图像处理与机器视觉第二章

2021/2/22图像处理与机器视觉主讲：吴静静单位：江南大学机械学院电子邮箱：wjjlady720@jiangnan.edu.cn2021/2/22第2章图像采集技术掌握数字图像采集系统的组成了解照明方法与光源了解镜头的作用和参数选择掌握图像传感器的类型和特点掌握一般图像采集系统的应用 案例 全员育人导师制案例信息技术应用案例心得信息技术教学案例综合实践活动案例我余额宝案例 12345图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.1数字图像采集系统的组成2021/2/22f(x，y)---理想成像面坐标点（x，y）的亮度i(x，y)---照度分量r(x，y)---反射分量，则f(x，y)＝i(x，y)×r(x，y)其中：0<i(x，y)<∞，0<r(x，y)<13-D客观场景到2-D成像平面的中心投影。物方点空间坐标与对应的像方点坐标满足几何透视变换关系（共线条件）。成像模型位置关系能量关系成像模型成像模型图像处理与机器视觉第2章图像采集技术图像平面镜头物体光源2.1数字图像采集系统的组成2021/2/22成像原理图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.1数字图像采集系统的组成2021/2/22成像原理图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.1数字图像采集系统的组成2021/2/22成像原理光电转换与数字化光子曝光期间，落在图像传感器上产生电荷转换为电压放大数字化（采样和量化）形成数字图像图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.1数字图像采集系统的组成2021/2/22成像原理图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.2照明与光源2021/2/22光源照明使用照明的目的如何构建合适的照明？图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.2照明与光源2021/2/22光源图像处理与机器视觉第2章图像采集技术光是一定波长范围内的电磁辐射2.2照明与光源2021/2/22光源图像处理与机器视觉第2章图像采集技术热辐射光源：电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源。光纤卤素灯（FiberHalogenLamp）2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术气体发光光源：电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源，分为弧光放电和辉光放电两种。氙灯（XenonLamp）荧光灯（FluorescentLamp）光源2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术固体发光光源：在电场作用下，使固体物质发光的光源，电能直接转变为光能。发光二极管LED体积小、重量轻寿命长响应速度快直流供电容易控制功耗小受环境温度影响光源2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术光源激光光源：利用激发态粒子在受激辐射作用下发光的电光源。半导体激光器激光三角测头2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术光源光源的光谱特性2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术光源光源的光谱特性2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术光源光源的强度与距离的平方成反比衰减2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明什么是照明光源与被测物之间的相互作用能量的变换（反射、散射、投射和吸收）几何关系（距离和方向）光谱特性与颜色持续时间（闪光灯）2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明为什么要使用照明室内灯光（起皱铝箔）漫反射光（起皱铝箔）2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明为什么要使用照明（1）作为照明光：突出感兴趣的特征，而抑制不感兴趣的特征（2）作为结构光：测量数学模型的一部分2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明如何获得合适的照明利用照明的方向性利用照明的光谱利用光照的图样2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明利用照明的方向正面照明/背光照明明场照明/暗场照明漫反射/同轴照射/平行光照明2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明明场与暗场照明了解W型利用照明的方向2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明明场照明2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明暗场照明2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明类型1：明场漫射正面照明环形灯半球形（穹形）同轴光源2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明明场漫射正面照明2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明类型2：暗场直接正面照明强调凸起、划痕和缺口等高度变化2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明暗场直接正面照明2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明类型3：明场漫射背光照明2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明类型4：明场平行背光照明明场漫反射背光明场平行背光2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明利用照明的光谱彩色物体反射一部分光谱，而吸收其他部分希望看到的被反射，不希望的波长范围被吸收相似的颜色被反射、对立的颜色被吸收2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明白光照明时彩色相机拍摄的糖果图像；白光照明，黑白相机红光照明，增强了红色和黄色，而变暗了蓝色黄光（红+绿光）照明，使黄色比红色更显著绿光照明，增强了绿色、蓝色和黄色，而变暗了红色蓝光照明，增强了蓝色，而变暗了其他颜色2.2照明与光源2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术照明投影仪投射激光条利用光照的图样2.3镜头2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术镜头的作用汇聚光线在相机内部成像产生锐利的图像2.3镜头2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术针孔成像针孔相机Pinholecamera木质针孔相机（1841，欧洲）2.3镜头2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术针孔成像针孔成像2.3镜头2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术针孔成像不实用，因为曝光太微弱相机常数（主距）针孔成像2.3镜头2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术实际镜头2.3镜头2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术简化模型：薄透镜成像2.3镜头2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术远心镜头2.3镜头2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术镜头主要参数(1)焦距与视场角（AngleofView)(2)光圈F值2.3镜头2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术镜头主要参数(3)最小工作距离(4)景深（DepthofField）景深与焦距的平方反比景深与光圈值大小成正比景深与工作距离成正比2.3镜头2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术镜头主要参数F值与景深2.4图像传感器的类型2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术把光能转化为电信号的光电探测器。包括光电转换、电荷收集、信号转换与输出三个步骤主流技术：CCD和CMOS（原理、性能和参数）2.4图像传感器的类型2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术光电效应光电效应PhotoelectricEffect光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，光能量转换成电能内光电效应和外光电效应1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。2.4图像传感器的类型2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术光电器件效应相应探测器外光电效应光阴极发射光电子光电管光电子倍增光电倍增管像增强器内光电效应光电导光敏电阻光生伏特效应光电池光电二极管2.4图像传感器的类型2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术光电成像2.4图像传感器的类型2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术固体成像固体：器件为固态器件,采用半导体工艺制成。（对比：真空成像器件采用真空玻璃壳中的靶进行图像转换）成像：利用半导体材料的光电效应，实现光电转换，通过驱动电信号实现光学图像的转换、信息存贮及按顺序输出，形成电子图像。（对比：真空成像器件采用电子束扫描方式）2.4图像传感器的类型2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术CCD(ChargeCoupledDevice)电荷藕合器件，CCD由许多感光单位（光电二极管）组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CMOS(ComplementaryMetal-Oxide-Semiconductor)互补金属氧化物半导体，它集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。主流固体成像技术2.4图像传感器的类型2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术CCD的发明1970年，Boyle(左)和Smith(右)在测试用最初状态的CCD元件组装的简易拍摄装置。2.4图像传感器的类型2021/2/22图像处理与机器视觉第2章图像采集技术CCD芯片面阵CCD线阵CCDCCD原理A光电转换B电荷储存C电荷转移D转化为电压量2.4图像传感器的类型图像处理与机器视觉第2章图像采集技术有一个光电转换装置把入射到每一个感光像素上的光子转化为相应数量的电荷CCD原理图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型2.这些电荷可以被储存起来CCD原理图像处理与机器视觉第2章图像采集技术3.电荷可以被有秩序地转移出感光区域CCD原理图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型早期的CCD是隔行扫描的，同一时刻，每两行小桶，只有一行被测量，这样可以提高快门速度，但图像精度大为降低。所以一副图像必须经过两次曝光，现在的CCD一般都是逐行扫描的，这是采集运动物体的图像所必须的。CCD原理2.4图像传感器的类型图像处理与机器视觉第2章图像采集技术CCD光敏原件的显微照片CCD原理图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型面阵CCD的类型全帧转移类型CCD（Fullframetransfer)图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型帧转移类型CCD(FrameTransfer)面阵CCD的类型图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型隔列转移类型CCD(Interlinetransfer)面阵CCD的类型图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型CMOS与CCD相同，通常采用光电二极管做为光电探测器与CCD不同，电荷可以通过选择电路直接读出图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型CCD与CMOS的光电转换CMOS和CCD最大的区别是：CMOS的电荷到电压转换过程是在每个像素上完成的。图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型CCD与CMOS的比较从以上的对比可以看出：CCD在图像的质量上更有优势。而常见的高速相机则会采用CMOS芯片。CCDCMOS速度慢快噪声好差灵敏度好差功耗毫安级微安级成本高低图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型图像传感器的参数（1）分辨率：1920*1080（2）帧率：30fps（3）尺寸：1/3（4）快门速度（5）噪声（6）光谱响应图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型相机-计算机接口图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型数字接口1000Mb/S480Mb/S800Mb/S7140Mb/S图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2.4图像传感器的类型专题1：镜头与相机的选型图像处理与机器视觉第2章图像采集技术‹#›问题：如何根据某个应用的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 选择相机和镜头？学习了数字图像采集系统的基本原理，在实际的应用中如何下手？引言图像处理与机器视觉第2章图像采集技术主要 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 选型步骤及举例第一步：明确需求第二步：选择相机第三步：计算焦距第四步：镜头工作距离和放大倍数修正图像处理与机器视觉第2章图像采集技术第一步：明确需求被测物体的大小O（mm）期望的工作距离WD（mm）期望的测量分辨率PR（mm/pixel）1选型步骤图像处理与机器视觉第2章图像采集技术举例(I)：芯片点胶机O=12mmWD=180mmPR=10μm/pixel相机芯片点胶头需求三轴运动平台图像处理与机器视觉第2章图像采集技术第二步：选择相机计算图像传感器的像素根据像素个数选择相机传感器类型传感器尺寸数据接口机器视觉系统的选型图像处理与机器视觉第2章图像采集技术计算图像传感器的像素根据像素个数选择相机像素个数：1296*964传感器尺寸:1/3’’(4.8*3.6mm)传感器类型:CCD数据接口:USB2.0尺寸：25*41*44mmPointGreyCMLN-13S2C举例(II)：芯片点胶机图像处理与机器视觉第2章图像采集技术第三步：计算镜头焦距机器视觉系统的选型图像处理与机器视觉第2章图像采集技术根据计算结果选择镜头flens，最小工作距离MOD镜头焦距、放大倍数和工作距离镜头焦距放大倍数工作距离图像处理与机器视觉第2章图像采集技术镜头焦距计算根据计算结果选择镜头：型号：ComputarM5018-MP焦距：flens＝50mm最小工作距离：500mm举例III：芯片点胶机图像处理与机器视觉第2章图像采集技术第四步：镜头工作距离和放大倍数修正情况1：镜头的最小工作距离MOD<WD实际工作距离实际放大倍数机器视觉系统的选型图像处理与机器视觉第2章图像采集技术增加接圈环修正放大倍数和工作距离情况2：镜头的最小工作距离MOD>WD图像处理与机器视觉第2章图像采集技术MOD(500mm)>WD(180mm)举例IV：芯片点胶机根据计算结果选择接圈：Lextender=15mm图像处理与机器视觉第2章图像采集技术成像系统参数汇总机器视觉系统的选型相机接圈镜头物体大小：12*10mm芯片大小：4.6*3.6mm镜头焦距：50mm接圈长度：15mm工作距离：176.41像素分辨率：10μm/pixel放大倍数：0.4相机接口：USB2.0图像处理与机器视觉第2章图像采集技术镜头和相机的选型流程图像处理与机器视觉第2章图像采集技术图像处理算法图像处理与机器视觉第2章图像采集技术2021/2/22思考题：图像处理与机器视觉第2章图像采集技术