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机器视觉实用教程

目录

版权声明... 12

读者利益... 13

感谢... 14

前言... 15

第一章 机器视觉概述... 16

1.1 机器视觉的概念... 16

1.2 机器视觉的优点... 16

精度高... 17

连续性... 17

稳定性... 17

性价比高... 17

生产效率高... 17

灵活性... 17

1.3 机器视觉的发展史... 18

机器视觉的发展历程... 18

机器视觉产品的发展... 19

机器视觉的发展趋势... 20

1.4 机器视觉领域的主要厂商... 21

国外厂商... 21

国内厂商... 21

1.5 机器视觉系统类型... 21

1.6 机器视觉系统特点... 21

1.7 机器视觉系统构成... 22

1.8 机器视觉的主要应用范围... 23

电子与半导体... 24

制药... 24

工业包装... 25

汽车制造... 26

印刷... 27

食品饮料... 28

医学应用... 28

其他工业应用... 29

1.9机器视觉概述课后习题... 30

第二章 基础光学... 33

2.1 为什么学习基础光学... 33

2.2 常用单位... 33

2.3 电磁波谱与光... 33

2.4 三大光学现象... 36

2.5 三大光学基本定律... 40

2.6 全反射... 42

2.7 辐射度量... 42

2.8 光度量... 43

2.9 照度... 46

2.10 色度... 49

2.11 均匀颜色空间... 66

2.12 CIE均匀色度空间... 67

2.13 孟塞尔表色系统... 71

2.14 基础光学课后习题... 73

第三章 专业名词中英文对照与解释... 76

3.1 镜头专业名词... 76

3.2 相机专业名词... 79

面阵相机专业名词一... 79

面阵相机专业名词二... 81

线阵相机（Line scan) 82

3.3 总线采集卡专业名词... 85

3.4 光源专业名词... 86

3.5 光源控制器专业名词... 88

3.6 软件专业名词... 89

3.7 专业名词课后习题... 94

第四章 光源... 96

4.1 光源概述... 96

4.2 为什么要使用光源... 96

目的... 96

重要性... 96

4.3 光源种类... 97

高频荧光灯... 98

光纤卤素灯... 99

氙气灯... 99

LED光源... 100

光源参数比较... 101

4.4 LED光源的优势... 102

4.4 LED光源的种类及照射原理... 103

环形光源... 103

环形无影光源... 104

条形光源... 105

方形无影光源... 106

面光源（背光源）... 107

平面无影光源... 107

圆顶无影光源... 108

同轴光源... 109

同轴平行光源... 109

线光源... 110

点光源... 111

聚光光源... 112

非标光源... 113

4.5 LED光源的颜色... 113

4.6 LED光源的光谱... 113

4.7 光源对成像的影响... 114

4.8 照明光源的照射方式... 116

直射光... 116

漫射光（扩散光）... 116

偏光光... 117

平行光... 118

4.9 照明技术... 118

反射照明... 118

明视野与暗视野照明... 119

折射照明... 121

透射照明... 122

颜色和补色... 124

4.10 打光方法... 130

单向照明... 130

掠射... 132

漫射... 134

环形照射、四面照射... 137

同轴（平行）光照射... 137

背光照射... 139

结构光照射... 141

颜色的选择... 142

选择背景... 143

4.11 光源配件的使用... 144

偏光器(Polarizer) 144

滤光片（Filter）... 146

光线控制膜(Light control film) 146

4.12 电源控制器的选择... 149

LED的伏安特性... 149

常亮、可控、频闪... 151

4.13 选择合理的光源... 151

被测物体的特征... 151

工作距离... 152

视场大小... 152

安装方式... 152

光源颜色... 152

4.14 光源细节... 152

无影光源与有影光源... 152

光源角度... 154

高角度、低角度、零度... 155

面光源... 156

光源亮斑... 156

漫射板对照明的影响... 161

同轴（平行）光... 163

4.15 光源课后习题... 163

第五章 镜头... 166

5.1 什么是光学镜头... 166

5.2 镜头的分类... 166

球面镜头... 167

非球面镜头... 173

针孔镜头... 175

鱼眼镜头... 176

固定光圈定焦镜头... 177

手动光圈定焦镜头... 178

自动光圈定焦镜头... 178

手动光圈变焦镜头... 179

自动光圈电动变焦镜头... 180

电动三可变镜头... 181

长焦镜头... 181

标准镜头... 182

焦距转换率... 183

微距镜头（marco lens）... 185

广角镜头... 185

折射式望远镜头... 186

反射式望远镜头... 186

C型镜头... 187

CS型镜头... 188

2/3’镜头... 189

1/2’镜头... 189

5.3 镜头的机械参数... 189

5.4 光学参数... 190

焦距... 190

相对孔径... 192

光圈... 192

视场角... 194

放大倍率... 195

景深... 196

工作距离... 197

法兰焦距... 198

广角... 198

长焦... 198

自动对焦... 199

定焦... 199

光学变焦... 199

镜片组... 199

对焦... 200

镜头材质... 201

屈光度... 201

潜望镜式镜头... 201

分辨率... 202

镀膜... 209

5.5             光学基础-透镜成像... 211

凸透镜成像... 211

凹透镜成像... 212

5.6 像差... 215

球差... 216

彗差... 217

像散... 219

场曲... 220

畸变... 221

色差... 223

5.7 工业镜头的常见种类... 224

CCTV镜头... 224

远心镜头... 224

显微镜头... 228

线阵镜头... 230

变焦镜头... 230

5.8 镜头选型... 231

选择因素... 231

镜头焦距的计算... 232

镜头各参数间的相互影响关系... 232

5.9 镜头细节研究与验证... 233

光圈对成像质量的影响... 233

不同光圈不同景深验证... 237

不同光圈对图像亮度的影响... 243

相同工作距离不同焦距镜头对视野的影响... 244

镜头中间与边缘的分辨率验证... 244

镜头焦距对畸变的影响... 247

5.10　镜头课后习题... 249

第六章 相机... 252

6.1 相机概述... 252

6.2 相机成像流程... 253

6.3 CCD的工作原理... 253

6.4 CMOS的工作原理... 254

6.5 CCD与CMOS的区别... 255

6.6 黑白相机成像原理... 259

6.7 彩色相机成像原理-3CCD.. 259

分色棱镜... 261

6.8 彩色相机成像原理-拜尔模式... 262

色彩插值... 263

6.9 工业相机的分类... 265

模拟相机... 265

数字相机... 266

彩色相机... 267

黑白相机... 268

面阵相机... 268

线阵相机... 268

CCD相机... 268

CMOS相机... 272

USB2.0相机... 272

USB3.0相机... 272

1394A相机... 273

1394B相机... 274

GigE相机... 274

Camera Link相机... 275

直接显示工业相机... 275

智能相机... 277

6.10 各种相机接口比较... 278

6.11 工业相机与民用相机的比较... 280

6.12 工业相机的参数... 281

分辨率... 283

像元尺寸... 284

传感器尺寸... 284

传感器类型... 286

卷帘快门... 286

全局快门... 289

逐行扫描... 290

隔行扫描... 291

采集速度... 292

输出颜色... 293

数据位数... 293

信噪比... 293

动态范围... 294

灵敏度... 295

光谱响应... 295

同步方式... 296

数据输出接口... 298

可编程控制... 298

镜头接口... 298

6.13 工业相机的选择... 298

分辨率... 298

颜色... 299

传感器类型... 299

传感器尺寸... 299

相机镜头接口... 299

相机输出接口... 299

视觉平台... 299

6.14 工业相机细节探讨... 300

相机分类... 300

相机数据输出接口... 300

相机的分辨率... 304

采集速度... 305

相机的图像传感器... 306

相机快门分类... 306

卷帘式快门影响-运动与静止物体成像对比... 306

全局快门影响-运动与静止物体成像对比... 307

快门速度对图像质量的影响... 307

快门速度对亮度的影响... 309

相机驱动... 309

相机属性参数... 310

不同增益时的比较验证... 312

视频模式... 312

不同视频模式时的图像对比... 313

彩色相机... 315

6.15 相机课后习题... 316

第七章 总线与采集卡... 318

7.1 总线... 318

7.2 总线按功能和规范分类... 318

(1) 片总线(Chip Bus, C-Bus) 318

(2) 内总线(Internal Bus, I-Bus) 319

(3) 外总线(External Bus, E-Bus) 319

7.3机器视觉涉及的总线接口（外总线）... 319

7.4 PCI 319

PCI介绍... 319

PCI的主要应用... 321

7.5 PCI-E. 322

PCI-E介绍... 322

PCI-E主要应用... 324

7.6 PXI/PXI-E. 324

7.6 USB. 325

USB介绍... 325

USB的主要应用... 327

7.7 1394火线... 327

1394介绍... 327

1394主要应用... 328

7.8 GigE千兆以太网/10GigE万兆以太网... 328

GIGE介绍... 328

GIGE主要应用... 329

7.9 Camera Link. 329

Camera Link介绍... 329

Camera Link主要应用... 330

7.10 ThunderBolt. 330

ThunderBolt雷电接口介绍... 330

7.11 CoaXPress. 331

CoaXPress介绍... 331

为什么选择CoaXPress. 332

CoaXPress接口特点... 332

相关接口技术比较... 332

7.12 CAN控制器局域网络... 333

CAN介绍... 333

CAN主要应用... 334

7.13 RS232串口... 335

RS232介绍... 335

串口的主要应用... 336

7.13 Parallel并口... 336

并口介绍... 336

并口的主要应用... 337

7.14 IIC（I2C）... 337

IIC介绍... 337

IIC总线特征... 337

IIC主要应用... 338

7.15 图像采集卡... 338

7.16 图像采集卡分类... 338

7.17 常见的图像采集卡... 338

7.18运动控制卡... 338

7.19 I/O卡... 339

7.20 总线与采集卡课后习题... 340

第八章 常用软件使用与图像处理... 342

8.1 NI MAX基本使用... 342

8.2 NI Vision Assistant视觉助手基本使用... 343

8.3 NI视觉助手图像处理函数... 345

8.4 NI视觉助手彩色处理函数... 346

8.5 NI视觉助手灰度处理函数... 347

8.6 NI视觉助手二值处理函数... 348

8.7 NI视觉助手机器视觉处理函数... 349

8.8 NI视觉助手识别处理函数... 350

8.9 NI视觉助手常用工具说明... 351

8.10 Vison Builder for AI(VBAI)基本使用方法... 352

8.11 VBAI获取图像... 353

8.12 VBAI增强图像... 354

8.13 VBAI寻找特征... 355

8.14 VBAI测量特征... 356

8.15 VBAI识别零件... 357

8.16 大恒相机自带DEMO使用... 358

8.17 映美精相机IC Capture使用... 361

8.18 SENTECH相机DEMO使用... 362

8.19 AVT相机安装驱动、更换驱动、使用不同软件采集图像... 363

8.20 图像处理细节探讨... 376

图像处理的根本需求... 376

理论上最好的对比度图... 377

实际上的对比度... 377

对比度的定义... 378

理论上的对比度值... 379

实际上的对比度值... 379

滤波... 380

Contrast对比度、反差... 380

查找表（Lookup Table）... 381

二值化... 382

膨胀与腐蚀... 383

常规参数用法... 384

标定校准calibration. 386

彩色图像... 387

颜色平面的抽取... 389

图像缓存... 390

多种算法之间的取舍... 390

多线程图像处理... 391

8.21 常用软件使用与图像处理课后习题... 391

第九章 机器视觉配件... 392

9.1 滤光片Filter. 392

滤光片分类... 392

滤光片原理... 396

滤光片作用... 396

特点... 396

波长... 396

9.2 偏振片... 397

光的偏振... 397

偏振现象的发现... 399

光的偏振度... 399

产生偏振光的方法... 399

偏振光的应用... 399

在摄影镜头前加上偏振镜消除反光... 399

生物的生理机能与偏振光... 400

汽车使用偏振片防止夜晚对面车灯晃眼... 400

偏振片概述... 400

偏光片分类... 402

偏光片的组成... 402

偏光镜效果... 403

9.3 棱镜与分光片... 404

棱镜概述... 404

分光片概述... 404

分光片在机器视觉中的应用... 406

9.4 光学模组... 408

光学模组原理图... 409

光学模组的组成... 409

应用实例... 410

9.5 漫射板... 412

漫射板概述... 412

漫射板的应用... 412

9.6 延长线... 413

9.7 延长管... 413

9.8 实验架与实验平台... 414

9.9 标定板... 415

标定的含义... 415

标定的主要作用... 415

什么是标定板（Calibration Target）... 415

常见标定板种类... 416

相机标定原理参考... 417

机器视觉中的标定... 417

9.10 近摄镜与扩倍镜... 417

第十章 机器视觉案例... 420

10.1机器视觉在药用玻璃瓶检测中的应用... 420

概述... 420

优点... 420

主要功能需求... 420

主要检测指标... 420

检测系统需求分析... 421

检查系统示意... 421

检测系统主要模块... 422

可检查的缺陷... 424

系统特点... 424

10.2 机器视觉在印刷包装行业中的应用... 425

概述... 425

人工检测存在的问题... 425

印刷包装行业的机器视觉应用现状... 426

在线检测和离线检测... 426

离线检测系统：小幅尺寸检查机... 426

离线检测系统：大幅尺寸检查机... 428

离线检测系统：复卷检查机... 429

检查机可检测的缺陷... 430

在线检测系统... 432

10.3 机器视觉在智能交通领域中的应用... 435

概述... 435

主要组成部分... 436

采集模式... 436

原理示意图图... 437

10.4 金属轴尺寸检测... 437

检测内容... 437

检测要求... 438

系统硬件... 438

安装条件... 438

机构设计目标... 440

检测结果示意... 441

样机展示... 441

10.5 机器视觉应用领域... 442

附录 课后习题答案... 443

机器视觉概述考卷... 443

机器视觉基础光学考卷... 446

机器视觉专业名词考卷... 448

机器视觉光源考卷... 449

机器视觉镜头考卷... 450

机器视觉相机考卷... 452

机器视觉总线采集卡考卷... 454

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其次，感谢MV。没有MV，我们大家也不会走进机器视觉这个圈子。因此我们大家都要感谢MV。

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第四，要感谢所有应用机器视觉的人，没有他们，所有机器视觉产品都将卖不出去，所有机器视觉从业者都将失业。因此要感谢我们大家的客户。

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前言

本教程是一本机器视觉领域的“葵花宝典”。练成了本宝典，无论是销售人员，还是技术支持人员，都将所向无敌。因为您在工作中可能会接触到的知识，在本宝典中几乎都有涉猎。《机器视觉实用教程》是作者从事机器视觉领域5年工作经验的累积。作者先后就职过国内多家机器视觉公司，培训了许多的销售人员、技术人员，因此许多机器视觉公司所使用的培训资料，或多或少都有本教程的影子在其中。

《机器视觉实用教程》非常适合于机器视觉销售人员以及技术支持人员，系统集成、研发人员也可以参考本教程的部分内容。本书没有深刻的理论，不用大家去推导为什么1+1=2。本书只是告诉大家，在机器视觉行业中，客户可能会做什么样的视觉检测项目，需要什么样的硬件；销售与技术人员该如何去解决这些机器视觉检查项目，以及解决客户实际应用中遇到的许多问题的理论依据。

本书一共介绍了十章内容，分别为机器视觉概述、基础光学、专业名词中英文对照与解释、光源、镜头、相机、总线与采集卡、常用软件使用与图像处理、机器视觉配件、机器视觉案例等。这些章节内容，都是机器视觉应用中，切实相关的基本知识，掌握了这些知识，您可以成为一名出色的技术支持人员，掌握了这些知识，对于您的销售事业，也会起到事半功倍的效果。

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