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机器视觉系统-工业相机篇

      工业相机又俗称摄像机,相比于传统的民用相机(摄像机)而言,它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等优点。目前市面上工业相机大多是基于 CCD ( Charge Coupled Device )或 CMOS ( Complementary Metal Oxide Semiconductor )芯片的相机。  
                
工业相机与普通数字式相机的主要区别 
工业相机是作为机器视觉系统中的一个关键组件,其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节,相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直接相关。 
1.相机的内部结构 
2.相机分类 
相机按照芯片类型、传感器结构特性、扫描方式、分辨率大小、输出信号方式、输出色彩、输出信号速度、响应频率范围等有着不同的分类方法。 
①按照芯片类型:可以分为CCD相机、CMOS相机; 
CCD相机:使用CCD感光芯片为图像传感器的相机,集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体,CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器固体成像器件。  
CMOS相机:使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机 ,将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上,还具有局部像素的编程随机访问的优点。 
         
         

②按照传感器的结构特性:可以分为线阵相机、面阵相机; 
线阵相机:传感器上呈线状(一行或三行)分布的相机,其所成图像为一维“线”图像。 
面阵相机:传感器上像素呈面状分布的相机,其所成图像为二维“面”图像。
           
③按照扫描方式:可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机; 
④按照分辨率大小:可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机; 
⑤按照输出信号方式:可以分为模拟相机、数字相机; 
模拟相机:从传感器中传出的信号,被转换成模拟电压信号,即普通视频信号后再传到图像采集卡中。 
数字相机:信号自传感器中的像素输出后,在相机内部直接数字化并输出。数字相机又包含USB相机、1394相机、Gige相机、CameraLink相机等。  ⑥按照输出色彩:可以分为单色(黑白)相机、彩色相机; 
⑦按照输出信号速度:可以分为普通速度相机、高速相机; 
⑧按照响应频率范围:可以分为可见光(普通)相机、红外相机、紫外相机。 
3.卷帘快门(Rolling shutter)&全局快门(Global shutter) 
卷帘快门,通常使用CMOS传感器。传感器在曝光时并不是所有像素同时感光的,而是逐行曝光,每行像素按照顺序依次感光。 
    全局快门,通常使用CCD传感器。所有像素同时感光曝光,在任意一个时间点,所有像素都接受相同的光量。 
来一张示意图(此图原为动态图,可能不能正常动态显示): 
         
再来一张风扇模拟图(感受一下快与慢的区别): 
         
对于图像采集,我们要了解到现场是要动态还是静态,速度多少等,才能根据这些参数选择合理的相机(一般来说,动态就要考虑全局相机) 
4.相机常见参数 
想要了解相机常见参数,最直接的方法就是看下各选型手册就知道都有哪些重要参数,以此比较学习相机各个参数(以500万卷帘相机为例): 
海康威视MV-CE050-30GM参数:
         
大华相机A3504MG100参数:  
         
 (其它品牌相机请参照官方选型手册,一般都有自己的命名规则来方便记忆和区分,不在一一列举) 
①相机—像元(也有称做像素):是成像于相机芯片的图像的最小组成单位。将图像放大,每一小格表示一个像元,其中每一个像元对应一个灰度值。以500万像素的相机为例,满屏有2592*1944个像素,成像于1/2.5英寸大小的CMOS芯片。 
         
②分辨率(Resolution) :相机每次采集图像的像元点数(Pixels)。对于工业数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的,由相机所采用的芯片分辨率决定,是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示,如:2592(H)x 1944(V),前面的数字表示每行的像元数量,即共有2592个像元,后面的数字表示像元的行数,即1944行。对于工业数字模拟相机则是取决于视频制式,PAL制为768*576,NTSC制为640*480。 
③像元深度(Pixel Depth) :即每像素数据的位数。对于黑白相机来说,像元深度定义灰度由暗到亮的灰阶数,一般常用的是8Bit(输出图像灰度等级2的8次方,即0~255共256级),对于工业数字数字相机一般还会有10Bit、12Bit等。 
④最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate) :相机采集传输图像的速率,对于面阵相机一般为每秒采集的帧数单位fps(Frames/Sec.),如30fps,表示相机在1秒钟内最多能采集30帧图像;对于线阵相机机,通常用行频表示,即为每秒采集的行数(Hz),单位KHz,如12KHz表示相机在1秒钟内最多能采集12000行图像数据。 
⑤曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter) :CCD/CMOS相机多数采用电子快门,通过电信号脉冲的宽度来控制传感器的光积分(曝光)时间。对于一般性能的的相机快门速度可以达到1/10000-1/100000秒。  
对于工业线阵相机都是逐行曝光的方式,可以选择固定行频和外触发同步的采集方式,曝光时间可以与行周期一致,也可以设定一个固定的时间;面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式,工业数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒,高速相机还可以更快。 
⑥像元尺寸(Pixel Size) :像元尺寸是相机芯片上每个像元的实际物理尺寸。像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面尺寸的大小。目前工业数字相机像元尺寸一般为2.2μm-10μm,一般像元尺寸越小,制造难度越大,图像质量也越不容易提高。 
⑦靶面尺寸(Sensor Size):图像传感器的感光部分的大小。面阵相机靶面尺寸的大小表示与显示器等标准类似,以芯片对角线长度来度量,单位以“吋”表示,符号为“””,1吋为16mm(注意:业界通用的规范就是 1英吋 CCD尺寸= 长 12.8mm × 宽 9.6mm = 对角线为 16mm 之对应面积,而非光导摄像管直径25.4mm);线阵相机以芯片的横向长度来度量。工业上,一般面阵相机常用靶面尺寸如下表,实际尺寸略有差异。在像素不变的情况下,相机靶面尺寸越大,噪点控制能力越强,因为单个感光元件之间的间距越大,相互之间的信号干扰越小。  
             
知道分辨率(像元数)和像元尺寸,可以近似计算出来其靶面尺寸。比如:500万相机靶面尺寸1/2.5”,分辨率2592(H)x 1944(V),像元尺寸2.2 x2.2um,其靶面尺寸:2592 x2.2/1000≈5.7mm,1944 x2.2/1000≈4.3mm,即5.7 x4.3mm。 
相机靶面尺寸与镜头匹配的技巧:在选用相机与镜头时,遵循“镜头最大兼容CCD尺寸≥相机靶面尺寸”的原则。 
⑧光谱响应特性(Spectral Range) :是指该像元传感器对不同光波的敏感特性,一般响应范围是350nm-1000nm,一些相机在靶面前加了一个滤镜,滤除红外光线,如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。 
⑨数据传输接口: 
         
         
⑩相机光学接口:即相机与镜头的连接方式,业内常用的几种接口,如C口,CS口,F口,V口等。前面两种的接口都是螺纹口,后面两种都是卡口。 
         
         
⑪精度:图像中每个像素代表的实际物体的尺寸。图像单位(像素)和实际物理单位(mm)之间的对应关系,即视觉系统所能达到的理论精度,计算公式为: 
         
例如:视场水平方向长度是25mm,相机水平分辨率是2592像素,所以视觉系统理论精度为25mm/2592像素≈0.01mm/像素,表示图像中每个像素对应0.01mm。 
在选择相机时,尤其是用视觉进行测量时,为了提高系统的稳定性,通常需要视觉系统的理论精度高于要求的实际精度(注意:精度数值越小,要求越高)。 
经验: 外观检测:最小污点要求实际精度=5pixel* 理论精度;尺寸检测:实际公差精度>=10pixel*理论精度。

相机使用环境的注意事项
冷(Cold)
    理论上对低温的考虑是潜在的考虑,特别在光学器件表面。当一个 视觉系统要用于一个相对冷的或者温度会急剧下降的环境中时,就要通过使用加热来维持组件的外部温度来阻止浓缩(condensation)。 

热(Heat)   
    理论上对热的考虑是器件不能工作。另一个考虑是图像噪声的增加,特别是来自相机的图像传感器。常规是温度每升高7度电子器件的寿命就缩短一半。当然,极其高的温度才会毁坏器件。使用对流冷却或冷藏能转移热的作用。 

湿度(Humidity)
     跟冷温度一样,高湿度的主要考虑是对浓缩的担心,特别是在光学器件表面。补救措施跟冷环境一样:对视觉系统器件加热到比周围温度高,并给关键器 件吹送干燥风。

Airborne Hazards空气污染物
    Airborne Hazards就是像灰尘,薄雾和 浮动的碎片对图像降级都有威胁的东西,在它们落到光学器件上时就对图像产生影响呢。解决的方法就是从那些airborne hazards中把关键视觉器件移 走,或者是器件周围使用干净的干燥风吹。这个送风机不能是turbulent;turbulent 空气有可能把污染的气体送到光学器件的表面。

Electrical Interference电子干扰
    电子干扰最大的考虑是对器件危害和对于不可靠系统的操作。电子 干扰可来自供电线,通过电力线的电火花,还有其它设备的辐射能量。最好的保护措施就是好的防护和接地。好的接地措施必须遵循阻止 能引起严重问题的地环流原则。还有,在有条件的情况下对输入电力的传导噪声进行过滤,并调节线电压。

发布时间:2020-10-20   
 
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