工业视觉检测设备评测系统
摘 要随着计算机技术的飞速发展和工业4.0浪潮的不断推进，工业视觉检测设备也由之前的辅助工具逐步发展成为工业自动化中不可缺少的重要组成部分。作为工业自动化设备的“眼睛”，其成像质量很大程度的影响着最终生产的产品质量，但不同的工业视觉检测设备有着不同的设计方案，也就造成其成像性能也有很大的差别，所以对其成像质量或性能进行系统的评测是非常必要的。本文由测试内容原理及其算法的实现、测试软件的设计和测试系统的搭建等方面针对工业视觉检测设备提出一套综合客观的性能评价方案。评测内容主要包括坏点位置和数量、噪点位置和数量、检测分辨率（成像锐度）、非线性畸变四个指标。实验结果表明，本文提出的工业视觉检测设备性能评价方案可以得到客观准确的性能评测结果，满足市场对工业视觉检测设备的评测需要，且使用方便快捷。
目 录
摘 要 IV
ABSTRACT V
目 录 VI
第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文的工作 4
第2章 工业视觉检测设备评测原理及方案设计 5
2.1 分辨率评测原理和方案 5
2.1.1 MTF与SFR的关系 5
2.1.2 利用倾斜边缘测量SFR 6
2.2 非线性畸变的形成与测量方案 9
2.2.1 电子成像设备的成像原理 9
2.2.2 非线性畸变的模型概述 11
2.2.3 非线性畸变的测量方法 12
2.3 坏点和噪点的检测方案 15
2.4 本章小结 18
第3章 评测系统的软件设计 19
3.1 分辨率检测算法的实现 19
3.2 非线性畸变评测算法的实现 19
3.3 用户图形界面的设计 20
3.4 本章小结 22
第4章 评测系统的搭建与测试 23
4.1 评测环境的搭建 23
4.2 软件使用方法和运行测试 24
4.3 本章小结 28
第5章 总结和展望 29
5.1 总结 29
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5.1.1 完成的工作 29
5.1.2 创新点与不足 29
5.2 展望 30
致谢 32
参考文献 33
附录 35
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
机器视觉系统是将三维空间的目标实物通过透镜组合和电子图像获取装置（包括CCD、CMOS）转换成数字图像信息并传送给响应的图像处理装置的系统，图像处理装置根据接收图像的颜色、亮度等信息通过特定的算法提取图像中目标内容的形状、尺寸等特征，从而控制工业设备执行相应的操作。机器视觉系统因具有工作效率高、工作周期长、减少了人为不定因素对生产质量的影响并可以满足在高危环境下工作的需求等优点在工业生产当中有非常广泛的应用。
虽然视觉检测设备的成像都采用相同的理论模型（针孔成像模型），但是由于应用背景和需求不同，所以在设计的过程中其设计方案也千差万别，再加上实际方案与理论模型的误差也就造成了任何一款视觉检测设备都存在的成像性能问题。成像性能问题主要包括分辨率（成像锐度）、非线性畸变、噪点、坏点等几个方面。所以无论是从工厂选用还是维护视觉检测设备的角度来说，如何客观综合的评价视觉检测设备的成像性能是非常有必要去解决的问题。
1.2 国内外研究现状
数字成像设备的成像质量评价工作是随着数字成像技术的发展不断发展的，数字成像设备的成像质量评价不但可以说明成像系统的成像水平，还反过来对数字成像技术的发展有着很大的推进和指导作用。但对于数字成像设备的成像性能评测的研究，国内外都主要以单一的性能为科研对象进行研究的，所以本文将逐一阐述各性能评测的研究现状。
评价视觉检测设备分辨率（成像锐度）的方法多种多样，但根据评价机制的不同可将其分为主观评价和客观评价。人眼根据已有的图像评价卡或测试卡，对视觉检测设备的成像结果进行观测后得到的评价为主观评价，例如：视觉分辨率法。此方法虽然简单易行，但由于评价者不可避免的存在个人差异、或受输出图像的打印或者显示设备本身的分辨率影响等因素影响，而且目前已经有电子成像设备的成像分辨率超过了视觉检测法可以测量的分辨率范围。客观评价方法有极限分辨率法和空间频率响应法等。该方法利用数字图像通用的数学模型对图像锐度做定量分析，其结果不但符合人对图像锐度的主观感受，而且还满足对评测的稳定性和可重复性需求。
空间频率响应法是基于光学调制传递函数这一理论基础的。1938年德国人Frieser在照相底片上使用了傅里叶处理方法，提出了用亮度呈正弦分布的靶板来检测光学成像系统的分辨能力，这就是调制传递函数理论的雏形。1946年法国人Duffieux将傅里叶变换处理方法运用于光学系统的分析，推动了调制传递函数的发展。之后，由于各国科研人员和其所在的科研机构对调制传递函数还存在很多方面的不统一的主张，所以在1962年8月第六届国际光学会议（ICO）上，各国专家经过讨论后对调制传递函数的计算和测量进行了统一规定，同时也规定采用“调制传递函数（MTF）”这一名词。在之后的几十年间，调制传递函数理论和其测试也得到了巨大的发展，随着调制传递函数被逐步应用于实际工作当中，出现了很多关于调制传递函数的计算方法，用调制传递函数来评价光学成像系统的方法也逐渐得到了社会的认可。2000年来自美国伊士曼柯达公司的Peter D.Burns采用倾斜边缘法来测量数字成像设备的调制传递函数，这就是sfrmat算法。调制传递函数的之后被用于显示设备、打印设备、扫描设备甚至纸张的成像质量测试中，这一理论随着科学研究的不断发展也日趋完善。
目前，在市场上出现了很多国外生产的专门用于测量调制传递函数的仪器，例如德国OEG公司生产的Variant系列MTF测量仪，采用数字图像处理技术结合MTF的刀刃法测量，其测量精度达到了±0.02，重复测量的误差低于±0.01。
图1.1 Variant系列MTF测量仪实物图
2014年美国Optikos公司发布了名为LensCheck的光学测试仪，此设备可以满足各种光学成像器件的测试和检验需求，提供实时的调制传递函数测量和分析功能其实物如图【】所示
图1.2 Lenscheck光学测量仪实物图
国内对电子成像设备的分辨率（成像锐度）检测研究起步较晚，目前使用的检测方法也主要来源于国外的相关理论。中科院长春光机研究所最早对这一理论方法进行了研究，并研发了中国第一台MTF测试仪。2001年，北方光电集团西安研究所开发了一款波段范围跨及可见光到红外光的高精度光学传递函数测试仪，其测量精度达到了±0.05。
在测量电子成像设备非线性畸变的研究方面，因为非线性畸变现象只存在于采用针孔成像理论模型的电子成像设备中，形成非线性畸变的原因也源于针孔成像理论模型与实际光学系统的差别。采用相同的成像原理其非线性畸变的数学模型也就是统一的。而目前对于电子成像系统的非线性畸变程度的计算研究主要是为了畸变图像的复原而进行的，例如：基于偏差目标函数的最小优化法、标准图形法、基于空间坐标的多项式变化法等，这类方法都是根据非线性畸变的数学模型利用各自的方法求得畸变系数，从而达到畸变图像复原的效果。
坏点和噪点的检测方法（逐像素扫描法）非常简单，所以国内外对坏点和噪点的检测研究并没有投入太多人力和物力。而有关坏点和噪点的研究更多的是在于如何提高CCD的成品率、减少坏点，和如何在相同的工作环境中减少噪点的形成。
目 录
摘 要 IV
ABSTRACT V
目 录 VI
第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 本文的工作 4
第2章 工业视觉检测设备评测原理及方案设计 5
2.1 分辨率评测原理和方案 5
2.1.1 MTF与SFR的关系 5
2.1.2 利用倾斜边缘测量SFR 6
2.2 非线性畸变的形成与测量方案 9
2.2.1 电子成像设备的成像原理 9
2.2.2 非线性畸变的模型概述 11
2.2.3 非线性畸变的测量方法 12
2.3 坏点和噪点的检测方案 15
2.4 本章小结 18
第3章 评测系统的软件设计 19
3.1 分辨率检测算法的实现 19
3.2 非线性畸变评测算法的实现 19
3.3 用户图形界面的设计 20
3.4 本章小结 22
第4章 评测系统的搭建与测试 23
4.1 评测环境的搭建 23
4.2 软件使用方法和运行测试 24
4.3 本章小结 28
第5章 总结和展望 29
5.1 总结 29
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
5.1.1 完成的工作 29
5.1.2 创新点与不足 29
5.2 展望 30
致谢 32
参考文献 33
附录 35
第1章 绪论
1.1 研究目的及意义
机器视觉系统是将三维空间的目标实物通过透镜组合和电子图像获取装置（包括CCD、CMOS）转换成数字图像信息并传送给响应的图像处理装置的系统，图像处理装置根据接收图像的颜色、亮度等信息通过特定的算法提取图像中目标内容的形状、尺寸等特征，从而控制工业设备执行相应的操作。机器视觉系统因具有工作效率高、工作周期长、减少了人为不定因素对生产质量的影响并可以满足在高危环境下工作的需求等优点在工业生产当中有非常广泛的应用。
虽然视觉检测设备的成像都采用相同的理论模型（针孔成像模型），但是由于应用背景和需求不同，所以在设计的过程中其设计方案也千差万别，再加上实际方案与理论模型的误差也就造成了任何一款视觉检测设备都存在的成像性能问题。成像性能问题主要包括分辨率（成像锐度）、非线性畸变、噪点、坏点等几个方面。所以无论是从工厂选用还是维护视觉检测设备的角度来说，如何客观综合的评价视觉检测设备的成像性能是非常有必要去解决的问题。
1.2 国内外研究现状
数字成像设备的成像质量评价工作是随着数字成像技术的发展不断发展的，数字成像设备的成像质量评价不但可以说明成像系统的成像水平，还反过来对数字成像技术的发展有着很大的推进和指导作用。但对于数字成像设备的成像性能评测的研究，国内外都主要以单一的性能为科研对象进行研究的，所以本文将逐一阐述各性能评测的研究现状。
评价视觉检测设备分辨率（成像锐度）的方法多种多样，但根据评价机制的不同可将其分为主观评价和客观评价。人眼根据已有的图像评价卡或测试卡，对视觉检测设备的成像结果进行观测后得到的评价为主观评价，例如：视觉分辨率法。此方法虽然简单易行，但由于评价者不可避免的存在个人差异、或受输出图像的打印或者显示设备本身的分辨率影响等因素影响，而且目前已经有电子成像设备的成像分辨率超过了视觉检测法可以测量的分辨率范围。客观评价方法有极限分辨率法和空间频率响应法等。该方法利用数字图像通用的数学模型对图像锐度做定量分析，其结果不但符合人对图像锐度的主观感受，而且还满足对评测的稳定性和可重复性需求。
空间频率响应法是基于光学调制传递函数这一理论基础的。1938年德国人Frieser在照相底片上使用了傅里叶处理方法，提出了用亮度呈正弦分布的靶板来检测光学成像系统的分辨能力，这就是调制传递函数理论的雏形。1946年法国人Duffieux将傅里叶变换处理方法运用于光学系统的分析，推动了调制传递函数的发展。之后，由于各国科研人员和其所在的科研机构对调制传递函数还存在很多方面的不统一的主张，所以在1962年8月第六届国际光学会议（ICO）上，各国专家经过讨论后对调制传递函数的计算和测量进行了统一规定，同时也规定采用“调制传递函数（MTF）”这一名词。在之后的几十年间，调制传递函数理论和其测试也得到了巨大的发展，随着调制传递函数被逐步应用于实际工作当中，出现了很多关于调制传递函数的计算方法，用调制传递函数来评价光学成像系统的方法也逐渐得到了社会的认可。2000年来自美国伊士曼柯达公司的Peter D.Burns采用倾斜边缘法来测量数字成像设备的调制传递函数，这就是sfrmat算法。调制传递函数的之后被用于显示设备、打印设备、扫描设备甚至纸张的成像质量测试中，这一理论随着科学研究的不断发展也日趋完善。
目前，在市场上出现了很多国外生产的专门用于测量调制传递函数的仪器，例如德国OEG公司生产的Variant系列MTF测量仪，采用数字图像处理技术结合MTF的刀刃法测量，其测量精度达到了±0.02，重复测量的误差低于±0.01。
图1.1 Variant系列MTF测量仪实物图
2014年美国Optikos公司发布了名为LensCheck的光学测试仪，此设备可以满足各种光学成像器件的测试和检验需求，提供实时的调制传递函数测量和分析功能其实物如图【】所示
图1.2 Lenscheck光学测量仪实物图
国内对电子成像设备的分辨率（成像锐度）检测研究起步较晚，目前使用的检测方法也主要来源于国外的相关理论。中科院长春光机研究所最早对这一理论方法进行了研究，并研发了中国第一台MTF测试仪。2001年，北方光电集团西安研究所开发了一款波段范围跨及可见光到红外光的高精度光学传递函数测试仪，其测量精度达到了±0.05。
在测量电子成像设备非线性畸变的研究方面，因为非线性畸变现象只存在于采用针孔成像理论模型的电子成像设备中，形成非线性畸变的原因也源于针孔成像理论模型与实际光学系统的差别。采用相同的成像原理其非线性畸变的数学模型也就是统一的。而目前对于电子成像系统的非线性畸变程度的计算研究主要是为了畸变图像的复原而进行的，例如：基于偏差目标函数的最小优化法、标准图形法、基于空间坐标的多项式变化法等，这类方法都是根据非线性畸变的数学模型利用各自的方法求得畸变系数，从而达到畸变图像复原的效果。
坏点和噪点的检测方法（逐像素扫描法）非常简单，所以国内外对坏点和噪点的检测研究并没有投入太多人力和物力。而有关坏点和噪点的研究更多的是在于如何提高CCD的成品率、减少坏点，和如何在相同的工作环境中减少噪点的形成。
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