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什么是结构光成像
什么是结构光成像 1.为什么需要三维成像? 随着我们文明的集体需求变得越来越复杂,过去的二维成像方法已经给我们对周围世界的感知和理解造成了限制。我们生活在3D世界中,许多应用领域都可以从3D意识中受益。 我们的“立体”眼睛和认知处理能力建立起我们的三维意识,但是提取三维信息并不是只能通过立体视觉。目前我们已经开发了几种不同的3D方法并将其应用于机器视觉,其中一种迅速流行(和实用)的方法就是结构化光成像。 2.结构光成像是什么? 结构化光成像使用特定的(通常是调制的)光图案和2D成像相机来捕获表面的3D形貌。Photoneo是结构照明系统的一个典型示例,现已在工业上被广泛的实际应用。 这个概念很简单:将已知的图案投影到表面上。当相机从一个(或多个)不同的角度查看图案时,目标的表面特征会使图案变形,如图1所示。图案变形的方向和大小用于重构目标对象的表面形貌。 图1:规则的条纹图案投射到球上。球的圆形表面使条纹变形,并且变形的图像被相机捕获以进行分析和对象重建。 在图1所示的示例中,已说明了规则的正弦波模式。这种类型的模式通常用于相移顺序投影方法,这只是已开发的几种方法之一。其他包括连续变化的彩虹图案,灰度或色带索引,网格索引(例如,使用伪随机二进制点或2D颜色编码的点阵列)等。除了这些方法之外,还有混合方法,它们结合了多种方法来优化特定表面或目标的结果。 关于各种方法的详细讨论超出了本文的范围。为了便于讨论,本文仅详细介绍相移方法。 3.什么是相移? 相移方法利用一组灰度图像,其像素强度由正弦波模式定义,如图2所示。通常,使用三个(或可能更多)图像之间具有已知相移的图像。将相移后的图案顺序投影到对象上,然后在进行相位展开操作之后,将所得的差异图像与参考平面进行比较,以提取原始对象的表面特征。 图2:用于相移结构光投影的3种正弦波模式图像之一 4.相移示例? 现在,让我们将“相移”方法应用于一个假设的示例。假设我们要绘制一个塑料球的3D表面,如图3所示。 图3:扫描目标:一个塑料球 如图4所示,以图像之间的已知相移来准备投影图案图像(请注意,通常使用3张或更多张图像。此处仅示出了2张,以节省空间)。 图4:相移投影图案。 在构造了投影图案之后,将图案顺序地投影到对象上,并捕获图像。展开后,可以重建3D表面贴图,如图5所示。 图5:相移的投影和生成的3D构造。 您可能会注意到,在图5的右侧仅重建了球体的前半部分(或“上半部分”)。对于这个假设的示例,我们假设没有移动摄像机。重要的是要了解结构光成像通常不用于测量体积密度(例如医学成像中使用的MRI或CT扫描)。它更多地是一种“表面映射”方法,因为它照亮了一个表面,并映射了该表面的形貌变化而不是物体的体积。从平面作为参考开始,此方法测量从该参考平面开始的偏转。即使此方法只能在任何给定的2D视图中捕获单个平面的偏转,也可以通过将目标旋转360°并捕获覆盖其整个表面的多个表面贴图来组装目标整个3D表面的3D网格。 结构光成像通常用于机器视觉,因为它可以产生高分辨率结果。某些方法可以有效地用于中速和高速应用。它允许同时采集多个样本,并可用于满足广泛或实际的挑战。
高速图像处理方案
评价工业相机的质量,除了其出色的成像和超低的价格之外,还包括稳固的外壳、娇小的尺寸、高传输速率、先进的算法技术等关于相机尺寸“浓缩的都是精华”不仅适用于美味的甜品,也适用于工业机器视觉的世界: “Sugarcube”这一专业术语近年来在行业内变得越来越重要,它代表着视觉技术朝小型、紧凑型发展的趋势。这个专业术语是指尺寸为29 mm x 29 mm的小型相机。此尺寸虽未经过正式确认,但已经是实际存在的标准。所谓的“Sugarcube”设计包含入门级和主流细分市场中的工业相机,涵括用于医学、交通运输和零售等一系列市场中的多种典型应用,还包括工厂自动化领域中的质量保证和自动化光学检测。业内专业小型化设计,使得相机在相对较小的空间中获得较大性能,传感器在有限的尺寸上效能得到尽可能的发挥。其稳固的外壳和IP69K的防护等级,能达到抗振动10g,抗冲击100g,使得相机能适应于各种严苛的工业环境。关于高速高精度机器视觉作为工业自动化系统的重要组成之一,其技术与应用也随着自动化行业的发展而日益成熟。具体体现在:图像质量和数据传输速度不断增强、图像处理能力增强相机的图像质量体现在,其采用前沿的SONY / Gpixel 图像传感器,像素高达65 MP,更小的像元尺寸使得相同的光学尺寸条件下拥有更高的分辨率,同时搭载了出色的图像优化系统,使得成像质量进一步提升。为提高相机的传输速率,特色产品采用了带宽更高的10GigE技术,10GigE以太网允许以1.1 GB / s的速度传输10倍的图像数据,同时提供了千兆以太网接口的所有优势,而无需更改集成软件。高速图像处理现代CMOS传感器在高灵敏度,低暗噪声和高帧速率以及非常高的动态范围内,可提供出色的图像质量。这些优点与10 GigE界面一起在快速过程中发挥了优势,例如在60 fps时高达4K的视频应用以及运动分析和虚拟现实应用中。低延时 机器速度不断提高与千兆位以太网摄像机相比,10GigE摄像机显着减少了总体系统延迟,即主机请求和响应接收之间的延迟。首先,传感器读取速度更快,这意味着读取时间更短,最后10 GigE接口加快了数据传输速度。延迟还取决于所使用的硬件和软件组件。与50到125μs的千兆位以太网不同,每帧的延迟降低到大约5到50μs。集成快速方便从GigE Vision标准版本2开始,相机集成便不再需要更改应用软件,因为软件独立于物理以太网接口。使用GenICam进行编程的相关操作保持不变,同时可以轻松实现与GigE相机一起操作。低成本系统方案越来越多的电脑主板支持10GBase-T接口,可直接连接万兆网接口相机。此外,还可以使用低成本的10GBase-T标准网卡,实现简单的单电缆解决方案,即通过同一根电缆实现数据传输与供电(以太网供电)。因而显著降低了系统成本,有效减少软件集成和现场维护的工作量。此外,使用价格实惠的标准以太网电缆足以满足应用要求,无需像Camera Link一样采用非常昂贵的电缆。同时,相机配备了RJ45以太网连接器,用于现场主机装配,用户只需支付所需的电缆费用即可。在时控生产等需要定期而非连续采集图像的应用中,带Burst(高速连拍)模式的万兆网接口相机提供了替代CoaXPress接口相机的方案。分辨率达1,200万像素的QX系列相机,在短序列图像采集时,帧率可达335 fps,速度约为四通道CoaXPress CXP-6相机的两倍。除了性能的整体提升,相机还集成了各种实用性高级功能:IEEE 1588 精确时钟同步协议、HDR、阴影校正、5x5颜色处理、直接驱动光源、液体镜头、奇数行和偶数行设置不同的曝光时间、出色的宽温设计等应用聚焦
机器视觉系统对颜色识别的影响
在日常生活中,机器视觉系统是一种非接触式的光学传感系统,它同时集成软硬件,能够自动地从所采集到的图像中获取信息或者产生控制动作。机器视觉自起步发展到现在,已有15年的发展历史,其作为一种应用系统,其功能特点是随着工业自动化的发展而逐渐完善和发展的。目前全球整个视觉市场总量大概在60~70亿美元,是按照每年8.8%的增长速度增长。而在中国,随着加工制造业的发展,中国对于机器视觉的需求将承上升趋势。机器视觉系统的特点是提高生产的柔性和自动化程度。在一些不适合于人工作业的危险工作环境或人工视觉难以满足要求的场合,常用机器视觉来替代人工视觉;同时在大批量工业生产过程中,用人工视觉检查产品质量效率低且精度不高,用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。而且机器视觉易于实现信息集成,是实现计算机集成制造的基础技术。因此,在现代自动化生产过程中,人们将机器视觉系统广泛地用于工况监视、成品检验和质量控制等领域。例如:印刷质量检测、智能交通管理、金相分析、医疗图象分析、瓶装啤酒生产流水线检测等。颜色识别是机器视觉中一个主要的应用,颜色识别是基于物体表面颜色特性差异,通过一定的算法来识别出不同的颜色,从而实现各种检测及控制。2006年,中国加工新鲜番茄430万吨,生产番茄酱近70万吨,其中63万吨出口,贸易额3.56亿美元,国际市场占有率从1997年7.7%增加至30%,成为继美国和欧盟之后的世界第三大番茄酱生产国。在新疆,番茄业是新疆的优势产业。它与石油、棉花一起并称为新疆“一黑一白一红”三大产业。1994年后,新疆番茄制品(主要是番茄酱)的年生产能力占到全国的90%以上,并培育出两个独具特色的品牌,产品成为亚洲、欧洲、美洲市场的抢手货。番茄制品90%出口创汇,也占据了全国番茄制品出口额的90%,番茄已经成为新疆继“一黑一白”产业之后兴起的又一特色产业。目前新疆的番茄制品已占欧洲市场的70%,新疆已经成为亚洲最大的番茄制品加工区,形成了一批番茄加工出口企业群。而番茄制品的初次加工主要是挑选出未成熟的番茄。分选方法有人工分选和自动分选。自动分选有通过光电分选技术以及机器视觉技术等。通过人工来实现番茄分选,由于人的主观因素以及工作强度造成的眼疲劳,大大降低了生产效率以及分选的准确性。光电分选不考虑物料的色度学特性,只利用物体的光学特性,通过光敏传感器将测得基准色标与非色标区单色漫反射光强度差异而进行分选。这种方法的优点是传感器反应快、价格便宜,但由于只考虑了物料的光学特性,而不考虑物料的色度学特性造成了像分选同色调,不同饱和度这样的物料时,而不能达到很好的精确分选的目的。另外该技术需要选用特定的光源,和特制的背景板,而且工作光源的震动和冲击会给检测带来很大的影响。采用机器视觉技术可以克服光电分选技术的缺点。
线扫描相机、光源与被测物体之间的角度分析
以玻璃检测为例,需要检测的缺陷有:脏点、结石、杂质、气泡、刮伤,裂纹,破损等,其大致可以分成两类,一类在玻璃表面的,一类是玻璃内部的。不同的缺陷,在图象中表现的出的灰度不一样,有黑的,有白的,也有灰的,并且在不同的光源照射角度或者相机接受角度,缺陷的对比度会变化,如在一个角度时,某一种缺陷的对比度最好,但其他缺陷可能比较次,甚至根本看不到。这样也就需要大量的分析、组合,才能确定最后的光源选型和相机、光源和被测物体之间的相对角度。如下图所示,相机、光源在不同角度安装,分别测试。结果发现:脏点,正面光源或背光都较容易凸现;结石和杂质,需要正面接近法线的照明或背面穿透照明;气泡,形状不固定,且要分析形成的原因以及方向,采用背面照明;刮伤和破损,正面低角度照明容易凸现。裂纹,需要背面侧照而且,以上缺陷并不是独立的,而是互相影响。统计、分析如下。综合以上因素,最后选用背光斜射和正面照射结合,相机接近法线方向安装。光源、镜头的调试线扫描系统,对光源和相机来说,有效的工作区域都是一个窄条。也就是保证光源照在这个最亮的窄条与相机芯片要完全平行,否则只能拍到相交叉的一个亮点。所以机械安装、调试是比较费工夫的。同时由于幅宽比较宽,对于线光源有两个特别的要求,就是均匀性和直线性。因为线光源不同位置的亮暗差异,会直接影响图象的亮度高低,这一点LED比卤素灯更好控制。出光部分的直线性,取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。由于现场环境比较复杂,客户总是希望花多一些时间去现场调试。但如我们前面讲到的相机、光源、被测物体的相对角度测试、分析,许多因素会直接影响到检测效果。所以我们建议先做实验室测试,有了方案之后,再去现场调试,这样会最有把握,也能提高调试效率。毕竟服务也是一种成本。 线扫描系统除了机械结构之外, 其主要组成部分还包括机器视觉和运动控制。
工业相机设计光源照明显示不同区域的方法
在照明系统的设计中,需要根据被测物体的大小来确定镜头的视场。然后,根据镜头视野的大小,确定好的照明系统。今天给大家讲解一下工业相机设计光源照明显示不同区域的方法:1. 反射系数从一个物体反射的光量是可以测量的。有两种不同的反思方法:镜面反射:入射角等于出射角。漫反射:由于物体表面不均匀,发出的光方向不同。2. 颜色也就是说,光谱分布,我们从三个角度来测量颜色:A波长:例如,绿光波长为550nm。B两种或两种以上光波的混合比例:混合的目的是产生另一种光。C互补色:从白光中移去的那部分光和剩下的光是互补色。3.光密度由于不同物体的材料、厚度和化学性质的不同,投射光的数量和强度也不同。光密度可能在整个光谱范围内不同,也可能只在一定范围内不同。一般来说,背光是识别光密度差异的好方法。4.折射不同的透明物质具有不同的折射率,所以它们会以不同的方式影响光的传播。例如,当气泡在玻璃中混合时,当光线直接照射时,会出现亮或暗的气泡边缘。5. 纹理有些物体的表面纹理是可以识别的,有些太小无法处理,但它会影响光的反射。在某些情况下,纹理是非常重要的,须用光源高亮显示。在其他情况下,纹理相当于噪音,所以须使用光源来突出另一个,削弱纹理。6. 深度直射光会突出物体的深度(阴影效果),而散射光会削弱物体的深度。7. 表面曲率由于曲率不同,表面不同部位的特性也不同。折射的光会突出这些特性,而散射的光则会削弱这些特性。
选购红外相机的必知的五点
1.从哪方面选购红外相机?答:质量和稳定性。因为这类相机一般都是在深山老林里单独工作,安装不方便,一个监测周期大概3个月左右,甚至更长,万一出现问题,等于白忙活。2.红外相机能够拍多远?答:这是一个专业问题,一般红外相机拍摄1-3米范围内的物体最清楚,如果有特别需要可以根据项目实际需要定制红外相机。3.红外相机夜间能拍彩色照片吗?答:红外相机夜间可以拍摄彩色照片,只不过拍摄彩色照片时对动物的习性有影响,科研中很少用到而已。4.红外相机是不是越贵越好?答:红外相机的质量好坏跟价格关系不大;按照正常的思维来说,价格贵的一定要好,但是根据市场规则,代理+备案的制度,一定范围能影响了它的价格,还跟需求数量有一定的关系。5.红外相机的价格从二三百到七八千的差别在哪?答:这是一个很难回答的问题,因为上一条说了并不是价格越贵越好,排除市场因素价格便宜的一定不好,据曝光,拆机件和B品(带瑕疵,大厂品质不接受)大大降低了成本,拉低了价格,质量和稳定性大家自己脑补。更多知识请参考:选购红外感应照相机时常遇到的问题与解答红外监测触发相机选购的误区和因素应该从哪些方面选择一款好的红外感应触发相机
3D无序抓取
什么是3D无序抓取?3D无序抓取就是利用3D成像系统对工件表面进行感知和分析,计算得到物体的实时空间坐标和姿态,无需示教即可无缝驱动机械臂可被广泛应用于料框堆叠工件的识别/无序抓取等多种需求。针对料框中散乱工件的上下料技术难点及机器代替人工的趋势,3D视觉引导定位机器人无序抓取系统解决方案采用3D相机进行三维数据的采集、匹配、识别,并将最合适抓取工件的坐标转换为机器人坐标,机器人根据限定条件进行最优路径规划完成散乱工件的抓取,最终实现无序抓取的整个流程。为什么要使用3D无序抓取?在工业上,机器人完成重复性工作已经很常见了,但是无序的应用环境则要复杂得多。这就意味着机器人无法依靠设定好的程序继续执行工作,而是需要对环境进行感知、分析,从而再做出判断。在没有应用3D视觉之前,杂乱无章的工作任务通常是用传统的工装实现定位的。这种方式无法满足不同产品使用一个工装定位的问题。随着电子行业的兴起,工业生产中无序类的应用需求越来越多。为了解决这个问题,3D视觉就成为了最佳的选择。专门针对散乱堆放的工件设计,来高效地完成3D智能抓取,来替代传统的工装夹具。3D无序抓取在实际工业中的使用使用3D无序抓取命令,可以做到:检测任何物体的每个位置和形状;在盒子中检测未分类的零件,用机器人将他们捡起来并送入生产机器;将盒子中每个检测到的零件的位置发送给机器人。通过3D匹配,可以只用1个3D传感器来配置之前的任何对象的形状和位置。因此,可以用来无序抓取复杂形状的零件。在这些方向上3D无序抓取也得到了应用:>> 多品种工件的机器人3D定位抓取上料>> 料框堆叠物体3D识别定位>> 复杂多面工件的柔性化3D定位抓取>> 大型物体3D定位抓取>> 工件的无序来料3D定位>> 多工序间机器人协作3D定位抓取>> 输送带上物体的快速3D定位抓取>> 喷涂机器人来料3D识别定位>> 大型设备的机器人装配3D定位3D无序抓取现状及未来发展从生产和环境适应性的角度来讲,未来几年的发展方向对3D视觉有着更广泛的需求。这要求3D相机能够通过对工件3D数据的扫描,帮助机器人快速准确的找到被测零件并确认其位置,引导机械手准确抓取定位工件,从而实现工业机器人自动化生产线的柔性工装。而在应用拓展方面,除了智能抓取,当前,机器人3D视觉在自动化焊接、自动化切割、自动化装配、自动化码垛等方面也有广泛应用。【来源:光虎视觉内部培训资料】
自动对焦技术
什么是自动对焦? 自动对焦指的是能够根据被测物与视觉系统之间的距离,来自动调整镜头焦距以保持影像清晰。是利用物体光反射的原理,相机上的传感器接收反射的光,通过计算机进行处理,带动电动对焦装置进行对焦。自动对焦技术通常分为两类:主动式和被动式。 主动式 指的是相机上的红外线发生器、超声波发生器发出红外光或超声波到被测物。相机上的接收器接收反射回来的红外光或超声波进行对焦,其光学原理类似三角测距对焦法,即测距自动对焦。 被动式 即直接接收并分析来自被测物自身的反光,进行自动对焦的方式。这种自动对焦方式的优点是自身不需要一个发射系统,因而耗能少,对具有一定亮度的被测物有较为理想的自动对焦。通常为聚焦检测自动对焦。一般来说,工业上进行使用多数为被动式自动对焦。 如何进行自动对焦? 配备有自动对焦功能的相机,通常使用软件搭配液态镜头来调整焦距,从而达到聚焦清晰的效果。 只有在需要对焦的区域中需要达到最佳聚焦点时才会有作用,然后会停止自动对焦的动作。这就是通过接收来自被测物自身反射的信息,进行图像数据分析,从而达到控制液态镜头,改变焦距的效果。 如何判断最佳聚焦点? 有不同的方法来测量图像的清晰度,依据两个基本原理。第一个原理是图像的边缘清晰度。也就是在实际获取的图像中,搜索相邻像素之间的大的灰度值的跳跃,来突出显示边缘或者轮廓。这些边缘轮廓的对比度则用来决定图像的锐利度。边缘图像越清晰,原始图像的清晰度越高。(具体可以参考图像在时域和频域的转换中的高频部分)。 第二个原理是基于图像直方图的值的分析。可以用来计算图像的平均灰度值的像素值的变化量。方差越大,现有的灰度值边缘和图像的对比度就越高。如果图像变得不聚焦,那么之前的灰度值跳跃大的边缘就会呈现斜坡形式的梯度,导致图像的对比度降低。也就是说,图像越清晰,灰度扩散越高,图像中的对比度也就越高,图像也越清晰。 在使用自动对焦,焦距在改变过程中,图像的锐利度和方差是会实时改变的,通过软件进行图像锐利度以及方差的分析处理,达到一个效果显著的清晰图像。 自动对焦技术的优势在哪? 自动对焦技术使用液态镜头来实现,与传统透镜有所不同,液体镜头是一种使用一种或多种液体制成的无机械连接的光学元件,可以通过外部控制改变光学元件的内部参数,有着传统光学透镜无法比拟的性能。简单来说就是透镜的介质由玻璃变为液体。更准确地来说就是一种动态调整透镜折射率或通过改变其表面形状来改变焦距的新型光学元件。 就像利用玻璃制成的传统光学镜头一样,液体镜头也属于单体光学元件,但其材质是可以改变形状的光学液态材料。玻璃镜头焦距取决于其材质和曲率半径。液态镜头也遵从相同的基本原理,但其独特之处在于可以改变曲率半径,从而改变焦距。这种半径变化采用电控方式,能够实现毫秒级的变化。生产厂家利用从电润湿到形变聚合物再到声光调节等各种技术,控制液态镜头曲率半径和折射率。 大多数成像镜头都是多元件镜头,单光学镜头的成像性能难以满足需要。因此只使用液态镜头是不明智的。但在多元件设计中结合使用液态镜头和成像镜头,就可以发挥液态镜头的速度和灵活性优势。液态镜头能够以毫秒级的反应时间在近距离或光学无穷远对焦,这对于条码读取、包装分类、安保和快速自动化等需要在多个位置进行对焦的应用来说是一种理想选择,这些被检测物体要么尺寸不同,要么与镜头之间的距离不同。在需要快速对焦的各种应用中,可以利用液态镜头提高成像系统灵活性。 【来源:光虎视觉内部培训资料】