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机器视觉系统构成
? 概述
? 构成各部分介绍
? 项目开发
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图像与视觉
? 图像
? 安防监控、显微成像、医疗影像、天文观测；
? 航天测绘、智能交通
?视觉（视 +觉）
? 表面质量检测、工件尺寸测量和定位、各种标
识的识别等，电子、半导体、包装、印刷 …
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机器视觉（ Machine Vision)
机器
（ Machine)
视觉
（ Vision)
+
机械 运动 控制
觉 (软件 )视 (硬件 )
包括光源、镜头、相机、
图像采集卡等。
机器视觉是一个系统的概念，运用现代先进的控制
技术、计算机技术及传感技术，表现为光机电的结
合。 凌云公司的口号： “致力于为机器植入眼睛
和大脑！ ”
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为什么要采用机器视觉
? 节省时间
? 降低生产成本
? 优化物流过程
? 缩短机器停工期
? 提高生产率和产品质量
? 减轻测试及检测人员劳动强度
? 减少不合格产品的数量
? 提高机器利用率
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机器视觉应用简介
GIGI(Gauge、 Inspection、 Guide、 dentification)
一、 Gauge(Measurement)
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机器视觉应用简介
二、 Inspection(应用范围最广）
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机器视觉应用简介
三、 Guide
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机器视觉应用简介
四、 Identification
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机器视觉原理简介
系统构成：
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机器视觉原理简介
一、光源（光源是基准，打光是艺术）
种类： LED、萤光灯、卤素灯（光纤光源 )、特殊光源
Garbage In, Garbage Out
特点： LED寿命长 /可以有各种颜色 /便于做成各种复杂形状 /光
均匀稳定 /可以闪光；
萤光灯光场均匀 /价格便宜 /亮度较 LED高；
卤素灯亮度特别高 /通过光纤传输后可做成
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有效的合作与沟通
客户： “提高质量我们才能占领越来越多的市场 ”
销售： “我们需要零缺陷发货 ”
管理者： “制订消除（降低）缺陷的计划，如采用视觉系统 ”
品保： “为达到 6Sigma目标，我们有 100多个缺陷要解决 ”
MV供应商： “将每种缺陷详细定义并归类 ”
光源供应商： “我们应该按照这样的方法来做！ ”
MV供应商： “这样做的花费是这么多！ ”
品保： “也许只检 10个缺陷就足够了 ”
管理者： “如何才能避免我们将这类有缺陷的货发出去？ ”
销售： “多坏才是足够好呢？ ”
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光源为什么
好的打光方式等于成功了一大半 (Garbage in， Garbage out)
光源调制目标信息后传递探测器给（将目标想成我们自己）
探测器所获得的光线必须包含足够的信息以便分离感兴趣的主要特征
信息，并便于处理器将它们区分开来 (光源是基准，打光有技巧）
我们的目标就是最大化感兴趣区域的特征同时抑制其他的特征（噪声）
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光源为什么
光源（光源是基准，打光有技巧）
种类： LED、萤光灯、卤素灯（光纤光源 )、特殊光源
Garbage In, Garbage Out
特点： LED寿命长 /可以有各种颜色 /便于做成各种复杂形状 /光
均匀稳定 /可以闪光；
萤光灯光场均匀 /价格便宜 /亮度较 LED高；
卤素灯亮度特别高 /通过光纤传输后可做成
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照明规则
1、光线太暗会影响视觉系统
2、 光线太亮会影响视觉系统
3、照明的主要功能是产生光学信号
4、减少噪声是照明要解决的主要问题之一
5、只有来自于目标并到达镜头的光线才是有效的光线
6、进入镜头但非来自目标的光线为杂散光，它降低图像质量
7、 来自目标任意点的光线都应填满镜头的 入瞳
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光学器件
镜头 ----聚焦或分散光线
反射器（镜面） ---改变光路（角度）
分光器 ---半透半反
棱镜 ---分光
偏光片 ---抑制反光，应力探测
漫射片 ---柔化光的分布，提高均匀性
滤光片 ---过滤修正光源的光谱属性
光纤 ---固定的光传播系统
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光源选择的注意事项
影响因素：
相机的光谱响应特性、形状、打光方式（ dark field, bright
field, low angle, structure light)、 LED器件（颜色、
发光角、 亮度、寿命等）、辅助手段（偏光片、滤光片、漫射
片等）
即结构、光谱、强度、寿命、修正手段、价格等）
选择原则：
满足应用、综合考虑；
理论分析 +实验；
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解决问题的一般过程
提出问题
定义检测目标
收集制订完整的规格列表
可行性研究
这个零件是如何被肉眼看到的？
这个零件将如何照在其上的光的特性？
将自己想成是那个零件
概念设计
实验室的反复实验
原型机生产
批量生产，先进制造
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光源选择的注意事项
影响因素：
相机的光谱响应特性、 LED器件（颜色、发光角、 亮度、寿命
等）、形状、打光方式（ dark field, bright field, low
angle, structure light)、辅助手段（偏光片、滤光片、漫
射片等）
选择原则：
满足应用、综合考虑；
理论分析 +实验；
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机器视觉原理简介
二、镜头（低通滤波器，完成信号传递）
接口形式： C-Mount/CS-Mount/F-
Mount/Others
镜头类型：标准、远心、广角、近摄、远摄等
选择依据：相机接口 /物距 /拍摄范围 /CCD尺寸 /畸
变的允许范围 /放大率 /焦距 /光圈等
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2）镜头
主要参数： 光圈、景深、相对孔径、视场角、口径、放大率、焦距 、 传
函、光谱
几何光学成象公式（ Basic Formula）
放大率（ Magnification）
视场（ Field of View）
工作距离（ Working Distance）
分辨率（ Resolution）
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光圈与景深
? 光圈（ Aperture）
? 景深（ Depth of Field）
? 光圈越大景深越小
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镜头相关参数
?放大率
?焦距
?对焦范围
?f-N F数
?失真
?视场
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f-number
?收集光线的能力
?景深
?分辨率
?失真
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分辨率和调制传递函数MTF
V
B
低频暗区最低亮度 。
V
W
低频亮区最高亮度。
V
min
频率 f 处的最低亮度 。
V
max
频率 f 处的最高亮度 。
低频对比度 C(0) =(V
W
-V
B
)/(V
W
+V
B
) 。
频率 f 处的对比度
C( f ) =(V
max
-V
min
)/(V
max
+ V
min
)
成像系统的品质通常用调制传递函数 MTF 来描述，其定义如下：
MTF( f )= 100%C( f )/C(0)
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分辨率和调制传递函数MTF
表征分辨率的指标是
MTF。
MTF 描述的是成像系统
的空间频率响应。右
图为佳能镜头实例。
兰实线：镜头＋胶片
的 MTF；
兰虚线：镜头的 MTF。
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分辨率和调制传递函数MTF
由 100% 到
2% 的对比度图
形。 MTF =
50%为中等对比
度， MTF = 2%
被认为是人视觉对
比度的极限，低于
2% 无法分辩。
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分辨率和调制传递函数MTF
其中 p 为像元间距， a 为像元尺寸， k 为角
频率，而 h(x) 为单位脉冲响应
CCD传递函数
系统传递函数
大气像移镜头系统
＝ MTFMTFMTFMTFMTF
CCD
×××
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分辨率和调制传递函数MTF
如 XC－ 75CE，水平像元尺寸
为 8.6μ m ，垂直像元尺寸为
8.3μ m。该 CCD水平和垂直
Nyquist 频率分别为
1000/(2× 8.6)= 58 lp/mm
1000/(2× 8.3)= 60 lp/mm
CCD像面上，每毫米像元数的 1/2称为该 CCD
的 Nyquist 频率。
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机器视觉光学系统
?光学系统
? 镜头（低通滤波器，完成信号传递）
? 反光镜（改变光路）
? 棱镜、分光镜、聚光棒（镜）
? 光源、偏光片、滤光片等
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接口
主要有螺口和卡口两种
螺口： 0.75（ M42/M58/M72等）、
C/CS(32thread/inch)
卡口： F口 (Nikon)、 Cannon、 Petax等
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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。
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Standard Lens
Telecentric lens
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机器视觉系统的构成 —光学系统
? 远心镜头
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远心镜头
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远心镜头
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远心镜头在机器视觉中的应用
在用于测量的机器视觉中，有一些因素影响
测量精度或重复性。
a) 物体位置变化引起比例尺改变；
b) 畸变
c) 投影误差
d)物体边缘测量误差大
有一种镜头可以很大程度上降低以上误差，
甚至消除这些误差，这种镜头就是远心镜头。
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远心镜头在机器视觉中的应用
如果一个镜头的投影中心在无穷远，称其为
物方远心镜头。
普通镜头
物方远心镜头镜头
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远心镜头在机器视觉中的应用
普通镜头 f = 12 mm,
相机 CCD为 1/3” ，
观察距离 s = 200
mm ，高为 H = 20
mm的物体。如果物
体由原位置移动了 s
= 1mm，则高度测量
值的变化为
DH=(ds/s)·H=(1/200)
·20 mm = 0,1 mm
在焦深范围内像面移动有什么影响？
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远心镜头在机器视觉中的应用
远心镜头中，这种比例尺的变化取决于远心斜率 θ。
较好的远心镜头，其
远心斜率为 0,1° (1.7
mrad) 左右。这就意
味着，在与前面物体
同样移动 1 mm 的情
况下，测量值只变化
了 0,0017 mm 。
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远心镜头在机器视觉中的应用
投影误差的改善
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远心镜头在机器视觉中的应用
远心镜头可以改善普通镜头测量中的边缘效应
左图：普通镜头测量时，由于
投影误差（物体晃动）和周围
杂光的影响，测量精度降低。
左图：远心镜头可以
改善由于物体晃动和
周围杂光的影响，提
高测量精度。
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远心镜头在机器视觉中的应用
为了更大程度的消除边缘效应的影响，采用与镜
头匹配的远心光路照明系统。
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远心镜头在机器视觉中的应用
远心镜头的优点：
?没有视差畸变
?是尺寸测量的理想镜头
?可以在工作距离变化的条件下精密测量
下面的观点也是不对的：
?远心镜头景深长
?只有远心镜头才能完成精密测量
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远心镜头在机器视觉中的应用
远心光路成像是机器视觉中一个很重要的原
理。但是它有一个很大的缺点，那就是远心镜头
的口径至少要与需要观察的物体尺寸相等或更大。
这也是为什么远心镜头非常贵的原因之一。
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?镜头的畸
变
? 像面弯曲
? 球面像差
? 枕形失真
? 桶形失真
? 色散
? 像散，散光
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原则一:相机芯片尺寸
镜头尺寸≧相机芯片尺寸
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?CCD芯片尺寸
特殊之处：1inch = 16mm ≠25.4mm
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机器视觉系统的构成 —光学系统
镜头的接口形式
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φ 66.5mm82mmRolei 6006 Mount
φ 72mm85mmPentax 67 Mount
φ 61.2mm71mmPentax 645 Mount
φ 41mm29.3mmOlympus Pen F Mount
φ 44mm31.95mmNikon S Mount
φ 44mm(47mm?)46.5mmNikon F Mount
φ 60mm104mmMamiya RZ Mount
φ 62mm63mmMamiya 645 Mount
φ 49mm47.15mmLeica R Mount
φ 69mm74.9mmHasselblad Mount
φ 44mm31.75mmContax Mount
φ 64.9mmφ 51.2mm(53.9mm)44.0mmCanon EOS Mount
φ 81mm85mmBronica GS Mount
φ 74mm74mmBronica ETR Mount
外口径内口径镜后距离卡口名称
几
种
常
用
卡
口
镜
头
的
参
数
可选用照相机镜头例子
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原则二:相机接口类型
相机接口的种类
卡口46.5mmF Mount
螺口12.5mmCS Mount
螺口17.526m
m
C Mount
接口后截距接口类型
接口配套的原则
FCS/C+节圈C/F+转接器可配镜头接口
F MountCS MountC Mount相机接口
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原则三:镜头工作距离
系统设计与镜头工作距离的选择
1. 先选择镜头，后设计系统
2. 尽可能选择成熟已有的产品
3. 镜头的工作距离包含了一个区间的概念
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原则四:镜头视场角
视场－视场角
工作距离与视场－焦距
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? 像元分辨率
? 是系统设计的一项关键指标
? 确定放大率
? 具体应用的约束条件
? 测量，检测（颜色）→确定畸变率、色差
? 物距与安装尺寸→确定焦距与变焦范围
? 光强及其一致性→确定光圈及调整范围
? 相机 →确定接口方式与靶面
? 检测目标和要求的一致性→确定是否需要变焦、变倍、
变光圈
? 辅助手段
? 接圈
? 转接环
? 定做
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三、芯片及相机（光电转换器）
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填充因子（ Fill factor）
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机器视觉原理简介
机器视觉相机：
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
A/D
C
C
D
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线扫描系统
Encoder
Line trigger
Page triggerSensor
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工业面阵相机系统
Trigger
Proximity sensor
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隔行 /逐行
Vertical ccdregister
Horizontal ccd
register
Shutter
Odd
Even
Photo diode
(pixel)
Xsub
Xsg1
Xsg2
Video
out
Xsub
Vertical ccdregister
Horizontal ccd
register
Shutter
Photo diode
(pixel)
Xsg1
Progressiv
e
Interlace
Moving object
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彩色相机
B
l
B
u
b
b=1/2(B
u
+B
l
)
R
l
R
u
r
r=1/2(R
u
+R
l
)
B
l
b B
r
b=1/2(Br+B
l
)
R
r
r R
l
r=1/2(Rr+R
l
)
B
ll
B
ul
b
B
lr
B
ur
b=1/4(B
ur
+B
ul
+B
ll
+B
lr
)
R
ll
R
ul
r
R
lr
R
ur
r=1/4(R
ur
+R
ul
+R
ll
+R
lr
)
G
le
g
G
u
G
l
G
r
g=1/4(G
u
+Gr+G
l
+G
le
)
R
R
R
G
B
G
B
B
G
G
G
G R
R
R
G
G
G
B
G
B
B
G
G R
R
R
G
G
G
Bayer Filter
CV-M77
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彩色相机
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CCD Format
1” format 1/2” format2/3” format 1/3” format
12.8 mm
9
.3
m
m
1
6
m
m
8.8 mm
6
.
6
m
m1
1
m
m
6.4 mm
4
.
8
m
m
8
m
m
4.4 mm
3
.
3
m
m
6
mm
16 mm 11 mm 8 mm 6 mmDiagonal:
Type 1 Type 1/2Type 2/3 Type 1/3
Image
size
Sony:
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外触发
Edge Pre Select (EPS)
(fixed)
Exposure
Video read out
Trigger
?自触 发 信号下降沿 开 始曝光自触 发 信号下降沿 开 始曝光
?曝曝 光光 时间时间 为为 事事 先先 设设 定定 的常数的常数
Pulse Width Control (PWC)
Video read outExposure
Trigger
? 自触发信号下降沿开始曝光自触发信号下降沿开始曝光
?曝光曝光 时间时间 由由 触触 发发 信号信号 脉脉 宽宽 控制控制
Frame Delay Readout (FDR)
? 自触发信号下降沿开始曝光自触发信号下降沿开始曝光
?曝曝 光光 时间时间 为为 事事 先先 设设 定定 的常数的常数
? 延延 迟迟 输输 出出 至至 下下 一一 触触 发发 信号信号 的的 下下 降降 沿沿
Exposure
(fixed)
Delay Video read out
Trigger
Moving object
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多相机同时工作
各各 相机相机 用用 自己的自己的 时钟时钟 来来 运行运行
外
外
同
同
步
步
外外 同同 步步 信号信号 输 入输 入
所所 有有 相机相机 都都 使使 用用 同同 一一 个个 时钟时钟 源源
如如 果果 目 标目 标 运 动运 动 ，则则 会会 出出 现现 图图 像像 位置位置 不不 一一
致致 现 象现 象 ,在在 1个个 H内内
所所 有有 图图 像像 位置位置 都都 非常非常 一一 致致
Camera 1 Camera 2 Camera 3 Camera 1 Camera 2 Camera 3
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Binning 和 Partial scnan
1280 pixels
Full
1024
lines
1280 pixels
512
lines
Normal output image Image with vertical 2 :1binning
Normal
Partial 1/2
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Smear and antiblooming
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Noise
?随机噪声
?暗电流
?固定噪声 (FPN)
?响应不一致 (PRNU)
?坏点
Dark
Signal
Average
for 1 line
Average
for 1 line
Signal
Factor<1 Factor >1
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随机噪声
?Peak-to-peak at output
?RMS at output
?Dynamic range
? Signal to noise ratio
? Decibels
?Noise equivalent
exposure
Measured with minimum
gain
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Dark Current
?Due to semiconductor physics
?Doubles every 7° C
?Global correction in camera is
common
?Usually not a problem
? High temperature
? 10 or 12 bit digitization
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Fixed Pattern Noise (FPN)
?Caused by non-uniformities of
readout circuits and signal cross-talk
?Largely removed in CCDs by double
correlated sampling
?Usually not a problem with 8 bit
digitization
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Graph courtesy of JAI
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相机灵敏度变化：
?光谱分布
?红外截止滤光片
?输出光线的如何被测量（位置）
?相机的增益设置
?输出放大倍数
?曝光时间
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选型时主要考虑因素
分辨率
速度
灵敏度
体积 /重量
接口
…
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机器视觉原理简介
四、采集卡（ 完成信号的采集与格式转换 ）
分类： 模拟 (标准和非标准） /数字、单通道 /多通道
主要指标： 采集频率（速度）、接口、 Buffer大小、预处
理功能、支持相机的种类、控制功能、 I/O点数
代理公司： CORECO、 COGNEX、 Epix
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机器视觉原理简介
? 相机配置文件（开放式的、非开放式的 cognex）
?附加功能： LUT、 DMA、 Buffer、 Pixel Resequenc
Trigger-to-image Reliability等
?选择原则：接口（相机）、速度、可靠性等满足要求、软件
平台、性价比等
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机器视觉原理简介
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机器视觉原理简介
模拟相机： CCIR/EIA, Non-Standard
RS-422/LVDS
高速，可靠性高，传输距离远，支 持多相机连接。管脚定义不统一，
电缆成本高。
Camera Link
高速，高可靠性。不便于多相机连 接和集中控制，电缆价格高。
IEE1394
灵活性高，成本低。传输距离短，可靠性低。
USB2.0
灵活性高，成本低。传输距离短， 可靠性低，技术不成熟。
Gigabit Ethernet
灵活性高，可扩充性强，支持远距 离传输，支持多点传输，技术成
熟，鲁棒性强，成本低。
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机器视觉原理简介
五、图像处理卡（
五、图像处理卡（
完成图像处理的各种运算
完成图像处理的各种运算
）
）
种类：种类： DSP、、 FPGA、、 PowerPC。嵌入式系统也是发展趋势之一。嵌入式系统也是发展趋势之一
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机器视觉原理简介
六、图像处理软件（ 机器视觉的核心 ）
平台： VisionPro， Sapera， eVision， Halcon，
Mil， CVB， Labview， OPCV， etc
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国产机器视觉软件
凌云公司的自主软件-VisionWare,中国首个机器
视觉软件平台-------国内 第一家具有自主 知识产
权的机器视觉平台软件提供商！
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VisionWare特点
?类库的封装方式，适于采用 VC6的开发，便于整合
?AvtiveX版本的封装正在进行中
?参照国外的成熟软件包开发，学习其工程化的工具功能及
封装方式，所提供工具的检测速度、性能可媲美国外同类
产品
?硬件无关，可使用各种采集硬件作为图像源
?低成本高性能解决方案的首选
?应用行业：半导体、PCB、LCD、一般电子、汽车零部件、
包装、印刷等
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VisionWare功能介绍
?定位工具
面定位工具：不带旋转和比例功能
几何定位工具：几十 ms；多目标查找、角度、 scale；
?测量工具：线、圆、圆弧、线对等及距离测量
?Blob工具
?颜色检测工具：颜色标定、色彩空间转换、颜色
识别、色差测量等
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VisionWare成功案例及在研项目
?DieBonder
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机器视觉原理简介
选择及评估图像软件：
选择：性价比、现在条件约束、 OEM商的长远
发展；
评估：速度、精度、可靠性（光照、旋转、遮盖、
图像质量差等）
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机器视觉原理简介
机器视觉系统的分类 ：
Smart Camera;
PC-Based;
Embeded；
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机器视觉原理简介
系统评估及选型：精度 速度 可靠性
精度： 为什么要达到这么高的精度？高精度意味着高代价。系统的误差分
配，系统精度、机台精度、控制传感精度，视觉部分的精度（分辨率、图
像质量、安装精度、镜头、标定方法、算法、环境等）
速度：总指标、控制部分、动作的配合及协调、通信速度、采集速度（硬
件）、处理速度（计算机硬件、软件算法、图像质量等）
可靠性：硬件的可靠性、软件算法的可靠性及稳定性、系统设计的可靠性
等
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现状 —尴尬与困惑
? 机器视觉是伪科学 ---不可知论
? 漏检和误检
? 同一对象不同的结果
? 反反复复未见真
? 一切皆有可能
? 曾经养在深闺人未识 —贵族般的光环
? 替代人眼并高于人眼
? 缺乏了解，期望过高
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现状 —尴尬与困惑
? 最后的结果
? 不管白猫黑猫，逮住老鼠的才是好猫
? 影响效率和效能
? 双输 vs双赢
? 到底什么才是正确的？
? 小心驶得万年船
? 不做第一个吃螃蠏的人
? 合作 ---甲乙双方充分的沟通和配合
? 敢于承诺未必好，勇于说不未必不好
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步骤 —概述
1、需求了解 /分析 /确认；（前期多沟通很重要）
2、样品准备 /测试；（需要客户密切配合）
3、系统软 /硬件选型；（保证性价比最好）
4、系统开发设计；（严格按项目管理（ PM)方法进行）
5、现场试运行 /大量测试；（必不可少，需要配合）
6、系统的局部修改和完善；（往往耗时较多）
7、系统验收；
8、人员培训与系统维护；
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