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工業相機在機器視覺中擔任什么樣的角色?
發布時間:2022-05-05
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      工業相機是什么?工業相機是機器視覺系統中的一個核心組件,功能就是將光信號轉變成有序的電信號。選擇合適的工業相機也是機器視覺系統設計中的重要環節,工業相機的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質量等,也與整個系統的運行模式直接相關。

      一、工業相機在機器視覺系統中擔任什么樣的角色呢?



      功能:光信號轉變成有序的電信號

      二、工業相機的主要參數:

      1. 分辨率(Resolution):分辨率指的是每次采集圖像的像素點數(Pixels),通常用長*寬表示。我們常說多少萬像素相機就是由分辨率計算得來的。比如分辨率 1280pixel*1024pixel,1280*1024=1310720,就是130萬像素的相機。分辨率在一定意義上決定了機器視覺系統能夠達到的精度。

      2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素數據的位數,一般常用的是8Bit,對于數字相機機一般還會有10Bit、12Bit、14Bit等。

      3. 最大幀率(Frame Rate)/行頻(Line Rate):相機采集傳輸圖像的速率,對于面陣相機一般為每秒采集的幀數(Frames/Sec.),對于線陣相機為每秒采集的行數(Lines/Sec.)。

      4. 曝光方式(Exposure)和快門速度(Shutter):對于線陣相機都是逐行曝光的方式,可以選擇固定行頻和外觸發同步的采集方式,曝光時間可以與行周期一致,也可以設定一個固定的時間;面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式,數字相機一般都提供外觸發采圖的功能??扉T速度一般可到10微秒,高速相機還可以更快。

      5. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元數(分辨率)共同決定了相機靶面的大小。數字相機像元尺寸為3μm~10μm,一般像元尺寸越小,制造難度越大,圖像質量也越不容易提高

      6. 光譜響應特性(Spectral Range):是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性,一般響應范圍是350nm-1000nm,一些相機在靶面前加了一個濾鏡,濾除紅外光線,如果系統需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

      7.接口類型:有Camera Link接口,以太網接口,1394接口、USB接口輸出,目前最新的接口有CoaXPress接口。

      工業相機又俗稱攝像機,相比于傳統的民用相機(攝像機)而言,它具有高的圖像穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等,市面上工業相機大多是基于CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的相機。

      CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取于一體,是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號,而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉換形成電荷包,而后在驅動脈沖的作用下轉移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步信號發生器、垂直驅動器、模擬/數字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器件,與真空管相比,具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優點。

      CMOS圖像傳感器的開發最早出現在20世紀70 年代初,90 年代初期,隨著超大規模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術的發展,CMOS圖像傳感器得到迅速發展。CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上,還具有局部像素的編程隨機訪問的優點。CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應用。

      三、相機分類
      任何東西分類一定有它自己的分類標準,工業相機也不例外。

      按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機;

      按照傳感器的結構特性可以分為線陣相機、面陣相機;

      按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機;

      按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機、高分辨率相機;

      按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數字相機;

      按照輸出色彩可以分為單色(黑白)相機、彩色相機;

      按照輸出信號速度可以分為普通速度相機、高速相機;

      按照響應頻率范圍可以分為可見光(普通)相機、紅外相機、紫外相機等。區別:

      1、工業相機的性能穩定可靠易于安裝,相機結構緊湊結實不易損壞,連續工作時間長,可在較差的環境下使用,一般的數碼相機是做不到這些的。例如:讓民用數碼相機一天工作24小時或連續工作幾天肯定會受不了的。

      2、工業相機的快門時間非常短,可以抓拍高速運動的物體。
      例如,把名片貼在電風扇扇葉上,以最大速度旋轉,設置合適的快門時間,用工業相機抓拍一張圖像,仍能夠清晰辨別名片上的字體。用普通的相機來抓拍,是不可能達到同樣效果的。

      3、工業相機的圖像傳感器是逐行掃描的,而普通的相機的圖像傳感器是隔行掃描的, 逐行掃描的圖像傳感器生產工藝比較復雜,成品率低,出貨量少,世界上只有少數公司能夠提供這類產品,例如Dalsa、Sony,而且價格昂貴。

      4、工業相機的幀率遠遠高于普通相機。
      工業相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片,而普通相機只能拍攝2-3幅圖像,相差較大。

      5、工業相機輸出的是裸數據(raw data),其光譜范圍也往往比較寬,比較適合進行高質量的圖像處理算法,例如機器視覺(Machine Vision)應用。而普通相機拍攝的圖片,其光譜范圍只適合人眼視覺,并且經過了mjpeg壓縮,圖像質量較差,不利于分析處理。

      6、工業相機(Industrial Camera)相對普通相機(DSC)來說價格較貴。

      四、企業應用如何選擇
      工業相機一般安裝在機器流水線上代替人眼來做測量和判斷,通過數字圖像攝取目標轉換成圖像信號,傳送給專用的圖像處理系統,圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征,進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

      1、通常您首先需要知道系統精度要求和相機分辨率,可以通過公式:
      X方向系統精度(X方向像素值)=視野范圍(X方向)/CCD芯片像素數量( X方向)
      Y方向系統精度(Y方向像素值)=視野范圍(Y方向)/CCD 芯片像素數量( Y方向)

      2、當然理論像素值的得出,要由系統精度及亞像素方法綜合考慮;接著您要知道系統速度要求與相機成像速度:
      系統單次運行速度=系統成像(包括傳輸)速度+系統檢測速度
      雖然系統成像(包括傳輸)速度可以根據相機異步觸發功能、快門速度等進行理論計算,最好的方法還是通過軟件進行實際測試。

      3、再接著您要將相機與圖像采集卡一并考慮,因為這涉及到兩者的匹配:
      視頻信號的匹配:對于黑白模擬信號相機來說有兩種格式,CCIR和RS170(EIA),通常采集卡都同時支持這兩種相機;
      分辨率的匹配:每款板卡都只支持某一分辨率范圍內的相機;
      特殊功能的匹配:如要是用相機的特殊功能,先確定所用板卡是否支持此功能,比如,要多部相機同時拍照,這個采集卡就必須支持多通道,如果相機是逐行掃描的,那么采集卡就必須支持逐行掃描。
      接口的匹配:確定相機與板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、GIGE、CoxPress、USB3.0等。

4、在滿足您對檢測的必要需求后,最后才應該是價格的比較。
      舉例說明:如我們的檢測任務是尺寸測量,產品大小是18mm*10mm,精度要求是0.01mm,流水線作業,檢測速度是10件/秒,現場環境是普通工業環境,不考慮干擾問題。

      首先我們知道是流水線作業,速度比較快,因此選用逐行掃描相機;視野大小我們可以設定為20mm*12mm(考慮每次機械定位的誤差,將視野比物體適當放大),假如我們能夠取到很好的圖像(比如可以打背光),而且我們軟件的測量精度可以考慮1/2亞像素精度,那么我們需要的相機分辨率就是20/0.01/2=1000pixcel(像素),另一方向是12/0.01/2=600pixcel,也就是說我們相機的分辨率至少需要1000*600pixcel,幀率在10幀/秒,因此選擇1024*768像素(軟件性能和機械精度不能精確的情況下也可以考慮1280*1024pixcel),幀率在10幀/秒以上的即可。