机器视觉及其应用(系列讲座)第二讲图像采集技术——机器视觉的基础

图像采集是机器视觉系统的基础,因为获取相应质量的图像,是对图像进行处理与分析的前提.该文是<机器视觉机器应用>系列讲座中第二部分,重点讨论了采像4个环节的内容、核心、以及对采集到的图像质量的影响.并分别讨论了光源、光学系统(镜头)、CCD摄像机、图像采集卡以及特殊或最新的图像采集技术与产品.     

一种平板玻璃缺陷在线检测系统的研究

根据光干涉的原理和视觉检测方法,研究开发了基于机器视觉的玻璃缺陷检测系统。针对实际的目标图像,通过对其进行图像获取、图像预处理、图像分割、特征提取和区域参数计算研究,从而获得玻璃表面锡点、气泡、玻筋等缺陷图像的识别信息。实验表明,该算法简单,速度快,系统抗干扰能力强。系统处理周期最大不超过400 m s,能检测出最小0.3 mm的缺陷。     

光源角度对金属表面图像边缘的影响分析

在机器视觉的图像处理中影响图像优劣的因素有很多,其中光源照射角度是主要因素之一.为了得到更好的图像数据,对视觉系统中光源照射最佳角度进行了仿真分析与实验研究,实验中采用单一变量法,只改变光源照射角度,通过理论计算、模拟仿真和实验验证相结合,得到了最佳的光源照射角度.结合Sobel算法检验在最佳角度下和其他角度下的图像边...     

基于机器视觉的电机换向器质量在线检测系统开发

电机换向器质量检测是换向器生产线中的一个重要工序,但其仍采用人工方式,存在检测效率低、漏检率高等问题。针对此问题,本文运用图像处理和机器视觉技术,开发换向器质量在线视觉检测系统。该系统针对生产过程工艺多变,造成形状检测标准不一致问题,提出自适应学习模板方法;在轴孔孔径检测,提出基于Freeman链码改进的孔径快速检测算法;在端面缺陷中,提出基于改进视觉注意力模型的端面缺陷检测方法。实验结果表明,系统检测精度达到99.80%,漏检率为0%,F-measure值为99.89%。该系统能够快速有效检测换向器存在的外观质量问题,可满足换向器在线质量检测需求。     

高效消除表面缺陷检测盲区的机器视觉在线检测系统

针对皮革表面类缺陷用机器视觉在线检测时,某些缺陷成像质量对照明方向呈现各向异性甚至无法显现而形成检测盲区的问题,研究设计了一套可消除该类检测盲区的在线检测系统。基于缺陷处的散射和信息采集机理得出缺陷特征光强随照明方向的变化规律,并以压印和油墨类缺陷为例进行实验研究,发现2类缺陷特征光强分布均与照明方向相关,缺陷的检测盲区与有效区呈正交态。据此,采用自主设计的侧入式均匀照射离轴面光源,设计出线阵和面阵正交复合的在线检测系统,采用垂直目标面采集信息、45°角暗场正交照明,线阵相机和线光源组成主检测系统,面阵相机和离轴面光源辅检测系统,对随机出现的各向异性缺陷进行上百个样本检测,实验证明,缺陷检测盲区被有效消除,缺陷识别率提升了近22%,检测效率也得到大幅度提高。     

冷冲压阀片表面压痕精确检测方法

亮光构件表面缺陷引起的微小形状突变能够通过反射条纹的畸变凸显,因此反射条纹技术可应用于反光物体的表面质量检测。提出了一种基于反射条纹图像的冷冲压阀片表面压痕机器视觉检测方法,通过该方法提取阀片的条纹图像信息,并进行缺陷特征的自动识别。采用滤波去噪和多尺度Retinex算法等系列预处理方法提高图像质量,通过条纹中心线、子窗口像素和及投影向量等特征参量的选择降低计算的复杂度,增加计算系统的稳健性。实验结果表明:基于反射条纹图像的阀片表面压痕检测方法具有高精度、高效率等特点,实现了阀片表面细微压痕的有效识别,识别精度可达0.1mm,检测效率(单张检测目标耗时2s)可以满足阀片生产线的实际在线检测需求。     

基于机器视觉的高精密轴承在线检测

高精密轴承是一种圆柱型零件,针对圆柱型零件高曲率表面缺陷及外形尺寸不能同时进行在线检测的问题,设计并实现了基于机器视觉的在线检测系统。检测时,为了解决金属件表面反光的问题,设计了专用的光源系统和照明方式,通过光学系统和机械旋转平台的配合,圆柱型零件在旋转的过程中被光学系统成像,从而可以采集到完整的圆柱面图像;经过快速的图像处理技术,可以检测到微米级的轴承表面缺陷及外形尺寸。检测结果表明系统具有高效率、精度高、易于使用等特点,可有效解决高精密轴承表面缺陷及尺寸在线检测的问题。     

线扫描缺陷检测系统中的LED光源设计

光源是影响机器视觉输入系统的重要因素,直接影响输入数据的质量和至少30％的应用效果。在线扫描缺陷检测系统中,对光源的亮度、均匀性、直线性、寿命、光谱范围都提出了较高的要求。鉴于LED光源在机器视觉中具有许多优点,以LED线形光源为例,探讨了线形阵列LED光源照明光场分布的影响因素,结合柱面镜对光源单方向约束的特性,介绍了LED阵列和柱面镜组合的聚焦条形照明光源的设计方法。通过仿真,证明了该设计可满足线扫描系统对光源的要求。     

一种眼镜镜片缺陷自动化检测系统的研究

根据光散射原理和视觉检测的方法,研究开发了一种基于机器视觉的眼镜镜片缺陷自动化检测系统,对眼镜镜片进行图像获取、简单的图像处理与分级、分拣,实现对镜片的分类。系统采用并行机构运行,利用低角度前向照明方式获得了镜片表面和内部的斑、杂质、羽毛等缺陷图像;利用归一算法进行图像处理与分级,得到不同缺陷的识别信息。实验结果表明,系统能够检测出镜片中含有的所有缺陷,每个镜片的平均检测时间控制在2 s以内,检测精度为0.038 mm。     

一种基于视觉检测的管路流量监控系统

研究了一种基于视觉检测的管路流量监控系统。将玻璃浮子流量计连接到管路中,采用LED光源对其进行照明,采用视觉检测系统拍摄玻璃浮子流量计图像,计算机软件对图像进行显示和处理,得出流量计的流量读数,并进一步对流量数据进行存储、显示和统计。系统既实现了管路工作状况和流量的现场目视观测,同时在主控中心还可通过由系统软件提供的流量计图像和流量数据实现管路工作状况和流量的监控。论述了系统的工作原理,分析了系统的硬件组成,在实验室条件下搭建了实验系统。对标定算法、浮子位置的亚像素定位算法进行了论述,并进行了实验测试和分析。结果表明,该系统能够满足工业现场的工作需求。     

微型石英敏感平板玻璃零件参数的激光视觉测量研究

高精度、快速非接触的平板玻璃零件的几何参数测量,已成为相关生产领域的主要问题,也是激光光谱学的一个重要应用方向。平板玻璃零件几何参数的准确检测不仅有助于加工工艺的改进和产品装配精度的提高,还可以实现按参数分档管理。为实现微型石英敏感平板玻璃零件参数的精密测量,提出了一种基于激光与视觉图像处理技术的多参数测量方法,设计了由自适应同轴视觉检测单元和激光视觉厚度测量单元构成的测试系统。为了保证其中的半导体激光器LD(laser diode)能提供稳定的光源,设计了一种恒功率驱动控制系统。在亚像素图像处理中给出了改进的亚像素边缘定位算法,实现了二次曲线特征边缘亚像素精确定位。利用检测出的曲线边缘点数据,通过定义一个新的误差函数并最小化,可以计算出微型石英敏感平板玻璃零件参数,从而实现图像特征参数的精确提取。在实验室条件下进行微型石英敏感平板玻璃零件几何参数的检测试验,测量结果的平均偏差优于2 μm。该方法稳定性好,测量精度高,满足微型石英敏感平板玻璃零件参数检测的精度要求。     

Robust CCD photoelectric autocollimator for outdoor use

A robust charge-coupled device(CCD) photoelectric autocollimator for outdoor use is designed and demon-strated. The influence of outdoor conditions on the signal-to-noise ratio(SNR) and imaging quality of the measuring system is experimentally analyzed. The pulse width modulation technology is applied to the automatic feedback control of the actively regulated illuminating light source of the measuring system to maximize SNR while avoiding image saturation. A Fourier phase shift method for subpixel estimation is adopted to achieve high-accuracy measurement in the presence of noises. Experimental results indicate that the technologies proposed here largely improve the measuring stability,dynamic range,and accuracy of the CCD photoelectric autocollimator used outdoors.     

复杂地物条件下基于线特征的异源景象匹配

为了寻求应用于复杂地物条件下异源景象匹配的算法,使其满足尺度和旋转不变性,受视觉成像系统的启发,利用初始简图可以表征图像大部分信息的特点,提出了一种新的基于线段对的异源图像匹配算法。首先,提取并筛选图像中能够表征图像信息的线段;然后,利用线段自身信息及线段的相对位置关系构建线段对特征;接着,通过线段对之间的相似性对图像进行粗匹配;最后,利用线段之间的拓扑关系进行精匹配。实验表明,本文方法对具有旋转、缩放和平移变换的异源图像的匹配正确率达到了75%以上,运算时间是传统匹配算法的1/5左右,基本满足了异源景象匹配应用对算法实时性和准确性的要求。     

基于边缘几何特征和频域相关技术的图像匹配方法

提出了一种基于图像特征提取和变换域相关的图像匹配方法。借助提取图像的大边缘信息，以其几何特征构造边缘方向角曲线作为图像匹配的依据。通过对差分的计算，并比较两幅图像边缘方向曲线的相对链码，得到2幅图像之间可能的旋转角度。对旋转矫正后的图像进行2维傅里叶变换，计算频域内2图的相位相关矩阵，并从中找到相关系数最大的位置，这个位置就代表了2图的坐标位移量，通过平移达到图像间的精确匹配。实验表明：该方法匹配准确，速度快，减少了人为因素的干扰，对于图像间存在较小灰度差和噪声情况均有很好的匹配效果。     

非相干照明条件下的ptychographic iterative engine成像技术

在传统多波长相干衍射成像理论的基础上提出适用于 X-射线和电子束等非相干光源照明成像的改进多波长ptychographic iterative engine 方法, 同时将小孔形状和照明光谱信息用于叠代计算, 可以在非相干照明条件下精确重建出物体的强度透射像和相位透射像, 并对光源带宽对重建精度的影响进行了分析, 对于解决如何在非相干照明条件下对大尺寸物体进行精确相位成像的问题具有较好的科研和实用价值.     

一种反激光窃听预警系统的窃听源定位研究

激光窃听技术通常不直接照射被窃听目标, 且由于玻璃散射的原因, 利用现有的拦截式激光预警技术无法获取其窃听源方位等信息, 针对该问题, 提出利用CCD相机结合滤光片的方案对窗户进行凝视成像的反激光窃听预警系统, 同时, 构建了窃听激光源、被照射玻璃上的散射激光光斑以及反激光窃听系统之间的空间几何模型, 结合边缘检测等图像特征提取算法以及最小二乘图像拟合算法对散射激光光斑轮廓进行拟合, 推导出窃听激光光源来袭方位的数学模型。实验结果表明:所搭建的激光窃听预警系统不但可以检测到照射到玻璃上的窃听光斑, 且可以有效地追溯到该激光束的方位角和俯仰角信息, 定位精度≤ 4°, 从而达到了对窃听源定位的目的, 有助于推动现有激光预警技术的进一步发展, 且在国防安全等领域发挥积极作用。     

一种导引头性能可视化评估方法

激光制导、微波制导的导引头由于不具备可视化功能,在实际环境中进行性能考核时,导引头是否成功截获指定目标、截获目标后的稳定跟踪过程是否正常以及在稳定跟踪过程中出现的问题都不易得到及时、准确的定位和分析。文中设计的可视化评估系统可有效解决上述问题,通过加装可见光成像系统同步伴随导引头运动的方法,将导引头搜索、跟踪目标的过程清晰成像,直观显示导引头的整个工作过程,同时利用图像跟踪系统和图像存储系统保存关键性能参数,试验完成后对导引头的输出参数及跟踪性能进行验证及处理,进而对导引头的性能参数进行分析和评估;通过动态跟踪或加载干扰源试验验证,该方法能利用可视化系统可靠同步跟随不可视导引头的运动,并对导引头跟踪过程进行定性观察及定量分析。该方法不仅可以克服室内仿真环境不太真实的缺点,又可进行多次重复性研究,性价比高,为导引头性能评估提供一种比较适用的研究手段。     

An opto-electrical method for measuring the gap of LCD glass plates

We focus on the experimented system development for the measurement of the gap of LCD glass plates. The measurement system includes a laser light source, lens module, image capturing system and the algorithm for calculation of the position of light spots. We emphasize the structure of laser triangulation in an optical system. The software is focused on the algorithm for calculating the position of light point, including centroid calculation method (CCM) and Fourier phase shift (FPS).

Furthermore, to verify the feasibility of the algorithm, we use computer software to simulate experiments. We also discuss the contribution of the noise to the accuracy for the CCM and FPS. To complete the development of the opto-electrical measurement system and to verify the accuracy for the hardware architecture, we use a novel mechanism of multi-track and concentricity, laser light source, lens module, and image capturing system.     

一种轴套类零件尺寸高精度图像检测方法的研究

在采用图像检测技术对轴套类零件尺寸进行高精度检测中，提出了一种高精度零件尺寸图像检测方法，在获取零件图像后，采用Prewitt算子完成对图像边缘的初步定位，在此基础上，通过对图像边缘灰度变化的离散值作最小二乘曲线拟合，并对该拟合曲线求极值，得到边缘位置；为了减少干扰对测量值的影响，采用误差数据处理方法筛选出有一定精度的检测数据，然后对这些检测数据求平均值，获得精确的边缘位置，由此计算出精确的零件尺寸。实验表明，该方法能有效地提高检测精度，在检测分辨率为1000DPI情况下，检测精度可达到13μm。     

基于像素结构空间光调制器的全息再现像问题研究

基于纯相位空间光调制器的全息显示系统在重构显示时,再现像的视觉效果受到空间光调制器像素结构引起的多级衍射光和多级再现像的干扰。在分析具有有限填充因子空间光调制器的像素结构对再现像影响的基础上,提出了一种提高全息再现像的视觉效果并且再现像成像位置和大小可调节的方法。先加载闪耀光栅到纯相位全息图,其次通过叠加会聚球面波相位,分离再现像与空间光调制器像素结构引起的多级衍射光的聚焦平面的位置,再利用光阑和高通滤波器的共同作用,消除高级衍射光、多级再现像以及零级光干扰对重构视觉效果的影响,最后引入成像透镜,调节再现像的成像位置与大小。建立了一套基于硅基液晶的全息显示系统用于实验验证。实验结果表明,最终的单一再现像清晰且可以方便地调节成像位置和大小。该方法同样适用于各种基于像素结构空间光调制器的全息光学系统。