haclon机器视觉图像处理分析项目开发流程及选型需求分析

今天简单的介绍下开发一个视觉检测设备的流程以及机器视觉系统组成概念。

 

一、项目分析四步骤：

1、客户需求分析

项目类型：

a)、缺陷检测（目前也是复杂度最高，最应该谨慎的项目类型，雷点多，老司机上路，请做好开车前做好安全启动步骤）需要反复跟客户进行沟通了解客户检测需求。

b)、尺寸测量：自动测量产品外观尺寸，实现非接触式测量。

c)、视觉定位：判断物体的位置坐标，引导控制机器的运动。
d）、模式识别：一维码、二维码识别，颜色识别、形状识别等。

数据分析：

a)、精度分析：检测测量会需求对检测设备提出检测精度，比如常见0.02mm.

b)、速度分析：视觉设备完成一次检测时间，即CT。
c)、空间分析：对视觉器件的安装位置检测位置的需求。
d)、成本分析：也是最重要的指标，通常需要从各个方面平衡。

2、硬件选型分析

a)、相机

像素：相机的像素的选择主要是根据客户的精度需求来确定的，通过需要拍的图像的视野和检测精度计算出来.
一边的像素值 = 一边的视野 / 精度
精度 = 客户精度 / 2~3；
芯片类型：根据成本和检测内容的需求：
1、选择CCD成本高，但图像效果稳定，主要是用在高精度测量上，保证重复检测精度；选择CMOS成本低但图像噪声，及边缘不稳定。
2、选择芯片尺寸大，图像效果稳定，成本高；选择芯片尺寸小，成本低，用于定位找中心。
帧率:根据客户速度需求分析：采用高帧率还是低帧率，采集速度快，帧率高，成本高。

采集方式:选择全局曝光还是逐行扫描：在运动状态如流水或飞拍一般会选择全局曝光，
b）、镜头

焦距:根据物距和视野范围来选配镜头的焦距，计算公式：
f={工作距离/视野范围长边（或短边）}X CCD长边（或短）
焦距越小，景深越大； 焦距越小，畸变越大； 焦距越小，渐晕现象越严重，使像差边缘的照度降低
景深:如果检测的产品位置是二维平面，则对景深没有太高的要求，如果检测的产品位置有高低之分并且都要看到则需要景深比高低差值要大点才可以。景深越大，调试效果越方便。
分辨率:同样视野的情况高质量的镜头在成像上越清晰，但价格越贵
接口:与相机连接的接口在标准上分为：C接口、CS接口、F接口、M42接口等。
C与CS接口的区别在于镜头与摄像机接触面至镜头焦平面（摄像机CCD光电感应器应处的位置）的距离不同，C型接口此距离为17.5mm., CS型接口此距离为12.5mm.
C型镜头与CS型摄像机之间增加一个 5mm的C/CS转接环可以配合使用
倍率:用于计算主要缩放比例的公式如下：PMAG   =  感光芯片尺寸 (mm) / 视场 (mm)
镜头种类:按焦距划分：定焦和变焦 
按光圈划分：固定光圈和可变光圈
按接口划分：C接口、CS接口、F接口等
按倍数划分：定倍镜头、连续变倍镜头

机器视觉行业常用到的很重要的镜头主要包括FA镜头，远心镜头和工业显微镜 等，定位及尺寸测量一般使用远心镜头，表面检查和识别多用FA镜头。
定制及特殊要求：对于有特殊需求的镜头我们可能还需要向镜头厂商定制，主要是有安装方式不标准，尺寸大小不标准，参数有特殊需求等。
c)、光源

光源选择的注意事项：
1、镜头的工作距离；
2、现场的安装障碍；
3、照明对象的现场实际情况；
4、照明对象特征是否存在特殊性；
5、图像是否需要彩色；
6、安装的便利性；
7、成本；
满足应用，综合考虑，理论分析，最后实验验证。
类型：

条光条光选型要领：

1、条光照射宽度最好大于检测的距离，否则可能会照射距离远造成亮度差，或者是距离近而幅射面积不够；

2、条光长度能够照明所需打亮的位置即可，无须太长造成安装不便，同时也增加成本,一般情况下，光源的安装高度会影响到所选用条光的长度，高度越高，光源长度要求越长，否则图像两侧亮度传经比中间暗；

3、如果照明目标是高反光物体，最好加上漫射板，如果是黑色等暗色不反光产品，也可以拆掉漫射板以提高亮度；
环光选型要领：

1、了解光源安装距离，过滤掉某些角度光源；例如要求光源安装尺寸高，就可以过滤掉大角度光源，选择用小角度光源，同样，安装高度越高，要求光源的直径越大；

2、目标面积小，且主要特性在表面中间，可选择小尺寸0角度或小角度光源；

3、目标需要表现的特征如果在边缘，可选择90度角环光，或大尺寸高角度环形光；

4、检测表面划伤，可选择90度角环光，尽量选择波长短的光源；
条形组合光选型要领：
1、条形组合光在选择时，不一定要按照资料上的型号来选型，因为被测的目标形状、大小各不一样，所以可以按照目标尺寸来选择不同的条形光源进行组合；

 2、组合光在选择时，一定要考虑光源的安装高度，再根据四边被测特征点的长度宽度选择相对应的条形光进行组合；

背光源/平行背光源造型要领

1、选择背光源时，根据物体的大小选择合适大小的背光源，以免增加成本造成浪费；

2、背光源四周一条由于的外壳遮挡，因此其亮度会低于中间部位，因此，选择背光源时，尽量不要使目标正好位于背光源边缘；

3、背光源一般在检测轮廓时，可以尽量使用波长短的光源，波长短的光源其衍射性弱，图像边缘不容易产生重影，对比度更高；

4、背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳的效果，并非离得越近效果越好，也非越远越好；

6、检测液位可以将背光源侧立使用；

5、圆轴类的产品，螺旋状的产品尽量使用平行背光源；
同轴光造型要领

1、选择同轴光时主要看其发光面积，根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光；

2、同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍左右,因为同轴光的光路设计是让光路通过一片45度半反半透镜改变,光源靠近灯板的地方会比远离灯板的亮度高,因此,尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀;

3、同轴光在安装时尽量不要离目标太高，越高，要求选用的同轴光越大，才能保证才均匀性；
平行同轴光选型要领：

1、平行同轴光光路设计独特，主要适用于检测各种划痕；

2、平行同轴光与同轴光表现的牲点不一样，不能替代同轴光使用；

3、平行同轴光检测划伤之类的产品，尽量不要选择波长长的光源；
其他光源选型要领：

1、了解特征点面积大小，选择合适尺寸的光源；

2、了解产品特性，选择不同类型的光源；

3、了解产品的材质，选择不同颜色的光源；

4、了解安装空间及其他可能会产生障碍的情况，选择合适的光源；

d)、辅助期件

机器视觉系统是一门应用性很强的系统工程，不同的工厂，不同的生产线，不同的工作环境对光源亮度，工作距离，照射角度等的要求差别很大。有时受限于具体的应用环境，不能直接通过光源类型或照射角度的调整而获取良好的视觉图像，我们就常常需要借助于一些特殊的辅助光学器件。
常见的辅助光学器件有：
反射镜：反射镜可以简单方便的改变优化光源的光路和角度，从而为光源的安装提供了更大的选择空间。
分光镜：分光镜通过特殊的镀膜技术，不同的镀膜参数可以实现反射光和折射光比例的任意调节。机器视觉光源中的同轴光就是分光镜的具体应用。
棱镜：不同频率的光在介质中的折射率是不同的，根据光学的这一基本原理可以把不同颜色的复合光分开，从而得到频率较为单一的光源。

偏振片：光线在非金属表面的反射是偏振光，借助于偏振片可以有效的消除物体的表面反光。同时，偏振片在透明或半透明物体的应力检测上也有很好的应用。

漫射片：漫射片是机器视觉光源中比较常见的一种光学器件，它可以使光照变得更均匀，减少不需要的反光。

光纤：光纤可以将光束聚集于光纤管中，使之想水流一样便于光线的传输，为光源的安装提供了很大的灵活性。
e)、工控机

1. 根据使用工控机的空间大小选择。工控机通常需要安装在机架上或其他狭小空间中，所以安装尺寸就构成了他的首要限制条件。工控机根据安装尺寸，高度从1U到7U不等（1U=4.45厘米），同时，近十年发展出体积更小的无风扇嵌入式工控机，长仅为十余厘米，也有功能更为复杂的工作站，所以，首先要根据现场安装尺寸的大小，选择产品规格。  

2. 根据现场可行的安装方式，可分为壁挂式、机架式、台式、嵌入式，同时，也要考虑出线方式以避免接线困难，如前出线、后出线等。 

3. 环境需求。工控机之所以不同于普通民用计算机，是因为他能够应用于恶劣的环境，如超高或超低的温度、高粉尘、高振动等场合。所以在选择工控机时要仔细察看其参数是否能够满足您的应用环境的需求。如操作温度、存储温度等。  

 4. 技术参数。如同选择个人电脑一样，买工控机也要看看配置：处理器（处理速度）、存储、内存、软件等。在选择这些参数时，要根据应用对于工控机的需求选择。  

5. 扩展性。要考虑工控机的接口类型需要哪些，是否有RS-232/485、PCI、PCI-E、USB、Profinet等种类的接口，如果购买的不是工控机整机而是组装机，注意在选择板卡的时候考虑接口问题。  

6. 品牌。工控机是应用在关键场合的产品，稳定性、可靠性、质量等直接影响到整个项目的成败，所以品牌也是非常重要的考虑因素。工控机老牌品牌以研华等台湾品牌为主，目前也有一些国内的工控机品牌，如华北工控、研祥、研祥等。西门子这样的欧美企业目前也正在做工控机的本土化，价钱也与台湾品牌日渐接近，都是可供选择的方案
3、软件项目架构

a)、需求分析  b)、界面设计   c)、功能设计   d)、模块设计   e)、流程设计   f）、过程分析   g)、编码测试

4、项目调试及维护
a)、装配调试  b)、功能调试   c）、试产调试  d)、量产调试  e)、后期维护