機(jī)器視覺創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)

1、機(jī)器視覺創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)一、介紹：機(jī)器視覺系統(tǒng)的特點(diǎn)是提高生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。在一些不適合人工作的危險(xiǎn) 環(huán)境下或者人工視覺難以滿足要求的場(chǎng)合， 常用機(jī)器視覺來替代人工視覺；同時(shí) 在大批量生產(chǎn)過程中，人工視覺檢測(cè)產(chǎn)品效率低且精度不高，用機(jī)器視覺檢測(cè)方 法可以大大提高生產(chǎn)效率和自動(dòng)化程度。 在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，人們廣泛的將機(jī)器視 覺系統(tǒng)廣泛地用于工況監(jiān)測(cè)、成品檢驗(yàn)和質(zhì)量控制等領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)?zāi)M機(jī)器視覺 系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)踐中的多種應(yīng)用，深化同學(xué)對(duì)機(jī)器視覺系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。二、涉及內(nèi)容：光電檢測(cè)、信息光學(xué)、數(shù)字圖像處理三、實(shí)驗(yàn)原理（1）機(jī)器視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)成及工作原理：一個(gè)典型的工業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)包括：光源、鏡頭、相機(jī)（包括

2、CCD相機(jī)和COMS相機(jī)）、圖像處理單元（或圖像捕獲卡）、圖像處理軟件、監(jiān)視器、通 訊/輸入輸出單元等。1）照明系統(tǒng)照明是影響機(jī)器視覺系統(tǒng)輸入的重要因素，它直接影響輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量和應(yīng) 用效果。由于沒有通用的機(jī)器視覺照明設(shè)備， 所以針對(duì)每個(gè)特定的應(yīng)用實(shí)例，要 選擇相應(yīng)的照明裝置，以達(dá)到最佳效果。2）圖像傳感系統(tǒng)機(jī)器視覺的圖像傳感器一般包括三個(gè)部分：鏡頭，攝像機(jī)，圖形采集卡。一般來說，圖像傳感器實(shí)施對(duì)景物圖像的采集；圖形采集卡承擔(dān)著對(duì)攝像機(jī)所采 集圖像的前置處理任務(wù)，是圖像傳感器與主處理器之間的鏈接“橋梁”。3）圖像處理系統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像處理系統(tǒng)軟件主要包括計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)及其應(yīng)用軟件、 圖像處

3、理算法軟件、控制軟件等。其中，圖像處理算法軟件是機(jī)器視覺系統(tǒng)中最 為關(guān)鍵的軟件，因?yàn)樗从吵鰧?duì)不同被測(cè)對(duì)象圖像特征檢測(cè)的核心思想 （數(shù)學(xué)模 型）。實(shí)際上圖像處理算法的涉及范圍十分廣闊，根據(jù)應(yīng)用目的的不同，可包括 攝像機(jī)標(biāo)定算法、圖像輸入處理、圖像濾波、邊緣檢測(cè)、特征提取、圖像匹配、 深度識(shí)別。（2）圖像采集設(shè)備的研究1）、遠(yuǎn)心光路遠(yuǎn)心光路就是孔徑光闌位于光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)處的光路。在測(cè)量?jī)x器中，遠(yuǎn)心光路的作用是非常明顯的，因?yàn)樗蟠蠼档土艘蛳到y(tǒng)離 焦而引起的測(cè)量誤差。遠(yuǎn)心光路中按照光闌位置的不同，又分為物方遠(yuǎn)心光路和 像方遠(yuǎn)心光路，光闌在像方焦點(diǎn)處的為物方遠(yuǎn)心光路， 光闌在物方焦點(diǎn)處的為像 方遠(yuǎn)心光

4、路。在圖7-1中，光闌在物鏡上，為非遠(yuǎn)心光路。按照測(cè)量要求，被測(cè)物 AB的 像A'B '應(yīng)與分劃板MN重合。但在實(shí)際測(cè)量中往往因調(diào)試誤差而產(chǎn)生離焦，物MAAii B Bi'BA Ai'N圖7-1非遠(yuǎn)心光路面位置實(shí)際位于AiBi處，它的像與MN不重合，在MN上的投影為CD，這樣 就導(dǎo)致了測(cè)量誤差。在圖7-2中，在像方焦點(diǎn)上加上孔徑光闌，成為物方遠(yuǎn)心光路。由于調(diào)焦不 準(zhǔn)，物面由AB移動(dòng)至AiBi,同時(shí)像面也由A'B'移動(dòng)至A'iB'i處，但由于是遠(yuǎn) 心光路，主光線平行于光軸，出射主光線通過焦點(diǎn)，主光線方向沒有任何改變， AiBi的像A

5、'iBi'在分劃板上的投影仍為 A'B'因此沒有引起測(cè)量誤差。當(dāng)然， 由于離焦，像在分劃板上的投影有一些彌散， 但投影中心沒有變化，雖然也會(huì)造 成判讀誤差，但是相比投影誤差會(huì)小得多。在圖7-3中，把光闌放在物鏡的前焦面處。由于軸外主光線在像方是平行的， 即使調(diào)焦有誤差，其主光線在分劃板上的位置也沒有變化，讀數(shù)還是相同的。綜上所述，因主光線平行于光軸，造成的結(jié)果是物體前后移動(dòng)時(shí)，在像面上 的像點(diǎn)只會(huì)模糊而位置中心不變。2）、景深在實(shí)際測(cè)量中，被測(cè)物都是有一定空間深度的，也就是說，需要將一定深度 范圍的物空間成像在一個(gè)平面上。M物空間所成的像，在像平面上除了與其共軛

6、的物平面的像之外， 同時(shí)還映出 了位于共軛物平面前后的空間點(diǎn)的像，這些非共軛點(diǎn)在像平面上所成的像不再是 點(diǎn)像，而是一些相應(yīng)光束的截面一彌散斑。這些彌散斑尺寸足夠小時(shí)，可以將其 等效地視為空間物點(diǎn)的共軛像，并認(rèn)為所成的由彌散斑組成的像是清晰的。能在像平面上獲得清晰像的空間深度稱為景深。BiAA乙B2乙B2-lil可得Vi J，扁1，圖7-4如圖7-4所示，因?yàn)槔硐胂衩鍮上的彌散斑Z'和Z'分別與物空間對(duì)準(zhǔn)面 A上的彌散斑ZiZ2相共軛，則有，乙 | |乙，Z2| |Z2，（1）式中，1是共軛面A'和A的垂軸放大率。 由圖中相似三角形得Zi h -lZ2 _ l -122(

7、1)_ h TD li ， D 于是有l(wèi)h -D -Zi(2)設(shè)乙二乙二Z, Z2l2 D Z2，Z代入(3)、式,(4)2DI I 二 Zd"2-Z2綜上所述，景深與光瞳（光圈）口徑 D，對(duì)準(zhǔn)距離I，垂軸放大率1 ,允許 彌散斑直徑z 等諸多因素有關(guān)。當(dāng)I、一：、Z 固定時(shí)，景深厶隨光瞳（孔徑光闌） 口徑D的加大而減小。遠(yuǎn)心光路的孔徑光闌一般不大，且由于主光線的特性使 得系統(tǒng)在一定離焦范圍內(nèi)成像倍率不變，所以其景深比非遠(yuǎn)心光路要大。3）、畸變?cè)诶硐牍鈱W(xué)系統(tǒng)中，一對(duì)共軛的物像平面上，放大率是常數(shù)。但是對(duì)于實(shí)際 光學(xué)系統(tǒng)只有視場(chǎng)較小時(shí)有這個(gè)性質(zhì)。當(dāng)視場(chǎng)較大或很大時(shí)，像的放大率隨視場(chǎng) 而

8、異，這就使像相對(duì)于物會(huì)失去相似性。這種使像變形的成像缺陷稱為畸變。設(shè)某一視場(chǎng)實(shí)際放大率為B，它與理想放大率P之差B - 0與P之比的百分 數(shù)就作為該視場(chǎng)的畸變，以q表示，即 q 二 100%，式中為像高與物高之比，設(shè)yp，為實(shí)際像高，y。為理想像高。則'匯注，因此q = yp£y_y。丄y I。=yp y。他。y yyjyy；四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟本實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容包括讓用戶通過實(shí)驗(yàn)對(duì)遠(yuǎn)心鏡頭有個(gè)實(shí)踐上的認(rèn)識(shí)，并對(duì)遠(yuǎn)心鏡頭的重要參數(shù)景深和畸變進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)步驟如下：1）、遠(yuǎn)心鏡頭景深測(cè)量圖7-5 景深測(cè)量光路圖（1）按照?qǐng)D7-5建好實(shí)驗(yàn)光路，并將各部件的光軸調(diào)至同軸等高。（2）將CMO

9、攝像機(jī)擰上鏡頭，USB插頭連接上計(jì)算機(jī)。在計(jì)算機(jī)上打開該攝像機(jī)（如果計(jì)算機(jī)事先沒有安裝驅(qū)動(dòng)程序，需用光盤安裝相應(yīng)的CMO攝像機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序）。（3）將分辨率板數(shù)字朝上，正面（刻字面）面對(duì)鏡頭，穩(wěn)定的置于干板架 上，不得遮擋刻有條紋和數(shù)字的有效區(qū)域，調(diào)整干板架支桿的高度，使圖形區(qū)的 中心與鏡頭中心等高。（4）在計(jì)算機(jī)上觀察分辨率板的成像是否正立，旋轉(zhuǎn)鏡頭使屏幕上成像正 立，微調(diào)干板架支桿高度使分辨率板的像位于窗口正中央。（5）將分辨率板與鏡頭第一光學(xué)面的距離調(diào)整至 GCO-2301鏡頭Re設(shè)計(jì)值, 并微調(diào)一維平移臺(tái)使成像清晰。（6）使分辨率板滑塊遠(yuǎn)離鏡頭，觀察顯示屏上的圖像，直至圖像出現(xiàn)明顯模糊現(xiàn)

10、象，記下此時(shí)分辨率板滑塊在光學(xué)導(dǎo)軌上的位置。再使分辨率板滑塊靠近 鏡頭，直至圖像再次出現(xiàn)明顯模糊現(xiàn)象，記下此時(shí)分辨率板滑塊在光學(xué)導(dǎo)軌上的 位置（本實(shí)驗(yàn)所使用的鏡頭，這兩個(gè)位置的距離約為70mm。（7）利用分辨率板滑塊在光學(xué)導(dǎo)軌上的讀數(shù)粗調(diào)分辨率板到鏡頭第一光學(xué)面的距離，利用一維平移臺(tái)微調(diào)這個(gè)距離。使分辨率板在步驟（3）所得出的成像區(qū)間中每2mm成像一次，點(diǎn)擊單幀采集并保存每次成像的圖像。由于一維 平移臺(tái)的調(diào)整范圍有限，所以采用粗調(diào)微調(diào)結(jié)合的方式來使位移的變化能夠覆蓋 0-70mm范 圍。（8）讀取上一步中所得到的各組數(shù)據(jù)，作出分辨率 -物距曲線。（9）本實(shí)驗(yàn)以分辨率在12lp/mm及其以上，為

11、可接受的分辨率，由此得到 成像清晰的物距范圍，最大物距和最小物距的差值即為景深。（10）將遠(yuǎn)心鏡頭替換為非遠(yuǎn)心鏡頭，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，測(cè)得非遠(yuǎn)心鏡頭 的景深之后，與遠(yuǎn)心鏡頭的景深相比較。（得到遠(yuǎn)心鏡頭具有能夠三維大景深成 像）。2）、遠(yuǎn)心鏡頭畸變的測(cè)量利用已知的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度（例如：刻度白屏）對(duì) DHCS像測(cè)量軟件進(jìn)行標(biāo)定（1）按照?qǐng)D7-6建好實(shí)驗(yàn)光路，將目標(biāo)物更換為刻度白屏。（2）打開DHC圖像測(cè)量軟件，點(diǎn)擊菜單欄“設(shè)備-大恒HV攝像機(jī)（若采集 設(shè)備為CCD攝像機(jī)則選擇大恒SV攝像機(jī)）”。（3）點(diǎn)擊工具欄“開始采集圖像”，在軟件的成像窗口內(nèi)呈現(xiàn)白屏的圖像。適當(dāng)調(diào)整刻度尺的位置。使其成像的位置盡量靠

12、近下面所用的滑動(dòng)標(biāo)尺且與窗口 的上邊緣平行。（加一張顯示屏的實(shí)景圖）（4）調(diào)整兩個(gè)滑塊的相對(duì)位置，使刻度尺在成像窗口中成像清晰。（5）點(diǎn)擊菜單欄“系統(tǒng)-標(biāo)定”或者直接點(diǎn)擊工具欄“校正工具圖表 丄”， 這時(shí)系統(tǒng)彈出紅色的滑動(dòng)標(biāo)尺（有水平方向和豎直方向兩個(gè)）和校正窗口，反選 校正窗口內(nèi)的“ X=丫選項(xiàng)”。（6）鼠標(biāo)放在滑動(dòng)標(biāo)尺水平方向和豎直方向的交點(diǎn)處，拖動(dòng)滑動(dòng)標(biāo)尺，使 滑動(dòng)標(biāo)尺左端與圖像中的刻度尺 0刻度線重合，將鼠標(biāo)放到水平滑動(dòng)標(biāo)尺的右端 拖動(dòng)調(diào)整滑動(dòng)標(biāo)尺長(zhǎng)度，使滑動(dòng)標(biāo)尺右端與白屏的 10mm位置重合。這時(shí)在校正 窗口內(nèi)有X和丫方向上長(zhǎng)度和像素之比的詳細(xì)信息。點(diǎn)擊確定，即完成了實(shí)驗(yàn)所 用圖像測(cè)

13、量軟件的標(biāo)定。3）利用DHC圖像測(cè)量軟件測(cè)量遠(yuǎn)心鏡頭的畸變（1）將目標(biāo)物滑塊上的實(shí)驗(yàn)儀器更換為剪式升降臺(tái)。（2）將待測(cè)目標(biāo)靶板正對(duì)鏡頭橫向豎直放置與剪式升降臺(tái)上（3）調(diào)整升降臺(tái)的高度，使目標(biāo)靶板的像占滿測(cè)量軟件的成像區(qū)域，并且 測(cè)量軟件成像區(qū)域正中心有一條黑色粗刻線， 調(diào)整物距使靶板在攝像機(jī)上成像清 晰。（4）在成像窗口中鏡頭的中央位置選擇一條黑色粗刻線，測(cè)量其寬度，作 為鏡頭成像的近軸理想像高yo。具體測(cè)量方法如下，點(diǎn)擊測(cè)量軟件界面菜單欄“測(cè)量-畫線”，鼠標(biāo)移至所選黑色粗刻線的上邊緣，單擊鼠標(biāo)選定直線第一點(diǎn)， 向下拖動(dòng)鼠標(biāo)，利用軟件自動(dòng)產(chǎn)生的水平輔助線使所畫直線與黑色粗刻線的邊緣 垂直，鼠標(biāo)移至黑色粗刻線的下邊緣，單擊鼠標(biāo)選定直線第二點(diǎn)，這時(shí)軟件會(huì)在 所畫直線上直接給出直線的長(zhǎng)度，測(cè)得黑色粗刻線的寬度，從而得到鏡頭成像的 近軸理想像高yo。測(cè)量多組數(shù)據(jù)取平均值，以消除像差和人為因素所帶來的誤 差。（5）在成像窗口中的待測(cè)點(diǎn)位置選擇一條黑色粗刻線，按照步驟（3）中的 方法測(cè)量其寬度，作為該點(diǎn)處的鏡頭成像的偏軸實(shí)際像高 yp，。同樣測(cè)量多組數(shù) 據(jù)取平均值。FF（6） 該被測(cè)點(diǎn)