視覺檢測設(shè)備的工業(yè)相機(jī)詳細(xì)介紹

2022-08-14 10:05:17 精質(zhì)視覺

　　工業(yè)相機(jī)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代機(jī)器視覺，所有的視覺檢測設(shè)備都離不開工業(yè)相機(jī)，工業(yè)相機(jī)可以說是視覺檢測機(jī)器的重要組成部分。今天我們來談?wù)劰I(yè)相機(jī)!

　　1、工業(yè)相機(jī)都有哪些問題主要技術(shù)參數(shù)?

　　(1)分辨率

　　(2)速度(幀/行頻率)

　　(3)噪聲

　　(4)信噪比

　　(5)動(dòng)態(tài)范圍

　　(6)像元深度

　　(7)光譜響應(yīng)

　　(8)光學(xué)接口

　　2、工業(yè)經(jīng)濟(jì)相機(jī)的丟幀的問題是由什么問題原因分析引起的?

　　經(jīng)常有一些機(jī)器視覺工程師認(rèn)為，USB接口行業(yè)的機(jī)會造成幀丟失現(xiàn)象。通常，工業(yè)相機(jī)的幀丟失與工業(yè)相機(jī)所使用的傳輸接口無關(guān)，無論是USB、1394、GigE還是相機(jī)鏈路。設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)程序或工業(yè)相機(jī)硬件是幀丟失的真正原因：設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)墓I(yè)相機(jī)丟失幀的原因?qū)嶋H上是數(shù)據(jù)通道的阻塞，這些通道無法及時(shí)處理。因此，當(dāng)新圖像進(jìn)入時(shí)，前一個(gè)圖像可能被迫丟棄，或者新圖像可能被迫丟棄。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)者需要對驅(qū)動(dòng)器和工業(yè)相機(jī)硬件數(shù)據(jù)傳輸?shù)母鱾€(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)。

　　工業(yè)相機(jī)的幀頻和線頻是什么意思?

　　相機(jī)的幀速率/行速率表示相機(jī)采集圖像的頻率，通常區(qū)域相機(jī)使用幀速率，而單位fps(FramePerson)，如30fps，表示相機(jī)每秒最多可采集30幀圖像。線相機(jī)通常使用的線頻率是KHz的單位，例如12KHz，以指示相機(jī)可以在一秒內(nèi)捕獲多達(dá)12000行的圖像數(shù)據(jù)。速度是相機(jī)的重要參數(shù)，在許多實(shí)際應(yīng)用中需要對運(yùn)動(dòng)物體成像。相機(jī)的速度需要滿足某些要求，以清晰和準(zhǔn)確地成像對象。相機(jī)的幀速率和行速率首先受芯片的幀速率和行速率的影響，并且芯片的最大設(shè)計(jì)速度主要由芯片能夠承載的最高時(shí)鐘決定。

　　4、工業(yè)經(jīng)濟(jì)相機(jī)的信噪比什么不同意思?

　　相機(jī)的SNR定義為圖像中的信噪比(有效信號的平均灰度級與噪聲的均方根之比)，其表示圖像質(zhì)量，SNR越高，圖像質(zhì)量越好。

　　5. 工業(yè)照相機(jī)的噪音是什么意思?

　　工業(yè)噪聲是指實(shí)際成像目標(biāo)之外的信號，不期望在成像過程中被收集。根據(jù)歐洲相機(jī)測試標(biāo)準(zhǔn)EMVA1288，相機(jī)中的噪聲可分為兩類:一類是由有效信號引起的統(tǒng)計(jì)起伏噪聲，符合泊松分布，也稱為散粒噪聲。這個(gè)噪點(diǎn)對于任何相機(jī)都是一樣的，不可避免，尤其是有了明確的計(jì)算公式。(即噪聲的平方=信號的平均值)。第二種是相機(jī)本身固有的噪音，與信號無關(guān)。是圖像傳感器的讀出電路、攝像頭的信號處理放大電路等帶來的噪聲。每個(gè)相機(jī)的固有噪聲是不同的。另外，對于數(shù)碼相機(jī)來說，視頻信號模擬轉(zhuǎn)換時(shí)會產(chǎn)生量化噪聲。量化位越高，噪聲越低。

　　CCD 相機(jī)和 CMOS 相機(jī)有什么區(qū)別?

　　(1)成像過程

　　CCD和CMOS圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理相同,主要區(qū)別在于信號的讀出過程不同,由于CCD只有一個(gè)(或幾個(gè))輸出節(jié)點(diǎn)可以均勻讀出,因此其信號輸出一致性很好; 但在CMOS芯片中，每個(gè)像素都有自己的信號放大器，并進(jìn)行電荷-電壓轉(zhuǎn)換，其信號輸出的一致性較差。然而，為了讀出整個(gè)圖像信號，CCD需要輸出放大器帶寬較寬，而在CMOS芯片中，每個(gè)像素對放大器的帶寬要求較低，從而大大降低了芯片的功耗，這是CMOS芯片功耗低于CCD的主要原因。盡管功耗降低，但數(shù)百萬放大器的不相干導(dǎo)致更高的固定噪聲，這是CMOS相對于CCD的固有缺點(diǎn)。

　　(2)集成性

　　從制造過程來看，CCD 中的電路和器件都集成在半導(dǎo)體單晶材料制造商中，制造過程比較復(fù)雜，目前世界上只有達(dá)爾薩、索尼、松下等少數(shù)幾家制造商能夠生產(chǎn) CCD 晶體。CCD 只能輸出模擬電信號，它需要以下地址解碼器、模擬轉(zhuǎn)換器、圖像信號處理器，還需要提供三套不同電壓的同步時(shí)鐘控制電路，集成度很低。另一方面，CMOS 被集成到一個(gè)叫做金屬氧化物的單片材料中，同樣的過程用于生產(chǎn)數(shù)十秒的半導(dǎo)體集成電路，如計(jì)算機(jī)芯片和存儲器件，因此，聲場 CMOS 的成本比 CCD 低得多。同時(shí)，CMOS 芯片可以將圖像信號放大器、信號讀取電路、 a/D 轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器和控制器集成到一個(gè)芯片中，攝像機(jī)的所有基本功能都可以用單片機(jī)完成，芯片級攝像機(jī)的概念就是在這種高度集成的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。隨著 CMOS 成像技術(shù)的發(fā)展，越來越多的公司可以提供高質(zhì)量的 CMOS 成像芯片，包括美光、 CMOSIS、 Cypress 等。

　　(3)速度

　　CCD采用學(xué)生逐個(gè)光敏輸出，只能通過按照相關(guān)規(guī)定的程序設(shè)計(jì)輸出，速度發(fā)展較慢。CMOS有多個(gè)不同電荷-電壓轉(zhuǎn)換器和行列開關(guān)內(nèi)部控制，讀出速度快很多，目前我國大部分500fps以上的高速相機(jī)系統(tǒng)都是CMOS相機(jī)。此外CMOS的地址選通開關(guān)技術(shù)可以利用隨機(jī)采樣，實(shí)現(xiàn)子窗口輸入輸出，在僅輸出子窗口圖像時(shí)可以自己獲得一個(gè)更高的速度。

　　(4)噪聲

　　CCD技術(shù)發(fā)展較早、成熟，采用PN結(jié)或二氧化硅隔離層隔離噪聲，成像質(zhì)量優(yōu)于CMOS光電傳感器。由于CMOS圖像傳感器的高集成度，各器件與電路之間的距離非常近，干擾嚴(yán)重，噪聲對圖像質(zhì)量影響很大。近年來，隨著CMOS電路去噪技術(shù)的發(fā)展，為生產(chǎn)高密度、高質(zhì)量的CMOS圖像傳感器提供了良好的條件。

　　工業(yè)相機(jī)的輸入輸出接口是什么?

　　在機(jī)器視覺檢測技術(shù)中，工業(yè)攝像機(jī)的輸入輸出接口有CameraLink、IEEE1394、USB2.0、以太網(wǎng)和USB3.0。

　　8、工業(yè)相機(jī)中動(dòng)態(tài)管理范圍問題是什么意思?

　　相機(jī)的動(dòng)態(tài)管理范圍研究表明相機(jī)進(jìn)行探測光信號的范圍，動(dòng)態(tài)影響范圍可用以下兩種教學(xué)方法來界定，一種是光學(xué)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)發(fā)展范圍，指飽和時(shí)最大光強(qiáng)與等價(jià)于噪聲數(shù)據(jù)輸出的光強(qiáng)的比值，由芯片的特性可以決定。另一種是電子信息動(dòng)態(tài)控制范圍，他指飽和電壓和噪聲電壓技術(shù)之間的比值。對于企業(yè)固定相機(jī)其動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍是一個(gè)定值，不隨外界經(jīng)濟(jì)條件不斷變化而變化。在線性響應(yīng)去，相機(jī)的動(dòng)態(tài)活動(dòng)范圍問題定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值：動(dòng)態(tài)應(yīng)用范圍=光敏元的滿阱容量/等效噪聲信號處理動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)范圍可用倍數(shù)、dB或Bit等方式來表示。動(dòng)態(tài)服務(wù)范圍大，則相機(jī)對不同的光照強(qiáng)度有更強(qiáng)的適應(yīng)學(xué)習(xí)能力。

　　9、工業(yè)相機(jī)的分辨率是如何定義的?

　　分辨率是相機(jī)最基本的參數(shù)，由相機(jī)使用的芯片的分辨率和芯片目標(biāo)面上排列的像素?cái)?shù)量決定。通常面陣相機(jī)的分辨率用兩個(gè)數(shù)字表示:水平分辨率和垂直分辨率，如:1920(H)x1080(V)。前面的數(shù)字表示每行的像素?cái)?shù)，即總共有1920個(gè)像素，后面的數(shù)字表示像素?cái)?shù)，即1080行?，F(xiàn)在相機(jī)的分辨率通常會標(biāo)明k的多少，比如1K(1024)，2K(2048)，3K(4096)等。在采集圖像時(shí)，相機(jī)的分辨率對圖像質(zhì)量有很大的影響。在成像同樣大的視場(場景范圍)時(shí)，分辨率越高，細(xì)節(jié)越明顯。

　　10、工業(yè)相機(jī)都有自己哪些數(shù)據(jù)接口?

　　接口是指相機(jī)與鏡頭之間的接口，普通鏡頭接口有C、CS、F端口。

　　11、工業(yè)經(jīng)濟(jì)相機(jī)里的像元深度學(xué)習(xí)是什么這個(gè)意思?

　　數(shù)碼相機(jī)輸出的數(shù)字信號，也就是像素灰度值，有一個(gè)特殊的位數(shù)，叫做像素深度。對于黑白相機(jī)，該值的方位角通常為8-16位。像素深度定義了其灰度級被暗通道照亮的灰度級的數(shù)量。例如，對于8-8位相機(jī)，0代表全暗，255代表全亮。0到25之間的數(shù)字代表特定的亮度指示器。1位數(shù)據(jù)中有1024個(gè)灰度級，12位數(shù)據(jù)中有4096個(gè)灰度級。我們應(yīng)該仔細(xì)考慮每個(gè)應(yīng)用是否需要非常精細(xì)的灰度級。從8bit增加到10bit或者12bit確實(shí)可以增強(qiáng)測量精度，但同時(shí)也降低了系統(tǒng)的速度，增加了系統(tǒng)集成的難度(線纜數(shù)量增加，尺寸變大)，所以要慎重選擇。

　　12、如何進(jìn)行選擇線陣相機(jī)?

　　(1)計(jì)算分辨率：將寬度除以最小檢測精度，得到每行所需像素。

　　(2)檢測精度: 用像素寬度除以實(shí)際檢測精度。

　　(3)掃描線數(shù):每秒掃描線數(shù)是用每秒移動(dòng)速度的長度除以精度得到的。

　　根據(jù)以上分析計(jì)算研究結(jié)果進(jìn)行選擇線陣相機(jī)，舉例如下：

　　如果寬度為1600 mm，精度為1 mm，移動(dòng)速度為22000 mm/s攝像機(jī)：1600/1=1600像素最小2000像素，選擇2k攝像機(jī)1600/2048=0.8實(shí)際精度為22000 mm/0.8mm=27.5kHz攝像機(jī)為2048像素28kHz攝像機(jī)。

　　13. 圖像處理軟件在智能工業(yè)照相機(jī)中的主要作用是什么?

　　圖像處理軟件主要是在圖像處理單元硬件環(huán)境的支持下完成圖像處理功能。例如幾何邊緣提取、斑點(diǎn)、灰度直方圖、OCV、簡單定位和搜索等。在智能攝像機(jī)中，上述算法封裝在固定模塊中，用戶無需編程即可直接應(yīng)用。

　　14、知道被測物的長、寬、高以及發(fā)展要求的測量數(shù)據(jù)精度，如何來進(jìn)行選擇CCD相機(jī)和工業(yè)鏡頭，選擇一個(gè)工業(yè)相機(jī)和工業(yè)鏡頭我們需要學(xué)生注意自己什么?

　　首先選擇正確的鏡頭。鏡頭選擇應(yīng)遵循以下原則：

　　(1)匹配的攝像頭的芯片尺寸是多少;

　　(2)相機(jī)的接口數(shù)據(jù)類型是哪種的，C接口，CS接口技術(shù)還是沒有其它系統(tǒng)接口;

　　(3)鏡頭的工作時(shí)間距離;

　　(4)透鏡視場角;

　　(5)透鏡的光譜特性;

　　(6)鏡頭畸變率;

　　(7)鏡頭機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不同尺寸。

　　在選擇CCD相機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮以下方面：