㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦、模块化☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；、高可靠性ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ、易于实现的机器视觉解决方案웃유ღ♋♂。智能工业相机一般由图像采集单元ⓚⓛⓜⓝⓞⓟⓠⓡⓢ、图像处理单元ⓊⓋⓌⓍⓎⓏⓐⓑⓒⓓⓔⓕⓖⓗⓘⓙ、图像处理软件♀☿☼☀☁☂☄、网络通信装置等构成㈧㈨㈩⑴⑵⑶⑷⑸⑹⑺⑻⑼⑽⑾⑿⒀⒁⒂。由于应用了最新的 DSP☧☬☸✡♁✙♆。，、＇：∶；、FPGA及大容量存储技术ⓣⓤⓥⓦⓧⓨⓩ，其智能化程度不断提高♦☜☞☝✍☚☛☟✌✽✾✿❁❃，可满足多种机器视觉的应用需求⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ。
•镜头---主要参数
工业的镜头大都是多组镜片组合在一起的❣❦❧♡۵。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✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，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⒔⒕⒖⒗⒘⒙⒚⒛ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦⅧⅨⅩⅪⅫⅰⅱ。
畸变的校正一般用黑白分明的方格图像来进行✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，过程并不复杂⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。一般如果畸变小于2%⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾，人眼观察不到;若畸变小于CCD的一个像素☾☽❄☃，摄像机也看不见⓱⓲⓳⓴⓵⓶⓷⓸⓹⓺⓻⓼⓽⓾。
•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①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮⑯，物距常发生变化㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，从而使像高发生变化㈠㈡㈢㈣㈤㈥㈦，所以测得的物体尺寸也发生变化⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺，即产生了测量误差;即使物距是固定的⒃⒄⒅⒆⒇⒈⒉⒊⒋⒌⒍⒎⒏⒐⒑⒒⒓，也会因为CCD敏感表面不易精确调整在像平面上✺ϟ☇♤♧♡♢♠♣♥，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⑰⑱⑲⑳⓪⓿❶❷❸❹❺。
