某机器视觉系统的方案设计

1、 相机
1.1、相机空间分辨率
1.2、相机像素分辨率
1.3、相机快门速度
2、镜头
2.1、镜头像素分辨率
2.2、镜头空间分辨率
2.3、镜头焦距
2.4、其他因素
3、光源
3.1、类型
3.2、颜色
3.3、形状
3.4、方向
3.5、角度
3.6、光域
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某机械加工企业的机器视觉系统的技术需求：
使用车床加工某款钢质圆棒，随着刀具消耗加大，后期加工零件尺寸越来越大，请问：可否使用机器视觉系统，随时检测工件直径，如果超差则随时报警。
工件最大直径16mm，要求精度2丝。

1、 相机

定性分析：
由于视觉系统的仅需处理工件的二维亮度信息，因此选择黑白像机。
成本考虑，应该选CCD形式的面阵。

1.1、确定相机空间分辨率Rs=Sf/Nf=0.02/2=0.01mm/pixel，即像素当量。其中Sf为视觉系统所需识别最小特征的尺寸0.02mm，Nf为算法识别该特征所需像素的数量2。

1.2、确定相机像素分辨率Rc=FOV/Rs=16/0.01=1600pixel。其中FOV为相机视场16mm，Rs为空间分辨率0.01mm/pixel，Rc为图像分辨率1600pixel。

1.3、确定相机快门速度Exp=Rs/v=0.01/0.05=0.2ms=200us，即曝光时间小于200微妙。其中Rs为像素分辨率0.01mm，v为最大运动速度0.05m/sec。（线速度v=pi*D*n/1000=3m/min=0.05m/sec，其中pi圆周率3.14，D是刀具和工件旋转直径16mm，n是主轴转速60m/min，结果v是m/min。）

最后，结合常用形式，可以选择1600*1200的的200万像素的1/2″的黑白CCD工业相机。

2、镜头

选择镜头需要注意的第一点就是镜头与相机是否匹配。原则上，镜头的规格必须等于或大于相机的规格。特别是在测量中，最好使用稍大规格的镜头，因为镜头往往在其边缘处失真最大。

2.1、确定镜头的像素分辨率。镜头分辨率又称鉴别率或解像力，是判断镜头好坏的一个重要指标，一般用成像平面上1毫米间距内能分辨开的黑白相间的线条对数表示，单位是线对/毫米lp/mm，line pair / mm。
* 根据相机靶面求镜头分辨率N=180/靶面高度4.8=38lp/mm，（1/2”相机的靶面是6.4mm*4.8mm）
* 根据相机像素确定镜头分辨率，1600/6.4=250Pixel/mm，即镜头像素密度是250 Pixel/mm，考虑黑白两条线需要除2，所以镜头分辨率不低于125 lp/mm。
综合考虑以上，确定镜头分辨率不得低于为125lp/mm

2.2、确定镜头的空间分辨率。相机的空间分辨率为 ( FOV/相机靶面像素数)，是一个与镜头分辨率根本没关系的量，它们两者按Nyquist的采样理论联系起来才有关系，绝大多数视觉系统都要按FOV/CCD像素的比值来确定视觉系统的分辨率。
这里镜头的空间分辨率，至少不得低于相机的0.01mm/pixel。

2.3、确定镜头焦距
机构设计考虑镜头安装距离工件100mm，根据已选形相机为选1/2″靶面，工件视场FOV=16mm，工作距离WD=30 mm，则：
f=30X6.4/16=12mm
根据经济原则选用常见系列1/2″标准镜头，焦距确定焦距为定f=12mm。
（一般1/2″标准镜头焦距定12 mm，1/3″定8mm）

2.4、其他因素
额外的，可以顺便确定镜头的分辨力和数值孔径。
由线对是125lp/mm，则可以分辨间隔为1/125 = 8um的两条线，而这个8um是两条线的宽度，所以分辨力就是8/2 = 4 um，这个也就是埃利班的半径。
数值孔径NA=125/1500=0.083。

3、光源

为了有效屏蔽环境噪声在工件表面的成像，拟设计在测试工位设计保护腔，由光源系统提供均匀稳定光通量、同时屏蔽外界干扰。

3.1、类型
选用LED光源，这个无须赘述，卤素灯等已经过时了。

3.2、颜色
由于工件表面存在涂层，属强反色面，目标位于漫反射区，经分析应选择：前景、低角、明域、条形红光为主的组合结构光。

3.3、形状
组合条形、环形、同轴三种常见光源进行实验。目测所见，没有高光产生也没有形成阴影形成，接近人眼真实所见。利用直方图和频域工具工具分析，效果较好。

3.4、方向
根据照射方式，有前向照明和背向照明。前向照明，光源和像机位于工件同侧，利于拍摄表面特征图像，适用于物体的外观检测。背向照明，光源和像机在被测工件的两侧，易于获得高对比度（即清晰）的图像。
为有利于机械结构设计和现场安装调试，兼顾特征图像的获取，项目采用前向照明方式。

3.5、角度
根据光源与工件表面夹角，以45o为界，大者为高角度照明，小者为低角度照明。高角度照明常用于检测工件的丝印、商标、条码、字符等。低角度照明主要用于检测对象表面的凹凸部分，例如轮廓、边界、刻字、划伤等。
项目选择低角度方式。

3.6、光域
根据光源、像机、工件三者相对位置，有明域照明和暗域照明。明域方式把相机放置在光源反射的线路上；暗域方式把相机放置在与光源入射的方向上。
明域照明，主要用于散射和吸收光线的缺陷的检测，大多数是背景亮缺陷暗。暗域照明主要用于平滑工件表面的含有散射光的缺陷检测，大多数是背景黑暗而缺陷可见，常见于表面污垢和表面突起。根据经验翘边坑洞适用明域照明，而裂纹砂眼适用暗域照明。
选择明域方式。