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详解机器视觉系统组件(完整)

发布时间:2017-04-20 | 阅读次数:1841

机器视觉系统组件

机器视觉系统的主要组件包括视觉光源、镜头、图像传感器、视觉处理和通信。

光源用于对待检测的元件进行照明,让元件的关键特征能够突显出来,确保相机能够清楚地看到这些特征。

镜头用于采集图像,并将图像以光线的形式呈现给传感器。

机器视觉相机中的传感器将该光线转换成数字图像,然后将该数字图像发送至处理器进行分析。

视觉处理模块由各种算法组成,这些算法将对图像进行审核,提取所需的信息,进行必要的检验,并作出决策。最后,通信通常是通过离散I/O信号或数据来实现,主要是将这些信号或数据通过串行连接发送至一台设备,以供记录或使用。

大多数机器视觉硬件组件,如光源模块、传感器和处理器,都是以商用现货(COTS)形式供应的。用户可以购买这些商用现货(COTS),将它们组装成机器视觉系统,或者直接购买集成式机器视觉系统,即一台设备中集成了所有部件。

下面列出了机器视觉系统的各个关键组件,包括:光源、镜头、视觉传感器、图像处理、视觉处理和通信。

机器视觉系统组件

光源

光源是成功获取机器视觉检测结果的一个关键组件。机器视觉系统是通过分析从物品上反射过来的光线而不是分析物品本身来创建图像的。照明技术涉及到光源及其与元件和相机的相对位置。特殊的照明技术可通过将部分特征弱化,而将其他特征增强,从而改进图像,举例来说,通过照明将元件的轮廓突显出来,同时将表面细节遮挡住,以确保能够测量元件的边线。

1、背光

在仅需要进行外部或边线测量的应用中,背光可用于增强物品的轮廓特征。背光有助于检测物品的形状,让尺寸测量变得更可靠。

机器视觉背光源

2、同轴光

轴向弥散照明是指将光线从侧面耦合到光路中(同轴)。从侧面对一面半透明镜子进行照明,然后,镜子将光线向下投射到元件上。接着,元件通过这面半透明镜子将光线反射回相机,从而产生光线非常均匀、外观均质的图像。

同轴光源

3、结构光

结构光是指从一个已知的角度将光线图案(平面、网格或更为复杂的形状)投射到物品上。在提供不受对比度影响的表面检测、采集尺寸信息以及计算体积时,这种照明技术非常有用。

4、暗视场照明

定向照明包括暗视场照明和明视场照明,这种照明技术更容易揭示表面缺陷。暗视场照明通常是低对比度应用的首选照明技术。在暗视场照明中,镜面光线从相机中反射出来,同时,因表面纹理和高度变化而产生的弥散光线则被反射到相机中。

5、明视场照明

明视场照明非常适用于高对比度应用。但高度定向的光源(如高压钠灯和石英卤素灯)可能会产生清晰的阴影,通常无法在整个视场内提供均匀一致的照明。因此,高光泽或反射性表面上的热斑和镜面反射可能需要一种更加弥散的光源,才能在明视场中提供均匀一致的照明。

6、弥散穹顶照明

弥散穹顶照明能够对感兴趣的特征提供最均匀一致的照明,同时将不感兴趣以及可能对场景造成混淆的不规则之处隐藏起来。

机器视觉漫反射圆顶光源

7、频闪照明

频闪照明适合高速应用,这种照明技术能够将活动元件定格,以进行检查。另外,使用频闪照明也有助于防止图像模糊。

镜头

镜头用于采集图像,并将图像发送至相机中的图像传感器。不同的工业镜头在光学质量和价格方面存在差异,所使用的镜头将决定所采集图像的质量和分辨率。

大多数视觉系统相机主要提供两种类型的镜头:可现场互换的镜头和固定镜头。可现场互换的镜头通常为C接口或CS接口镜头。镜头和扩展配件的正确组合可确保采集到最佳图像。作为独立式视觉系统一个组成部分的固定镜头通常采用自动对焦技术,包括机械调焦镜头和液态镜头,都能够自动对焦元件。自动对焦镜头在指定的距离下通常拥有固定的视场。

图像传感器

相机能否采集到照明得当的待检验元件图像,不仅仅取决于镜头,还取决于相机内的图像传感器。图像传感器通常使用电荷耦合装置(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)技术将光线(光子)转换成电信号(电子)。

E系列千兆网相机

本质上来讲,图像传感器的工作就是采集光线,然后将光线转换成数字图像,该数字图像在噪影、灵敏度和动态范围方面保持平衡。图像是像素的集合。微弱的光线通常产生暗像素,而明亮的光线则会产生较明亮的像素。很重要的一点是,必须确保相机的传感器分辨率适合应用。分辨率越高,图像将拥有越多的细节,测量则将越准确。元件尺寸、检测公差及其他参数将决定所需的分辨率。

视觉处理

视觉处理是指从数字图像中提取信息,这可以在基于PC的外部系统中进行,也可以在独立式视觉系统内部进行。视觉处理是由视觉软件分步骤进行的。首先,从传感器中获取图像。在某些情况下,可能需要进行预处理,以优化图像,并确保所有必要的特征都突显出来。接着,视觉软件将定位具体的特征,进行测量,并将这些测量结果与指定规格进行比较。最后,作出决策,并将结果发送出去。

虽然机器视觉系统的许多机械组件(如光源)都提供类似的规格,但视觉系统的算法能够将它们区别开来,当我们对不同的解决方案进行比较时,视觉系统的算法应当位于需要评估的关键组件列表首位。视觉软件将根据特定的系统或应用来配置相机参数,作出通过-未通过决策,与工厂车间进行通信,以及支持HMI开发。

通信

由于视觉系统经常使用各种现成的组件,这些组件必须能够与其他机器组件相协调,并且能够快速、轻松地连接到其他机器组件。通常,这是通过离散I/O信号或数据来实现的,主要是将这些信号或数据通过串行连接发送至一台设备,以供记录或使用。

离散I/O点可以连接到可编程逻辑控制器(PLC),PLC将使用这些信息来控制工作单元或指示器(如堆栈指示灯),或者直接连接到螺线管,该螺线管可用于触发不合格产品剔除装置。 

串行连接式数据通信可以传统的RS-232串行输出或以太网的形式进行。有些系统采用较高层级的工业协议,如以太网/IP,可以连接到显示屏等设备或其他操作界面,提供适用于应用的操作界面,从而方便流程的监控和控制。