面包芯语

【光电智造】机器视觉基础知识FundamentalsofMachineVision（视觉系统的构成）

今日光电 2023-08-09 18:05
【有奖直播】深入学习Microchip时钟和全新单片机方案 【有奖直播】提升毫米波信号测试精度

今日光电

       有人说，20世纪是电的世纪，21世纪是光的世纪；知光解电，再小的个体都可以被赋能。欢迎来到今日光电！



----与智者为伍 为创新赋能----

视觉系统的构成


从机器视觉的定义可以推测出，一个摄像机和一个处理器结合在一起形成一个视觉系统。然而，这只是部分完整的描述。确实，视觉系统需要摄像机和处理器，但还有更多的组成部分，如图8所示。
摄像机需要镜头来形成光学图像。镜头必须提供合适的工作距离（镜头到场景的距离），正确的放大倍率，使场景填满摄像机的视野，并具备分辨细节的能力。还需要光源，以确保摄像机获得足够的合适照明，以创建可用且可靠的图像。
摄像机和处理器之间需要有一个接口。还需要软件来执行所需的应用程序分析。最后，处理器必须支持与其他连接设备所需的输入和输出。


视觉系统的类型


通常摄像机和处理器是分开的。这使得摄像机可以更小，而处理器则具备所有所需的计算能力和输入输出功能。它还允许一个处理器为两个或多个摄像机提供服务。这种类型的视觉系统的常见形式是使用个人计算机作为处理器（见图9）。基于个人计算机的视觉系统提供了最大的灵活性。有许多摄像机接口可供选择，许多不同的软件包可供选择，并且输入输出配置具备显著的灵活性。然而，这种灵活性增加了应用程序的工程化难度。为了使此配置与更苛刻的环境兼容，有可靠的工控计算机可供选择。
类似的配置是用专有处理器替换个人计算机（见图10）。这种处理器带有专有软件。它可以使用标准或专有摄像机接口，并通常在输入输出方面具有灵活性。这种配置通常是为工厂环境设计的。与基于个人计算机的视觉系统相比，应用程序的工程化难度较低。
还有一种趋势是将摄像机和处理器合并为一个紧凑的设备，称为智能相机或智能传感器（见图11）。这对于单个摄像机应用和物联网设备已经变得非常有效。由于紧凑的尺寸，处理和输入输出受到限制。虽然智能相机有时配备了内置照明，但通常还需要其他光源。在大多数智能相机中，软件已内置，使得这些是应用最简便的视觉系统。有一些产品专为OEM设计，他们可以承担更多的工程化工作，这些产品不提供预装软件。
这是一类是应用特定的机器视觉（ASMV）系统。图12显示了一个示例。这是一个为特定应用设计的视觉系统。除了安装和产品特定配置外，几乎不需要任何工程化工作就可以直接使用。ASMV的更高成本可以抵消几乎不需要应用工程化的优点。此外，相对于仅为一次安装设计的其他视觉系统，更全面的现场支持也是可用的。
最后一类是嵌入式视觉系统。对于什么是嵌入式视觉系统，目前并没有完全一致的定义。实际上，我们可以认为它是一个设计用于集成到最终产品中的视觉系统，并且摄像机和处理器紧密耦合，如图13所示。主要是为了OEM将其集成到产品中。



摄像机


让我们更详细地了解一下摄像机。图14展示了摄像机的组成部分。


  • 图像传感器是摄像机的主要组件，赋予摄像机大部分重要的特性。
  • 电子元件控制图像传感器的时序，调节图像传感器的增益等功能，并提供摄像机独有的其他特性。
  • 镜头支架用于安装镜头，将光学图像投射到图像传感器上。
  • 接口将摄像机连接到处理器。





图像传感器


图像传感器如图15所示，由一组传感元件组成，放大图中显示了这些元件，并带有电路，用于从元件中读取信号并将其转换为数字信号。
当暴露在光线下时，传感元件将入射光子转换为电荷（见图16）。
在曝光过程中，这些光生电子在传感元件中积累。当传感元件读出时，其电压与光生电子的数量成正比。读出后，传感元件被重置，清除所有光生电子，使其准备好进行下一次曝光。
你可以正确推断传感元件实际上是一个光子计数器。这几乎正确，除了它是一个不完美的光子计数器。它并不能计算每个光子。它计算的光子百分比称为其量子效率，简称QE。量子效率随着光的波长而变化，如图17所示。



彩色成像


制造彩色相机的图像传感器有两种主要方法。第一种方法是使用三个单独的图像传感器和光学部件，将红、绿和蓝三个颜色分量分离为单独的方向，使得每个传感器只感测其中一种颜色（见图19）。每个像素有三个值，分别来自这三个图像传感器。
另一种方法是在每个单独的感测元件上放置红、绿和蓝色滤光片。这些滤光片的常见模式是Bayer模式（见图18）。每个像素仍然有三个值：一个通过其颜色滤光片直接感测的值，另外两个颜色值是通过相邻像素进行插值得到的。


高动态范围


相机中的噪点水平通常限制了每个像素的数据为8或10位。这相当于256或1,024个灰度级别。对于许多应用来说，这完全足够。然而，有些应用需要能够感知图像中既在高光（明亮）区域，也在阴影（暗）区域中的细节。
解决这一挑战的方法是高动态范围（HDR）成像。这涉及拍摄两张（或更多）曝光时间不同的照片。较短曝光时间的像素的高位将保留高光的细节，而较长曝光时间的像素的低位将保留阴影中的细节。通过将每次曝光得到的位组合，生成一个新的像素值，从而获得更高的动态范围，如图20所示。



镜头安装


机器视觉相机上使用了许多不同的镜头安装方式，但最常见的是C安装。镜头安装方式的特点在于其螺纹（除非是卡口式安装）和其法兰焦距。法兰焦距是从镜头安装座到图像传感器的距离。
对于C安装，螺纹是1英寸×24牙/英寸。法兰焦距为17.52毫米（0.69英寸）。另一种常见的镜头安装方式是CS安装。它与C安装具有相同的螺纹，但其法兰焦距为12.52毫米。
镜头必须安装到相机上。通常，两者具有相同的安装方式。然而，有时在镜头和相机具有不同安装方式时会使用适配器。


相机接口


有许多种相机接口。以下六种是机器视觉中常用的接口：


  • Camera Link
  • GigE Vision
  • USB3 Vision
  • CoaXPress
  • Camera Link HS
  • MIPI


这些标准大多有不同的选项，有些选项还非常多。因此，详细介绍每个接口超出了本文的范围。这些接口在以下重要特性上有所不同：


  • 带宽/速度 - 图像数据从相机传输到处理器的速度有多快。
  • 延迟 - 图像数据启动后到完成之间的时间。延迟的变化通常是最重要的因素。
  • 数据可靠性 - 如果数据在传输过程中损坏，接口是否能够检测到并进行纠正？
  • 电缆长度 - 可以使用多长的电缆，仍然具有足够的带宽和数据可靠性。
  • 电缆/连接器 - 使用何种类型的电缆和连接器。许多标准提供了不同的电缆和连接器选项。大多数接口标准还支持使用光纤电缆。
  • 帧抓取卡（图像采集卡） - 接口是否需要使用一种特殊的适配器卡，称为帧抓取卡。
  • 电源 - 相机的电源是否可以通过与数据共用的同一电缆供应。


另一个重要的接口标准是GenICam。GenICam不是物理标准，与电缆、数据传输速率等无关。它是关于相机向所连接的处理器提供相机特性信息的标准。根据GenICam，相机包含一个可以被处理器读取的XML文件。该文件详细描述了相机及其所有设置。处理器中的软件可以查询此文件，了解与相机进行接口和控制所需的所有信息。即使来自同一制造商的不同相机在控制方式上也可能不同。GenICam使视觉系统开发人员无需关心连接的是哪种相机，从而可以编程开发应用程序。


镜头


镜头是视觉系统的关键组件。它与相机的图像传感器一起决定了工作距离和包含场景的视场。镜头及其光圈还决定了有多少光能传递到图像传感器上，景深或对焦范围以及投射到图像传感器上的光学图像中的细节分辨率。
大多数经验丰富的机器视觉工程师已经学会如何为大多数应用选择镜头。对于刚接触机器视觉或者对于非常复杂的应用，可能需要寻求经验丰富的光学工程师的帮助。
有三种基本类型的镜头：普通或内心镜头（图22），微距镜头（图23）和远心镜头（图25）。大多数应用可以通过使用内心镜头来解决。这些镜头可以在一定范围的工作距离内调焦，延伸至无限远，并且通常具有可调光圈。
由于内心镜头不能实现高放大倍数的近距离对焦，所以微距镜头被设计来满足这个需求。放大倍数是图像尺寸与成像场景尺寸之间的比例。微距镜头通常适用于0.05倍至10倍的放大倍数范围。如果需要更高的放大倍数，显微镜通常是更好的选择。
远心镜头是机器视觉中常用的特殊镜头。与内心镜头不同，远心镜头在其景深范围内，其放大倍数基本保持不变。这意味着测量结果几乎不受工件高度的轻微变化影响，并且没有透视畸变。
虽然变焦镜头在机器视觉中似乎是理想的选择，因为可以根据需要设置所需的视场大小，但实际上它们只被稀少地使用。由于有一个额外的调整，很难确保镜头设置到正确的放大倍数，并且可能会影响校准。此外，变焦镜头往往比内聚焦镜头更大、更重，而且价格更高。


照明


对于必须可靠工作的机器视觉系统来说，良好的照明是至关重要的。这就是为什么工业机器视觉系统总是采用专门设计的照明，并尽量减少环境光的影响。
一些较新的发展，如自动驾驶车辆，几乎完全使用环境光。
对于专门设计的照明，有几种不同的照明技术。第一种是前照明（见图24）或背照明（见图26）。在前照明中，光源位于与相机相同的场景一侧。在背照明中，光源位于与相机相反的场景一侧。
照明中的另一个区分方式是明场和暗场（见图27）。明场照明是指预期能够反射（通过镜子）或直接传入相机视野的任何光线。
暗场照明是指放置光源的方式，以使其不会传递或反射（通过镜子）到相机的视野中。
如图28所示，照明技术的另一个区分方式是光线的指向性或扩散性。定向光照亮场景上的每一点都使用单一光线，或者更常见的是使用一组光线，这些光线在非常狭窄的角度范围内传播。
扩散照明使用来自广泛角度范围的光束照亮场景上的每一点。
定向照明倾向于产生明显的阴影，并使图像中的纹理凸显出来。扩散照明会产生淡淡的阴影或不会有阴影，并消除使图像中的纹理显现的明暗效果。
照明设计的最后一个特征是颜色或所使用的光谱。大多数机器视觉系统在可见光范围内工作。对于单色成像，光源通常是红色、绿色或蓝色等窄带波长。对于彩色成像，需要白光。越来越多的应用使用红外波长。由于人类无法在这个光谱区域内看到，需要一些实验来了解其工作情况。紫外线光也常被使用，通常用于使零件发出荧光。
这意味着视觉系统工程师有各种各样的光源可供选择，涵盖了各种尺寸、各种颜色，并提供了各种照明特性。要了解如何选择合适的光源需要学习和经验。初入机器视觉领域的人在选择光源时最好与有经验的人合作。


来源：机械视觉沙龙



申明：感谢原创作者的辛勤付出。本号转载的文章均会在文中注明，若遇到版权问题请联系我们处理。


 

----与智者为伍 为创新赋能----


【说明】欢迎企业和个人洽谈合作，投稿发文。欢迎联系我们
诚招运营合伙人 ，对新媒体感兴趣，对光电产业和行业感兴趣。非常有意者通过以下方式联我们！条件待遇面谈
投稿丨合作丨咨询

联系邮箱：uestcwxd@126.com

QQ：493826566



登录阅读全文
免责声明： 该内容由专栏作者授权发布或作者转载，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点，本站亦不保证或承诺内容真实性等。若内容或图片侵犯您的权益，请及时联系本站删除。侵权投诉联系：  nick.zong@aspencore.com！
今日光电
评论
  • RE超标整机定位与解决详细流程
    时源芯微——RE超标整机定位与解决详细流程一、 初步测量与问题确认使用专业的电磁辐射测量设备，对整机的辐射发射进行精确测量。确认是否存在RE超标问题，并记录超标频段和幅度。二、电缆检查与处理若存在信号电缆：步骤一：拔掉所有信号电缆，仅保留电源线，再次测量整机的辐射发射。若测量合格：判定问题出在信号电缆上，可能是电缆的共模电流导致。逐一连接信号电缆，每次连接后测量，定位具体哪根电缆或接口导致超标。对问题电缆进行处理，如加共模扼流圈、滤波器，或优化电缆布局和屏蔽。重新连接所有电缆，再次测量
    时源芯微 2024-12-11 17:11 68浏览
  • 搭载紫光展锐芯！全球首款同传翻译眼镜INMO GO2重磅上市
    近日，搭载紫光展锐W517芯片平台的INMO GO2由影目科技正式推出。作为全球首款专为商务场景设计的智能翻译眼镜，INMO GO2 以“快、准、稳”三大核心优势，突破传统翻译产品局限，为全球商务人士带来高效、自然、稳定的跨语言交流体验。 INMO GO2内置的W517芯片，是紫光展锐4G旗舰级智能穿戴平台，采用四核处理器，具有高性能、低功耗的优势，内置超微高集成技术，采用先进工艺，计算能力相比同档位竞品提升4倍，强大的性能提供更加多样化的应用场景。【视频见P盘链接】 依托“
    紫光展锐 2024-12-11 11:50 44浏览
  • 12-9学习笔记
    习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习笔记&记录学习习笔记&记学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记录学习学习笔记&记
    youyeye 2024-12-10 16:13 105浏览
  • 天问Block和Mixly
    天问Block和Mixly是两个不同的编程工具，分别在单片机开发和教育编程领域有各自的应用。以下是对它们的详细比较： 基本定义 天问Block：天问Block是一个基于区块链技术的数字身份验证和数据交换平台。它的目标是为用户提供一个安全、去中心化、可信任的数字身份验证和数据交换解决方案。 Mixly：Mixly是一款由北京师范大学教育学部创客教育实验室开发的图形化编程软件，旨在为初学者提供一个易于学习和使用的Arduino编程环境。 主要功能 天问Block：支持STC全系列8位单片机，32位
    丙丁先生 2024-12-11 13:15 45浏览
  • 低成本解决方案,RK3506的应用场景分析!
    RK3506 是瑞芯微推出的MPU产品，芯片制程为22nm，定位于轻量级、低成本解决方案。该MPU具有低功耗、外设接口丰富、实时性高的特点，适合用多种工商业场景。本文将基于RK3506的设计特点，为大家分析其应用场景。RK3506核心板主要分为三个型号，各型号间的区别如下图：​图 1  RK3506核心板处理器型号场景1：显示HMIRK3506核心板显示接口支持RGB、MIPI、QSPI输出，且支持2D图形加速，轻松运行QT、LVGL等GUI，最快3S内开
    万象奥科 2024-12-11 15:42 65浏览
  • 不得不拆解修理台式组合音响
    我的一台很多年前人家不要了的九十年代SONY台式组合音响，接手时只有CD功能不行了，因为不需要，也就没修，只使用收音机、磁带机和外接信号功能就够了。最近五年在外地，就断电闲置，没使用了。今年9月回到家里，就一个劲儿地忙着收拾家当，忙了一个多月，太多事啦！修了电气，清理了闲置不用了的电器和电子，就是一个劲儿地扔扔扔！几十年的“工匠式”收留收藏，只能断舍离，拆解不过来的了。一天，忽然感觉室内有股臭味，用鼻子的嗅觉功能朝着臭味重的方向寻找，觉得应该就是这台组合音响？怎么会呢？这无机物的东西不会腐臭吧？
    自做自受 2024-12-10 16:34 136浏览
  • Cyclone V GX FPGA设计TDC的优化问题
    概述 通过前面的研究学习，已经可以在CycloneVGX器件中成功实现完整的TDC（或者说完整的TDL，即延时线），测试结果也比较满足，解决了超大BIN尺寸以及大量0尺寸BIN的问题，但是还是存在一些之前系列器件还未遇到的问题，这些问题将在本文中进行详细描述介绍。 在五代Cyclone器件内部系统时钟受限的情况下，意味着大量逻辑资源将被浪费在于实现较大长度的TDL上面。是否可以找到方法可以对此前TDL的长度进行优化呢？本文还将探讨这个问题。TDC前段BIN颗粒堵塞问题分析 将延时链在逻辑中实现后
    coyoo 2024-12-10 13:28 101浏览
  • 霍尔电流传感器的应用
            在有电流流过的导线周围会感生出磁场，再用霍尔器件检测由电流感生的磁场，即可测出产生这个磁场的电流的量值。由此就可以构成霍尔电流、电压传感器。因为霍尔器件的输出电压与加在它上面的磁感应强度以及流过其中的工作电流的乘积成比例，是一个具有乘法器功能的器件，并且可与各种逻辑电路直接接口，还可以直接驱动各种性质的负载。因为霍尔器件的应用原理简单，信号处理方便，器件本身又具有一系列的du特优点，所以在变频器中也发挥了非常重要的作用。  &nb
    锦正茂科技 2024-12-10 12:57 76浏览
  • 擎耀解码智能汽车可替换LED前照灯控制运行组成原理方案
    智能汽车可替换LED前照灯控制运行的原理涉及多个方面，包括自适应前照灯系统（AFS）的工作原理、传感器的应用、步进电机的控制以及模糊控制策略等。当下时代的智能汽车灯光控制系统通过车载网关控制单元集中控制，表现特殊点的有特斯拉，仅通过前车身控制器，整个系统就包括了灯光旋转开关、车灯变光开关、左LED前照灯总成、右LED前照灯总成、转向柱电子控制单元、CAN数据总线接口、组合仪表控制单元、车载网关控制单元等器件。变光开关、转向开关和辅助操作系统一般连为一体，开关之间通过内部线束和转向柱装置连接为多，
    lauguo2013 2024-12-10 15:53 78浏览
  • 罗姆与台积公司在车载氮化镓功率器件领域建立战略合作伙伴关系
    全球知名半导体制造商ROHM Co., Ltd.（以下简称“罗姆”）宣布与Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Limited（以下简称“台积公司”）就车载氮化镓功率器件的开发和量产事宜建立战略合作伙伴关系。通过该合作关系，双方将致力于将罗姆的氮化镓器件开发技术与台积公司业界先进的GaN-on-Silicon工艺技术优势结合起来，满足市场对高耐压和高频特性优异的功率元器件日益增长的需求。氮化镓功率器件目前主要被用于AC适配器和服务器电源等消费电子和
    电子资讯报 2024-12-10 17:09 84浏览
  • 【萤火工场CEM5826-M11测评】OLED显示雷达数据
    【萤火工场CEM5826-M11测评】OLED显示雷达数据本文结合之前关于串口打印雷达监测数据的研究，进一步扩展至 OLED 屏幕显示。该项目整体分为两部分： 一、框架显示； 二、数据采集与填充显示。为了减小 MCU 负担，采用 局部刷新 的方案。1. 显示框架所需库函数 Wire.h 、Adafruit_GFX.h 、Adafruit_SSD1306.h . 代码#include #include #include #include "logo_128x64.h"#include "logo_
    无垠的广袤 2024-12-10 14:03 69浏览
  • 深入解析J1939-73：车辆诊断通信的标准与应用
    一、SAE J1939协议概述SAE J1939协议是由美国汽车工程师协会（SAE，Society of Automotive Engineers）定义的一种用于重型车辆和工业设备中的通信协议，主要应用于车辆和设备之间的实时数据交换。J1939基于CAN（Controller Area Network）总线技术，使用29bit的扩展标识符和扩展数据帧，CAN通信速率为250Kbps，用于车载电子控制单元（ECU）之间的通信和控制。小北同学在之前也对J1939协议做过扫盲科普【科普系列】SAE J
    北汇信息 2024-12-11 15:45 70浏览
我要评论
0
点击右上角，分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦