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机器视觉系统中相机的分类
工业相机作为机器视觉系统中的核心部件,对于机器视觉系统的重要性是不言而喻的。按照分类的不同,相机又分为很多种:
1、彩色相机、黑白相机:
黑白相机直接将光强信号转换成图像灰度值,生成的是灰度图像;彩色相机能获得景物中红、绿、蓝三个分量的光信号,输出彩色图像。彩色相机能够提供比黑白相机更多的图像信息。彩色相机的实现方法主要有两种,棱镜分光法和Bayer滤波法。棱镜分光彩色相机,利用光学透镜将入射光线的R、G、B分量分离,在三片传感器上分别将三种颜色的光信号转换成电信号,最后对输出的数字信号进行合成,得到彩色图像。
2、CCD相机、CMOS相机
芯片主要差异在于将光转换为电信号的方式。对于CCD传感器,光照射到像元上,像元产生电荷,电荷通过少量的输出电极传输并转化为电流、缓冲、信号输出。对于CMOS传感器,每个像元自己完成电荷到电压的转换,同时产生数字信号。
3、按靶面类型分类:面阵相机、线阵相机
相机不仅可以根据传感器技术进行区分,还可以根据传感器架构进行区分。有两种主要的传感器架构:面扫描和线扫描。面扫描相机通常用于输出直接在监视器上显示的场合。线扫描相机用于连续运动物体成像或需要连续的高分辨率成像的场合。线扫描相机的一个自然的应用是静止画面(Web Inspection)中要对连续产品进行成像,比如纺织、纸张、玻璃、钢板等。同时,线扫描相机同样适用于电子行业的非静止画面检测。像德国Kappa相机根据它CCD的规格也会有线阵、面阵之分。
4、按输出模式分类:模拟相机、数字相机
根据相机数据输出模式的不同分为模拟相机和数字相机,模拟相机输出模拟信号,数字相机输出数字信号。模拟相机和数字相机还可以进一步细分,比如德国Kappa相机按数据接口又包括:USB 2.0接口、EE 1394 a / Fire Wire、Camera Link 接口、千兆以太网接口。模拟相机分为逐行扫描和隔行扫描两种,隔行扫描相机又包含EIA、NTSC、CCIR、PAL等标准制式。有关接口技术的详细介绍请参考采集卡及采集技术部分。
在选择一款工业数字相机时,物体成像的速度必须充分考虑好。例如,假设在拍摄过程中,物体在曝光中没有移动,可用相对简单和便宜的工业相机;对于静止或缓慢移动的物体,面阵工业相机最适合于对静止或移动缓慢的物体成像。因为整个面阵区域必须一次曝光,在曝光时间当中任何的移动会导致图像的模糊,但是,运动模糊可以通过减少曝光时间或使用闪光灯来控制;对于快速移动的物体,当对运动的物体使用一个面阵工业相机时,需要考虑在曝光时间当中处于工业相机当中的运动对象数量,还需要考虑物体上能用一个像素表征的最小特征,也就是对象分辨率,在采集运动物体的图像的拇指规则就是曝光必须发生在采集物体移动量小于一个像素的时间内。如果你采集的物体是在以1厘米/秒的速度匀速移动,而且物体分辨率已经设置为1 pixel/mm,那么需要的最大曝光时间是1/10每秒。因为物体移动一个距离恰好等于相机传感器中的一个像素,当使用最大曝光时间时这里会有一定数量的模糊。在这种情况下,一般倾向于将曝光时间设置的比最大值要快,比如1/20每秒,就能保持物体在移动半个像素内成像。如果同样的物体以1厘米/秒的速度移动,物体分辨率为1 pixel/微米,那么一秒中所需要的最大曝光是1/10000.曝光设置的对快取决于所采用的相机,还有你是否能够给物体足够的光来获得一幅好的图像。
怎么计算镜头的放大率
不同类型的数码相机镜头都有系列的具有自身特征的技术规格(这可由相关镜头的规格说明书查到),在这里要介绍其中我们摄影常提到的而且应当理解的“最近对焦距离”和“最大放大倍率”这两个技术规格参数,至于镜头的其它的技术规格参数以后介绍。
在我的理解里主要和焦距与最近对焦距离相关如下图:
CCD视觉系统如何确定所需工业镜头的焦距-深圳市视清科技有限公司
为特定的应用场合选择合适的工业镜头时必须考虑以下因素:
• 视野 - 被成像区域的大小。
• 工作距离 (WD) - 摄像机镜头与被观察物体或区域之间的距离。 
• CCD - 摄像机成像传感器装置的尺寸。

• 这些因素必须采取一致的方式对待。如果在测量物体的宽度,则需要使用水平方向的 CCD 规格,等等。如果以英寸为单位进行测量,则以英尺进行计算,最后再转换为毫米。




参考如下例子:有一台 1/3” C 型安装的 CDD 摄像机(水平方向为 4.8 毫米)。物体到镜头前部的距离为 12”(305 毫米)。视野或物体的尺寸为2.5”(64 毫米)。换算系数为 1” = 25.4 毫米(经过圆整)。
 
FL = 4.8 毫米 x 305 毫米 / 64 毫米
FL = 1464 毫米 / 64 毫米
FL = 按 23 毫米镜头的要求
FL = 0.19” x 12” / 2.5”
FL = 2.28” / 2.5”
FL = 0.912” x 25.4 毫米/inch
FL = 按 23 毫米镜头的要求
注:勿将工作距离与物体到像的距离混淆。工作距离是从镜头前部到被观察物体之间的距离。而物体到像的距离是 CCD 传感器到物体之间的距离。计算要求的镜头焦距时,必须使用工作距离。

机器视觉方案中如何选择工业镜头

在一个机器视觉项目中,工业镜头是其中一个重要组成要素,那么在确定一个机器视觉方案时,我们应当怎样选择工业镜头呢。


1、明确客户机器视觉方案中所要求的镜头视野范围、光学倍率及工作距离

在进行工业镜头的选择时,通常会选择比被测物体视野稍大一点的镜头,以有利于运动控制。


2、景深要求:

于景深的要求,要尽可能使用小的光圈;对于放大倍率的选择,在项目许可下尽可能选用低倍率工业镜头。如果项目要求比较严苛时,倾向选择高景深的尖端工业镜头。


3、相机芯片尺寸和相机接口:

每款镜头都有匹配的相机接口和芯片尺寸规格,例如2/3”工业镜头支持最大的工业相机耙面为2/3”,它是不能支持1”以上的工业相机。


4、注意与光源的配合,选配合适的工业镜头

不同规格的镜头也有与之匹配的光源可供选择。


5、客户的安装环境:
在方案可选择情况下,让客户更改设备尺寸是不现实的,可以根据需求选择光学参数相近,尺寸大小不同的镜头。
什么是机器视觉系统-深圳市视清科技有限公司

       机器视觉技术是计算机学科的一个重要分支,它综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术,涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。自起步发展至今,已经有20多年的历史,其功能以及应用范围随着工业自动化的发展逐渐完善和推广,其中特别是目前的数字图像传感器、CMOS和CCD摄像机、DSP、FPGA、ARM等嵌入式技术、图像处理和模式识别等技术的快速发展,大大地推动了机器视觉的发展。


       简而言之,机器视觉就是利用机器代替人眼来作各种测量和判断。在生产线上,人来做此类测量和判断会因疲劳、个人之间的差异等产生误差和错误,但是机器却会不知疲倦地、稳定地进行下去。一般来说,机器视觉系统包括了照明系统、镜头、摄像系统和图像处理系统。对于每一个应用,我们都需要考虑系统的运行速度和图像的处理速度、使用彩色还是黑白摄像机、检测目标的尺寸还是检测目标有无缺陷、视场需要多大、分辨率需要多高、对比度需要多大等。从功能上来看,典型的机器视觉系统可以分为:图像采集部分、图像处理部分和运动控制部分。


 一个完整的机器视觉系统的主要工作过程如下:
       1、工件定位检测器探测到物体已经运动至接近摄像系统的视野中心,向图像采集部分发送触发脉冲。
       2、图像采集部分按照事先设定的程序和延时,分别向摄像机和照明系统发出启动脉冲。 
       3、摄像机停止目前的扫描,重新开始新的一帧扫描,或者摄像机在启动脉冲来到之前处于等待状态,启动脉冲到来后启动一帧扫描。 
       4、摄像机开始新的一帧扫描之前打开曝光机构,曝光时间可以事先设定。
       5、另一个启动脉冲打开灯光照明,灯光的开启时间应该与摄像机的曝光时间匹配。 
       6、摄像机曝光后,正式开始一帧图像的扫描和输出。 
       7、图像采集部分接收模拟视频信号通过A/D将其数字化,或者是直接接收摄像机数字化后的数字视频数据。 
       8、图像采集部分将数字图像存放在处理器或计算机的内存中。 
       9、处理器对图像进行处理、分析、识别,获得测量结果或逻辑控制值。

       10、处理结果控制流水线的动作、进行定位、纠正运动的误差等。


       从上述的工作流程可以看出,机器视觉是一种比较复杂的系统。因为大多数系统监控对象都是运动物体,系统与运动物体的匹配和协调动作尤为重要,所以给系统各部分的动作时间和处理速度带来了严格的要求。在某些应用领域,例如机器人、飞行物体导制等,对整个系统或者系统的一部分的重量、体积和功耗都会有严格的要求。 


机器视觉系统的优点有: 
       1、非接触测量,对于观测者与被观测者都不会产生任何损伤,从而提高系统的可靠性。 
       2、具有较宽的光谱响应范围,例如使用人眼看不见的红外测量,扩展了人眼的视觉范围。 

       3、长时间稳定工作,人类难以长时间对同一对象进行观察,而机器视觉则可以长时间地作测量、分析和识别任务。


       机器视觉系统的应用领域越来越广泛。在工业、农业、国防、交通、医疗、金融甚至体育、娱乐等等行业都获得了广泛的应用,可以说已经深入到我们的生活、生产和工作的方方面面。
相机镜头清洁方法攻略

       工业镜头是工业相机的“眼睛”,保持镜头的洁净才能获得清晰的影像质量,在相机工作时,镜片上难免会沾有手印、灰尘等污渍,如不及时清理,甚至会侵蚀镜片上的涂层。在清洁镜片上的灰尘时,应遵循吹、刷、擦的操作顺序。


工具/原料
       组合一,气吹+毛刷+超微无纺镜头纸。
       组合二,气吹+毛刷+超级细纤维镜头布+专业清洁液。
       组合三,除尘压缩气罐+超级细纤维镜头布+专业清洁液+短棉棒。
 
步骤/方法
       1.用气吹或除尘压缩气罐将大的灰尘颗粒吹离镜片; 
       2.使用毛刷,从上到下轻轻刷去尘埃;
       3.如果遇到较顽固的污渍,需用超微无纺镜头纸或超级细纤维镜头布按照螺旋向外的顺序由中心向四周擦拭;

       4.对于变焦环、对焦环等可以移动的部分边缘,以及镜头上的开关按钮等位置,使用短棉棒蘸取少量镜头清洁液擦拭。


注意事项:
       1.采用低端材质的镜头纸、镜头布等,不但其自身会产生灰尘或掉毛,还能将其他灰尘留存在本身,当反复擦拭,会给镜头玻璃造成划痕。
       2.采用劣质橡胶的气吹容易出现老化,并发生粘连情况,有些在成型制造中,使用滑石粉脱模成型工艺,这样会将原有的粉尘吹入被清洁部位,势必对器材造成二次污染。
       3.通常的污渍可以用超微无纺镜头纸或者超级细纤维镜头布直接擦拭;如果遇到很顽固的污渍,就要配合专业清洁液一道擦拭。
CCD和CMOS的区别-深圳市视清科技有限公司

       CCD和CMOS在制造上的主要区别是CCD是集成在半导体单晶材料上,而CMOS是集成在被称做金属氧化物的半导体材料上,工作原理没有本质的区别。CCD只有少数几个厂商例如索尼、松下等掌握这种技术。而且CCD制造工艺较复杂,采用CCD的摄像头价格都会相对比较贵。事实上经过技术改造,目前 CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。而且CMOS的制造成本和功耗都要低于CCD不少,所以很多摄像头生产厂商采用的CMOS感光元件。成 像方面:在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好,色彩还原、曝光可以保证基本准确。而CMOS的产品往往通透性一般,对实物的色彩还原能力偏弱,曝光也都不太好,由于自身物理特性的原因,CMOS的成像质量和CCD还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及高度的整合性,因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。


       CCD是目前比较成熟的成像器件,CMOS被看作未来的成像器件。因为CMOS结构相对简单,与现有的大规模集成电路生产工艺相同,从而生产成本可以降低。从原理上,CMOS的信号是以点为单位的电荷信号,而CCD是以行为单位的电流信号,前者更为敏感,速度也更快,更为省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差,但是CMOS工艺还不是十分成熟,普通的SMOS一般分辨率低而成像较差。


       CCD或CMOS,基本上两者都是利用矽感光二极体(photodiode)进行光与电的转换。这种转换的原理与各位手上具备“太阳电能”电子计算机的“太阳能 电池”效应相近,光线越强、电力越强;反之,光线越弱、电力也越弱的道理,将光影像转换为电子数字信号。


       比较CCD和CMOS的结构,ADC的位置和数量是最大的不同。简单的说,按我们在上一讲“CCD 感光元件的工作原理(上)”中所提之内容。CCD每曝光一次,在快门关闭后进行像素转移处理,将每一行中每一个像素(pixel)的电荷信号依序传入“缓 冲器”中,由底端的线路引导输出至CCD 旁的放大器进行放大,再串联ADC输出;相对地,CMOS的设计中每个像素旁就直接连着ADC(放大兼类比数字信号转换器),讯号直接放大并转换成数字信号。


两者优缺点的比较

CCD与CMOS

       由于构造上的基本差异,我们可以列出两者在性能上的表现之不同。CCD的特色在于充分保持信号在传输时不失真(专属通道设计),透过每一个像素集合至单一放大器上再做统一处理,可以保持资料的完整性;CMOS的制程较简单,没有专属通道的设计,因此必须先行放大再整合各个像素的资料。


       整体来说,CCD与CMOS两种设计的应用,反应在成像效果上,形成包括ISO感光度、制造成本、解析度、噪点与耗电量等,不同类型的差异:

       ISO感光度差异:由于CMOS每个像素包含了放大器与A/D转换电路,过多的额外设备压缩单一像素的感光区域的表面积,因此相同像素下,同样大小之感光器尺寸,CMOS的感光度会低于CCD。

       成本差异:CMOS应用半导体工业常用的MOS制程,可以一次整合全部周边设施于单晶片中,节省加工晶片所需负担的成本和良率的损失;相对地CCD采用电荷传递的方式输出资讯,必须另辟传输通道,如果通道中有一个像素故障(Fail),就会导致一整排的讯号壅塞,无法传递,因此CCD的良率比CMOS低,加上另辟传输通道和外加ADC等周边,CCD的制造成本相对高于CMOS。

       解析度差异:在第一点“感光度差异”中,由于CMOS每个像素的结构比CCD复杂,其感光开口不及CCD大,相对比较相同尺寸的CCD与CMOS感光器时,CCD感光器的解析度通常会优于CMOS。不过,如果跳脱尺寸限制,目前业界的CMOS感光原件已经可达到1400万像素/全片幅的设计,CMOS技术在量率上的优势可以克服大尺寸感光原件制造上的困难,特别是全片幅24mm-by-36mm这样的大小。

       噪点差异:由于CMOS每个感光二极体旁都搭配一个ADC放大器,如果以百万像素计,那么就需要百万个以上的ADC放大器,虽然是统一制造下的产品,但是每个放大器或多或少都有些微的差异存在,很难达到放大同步的效果,对比单一个放大器的CCD,CMOS最终计算出的噪点就比较多。

       耗电量差异:CMOS的影像电荷驱动方式为主动式,感光二极体所产生的电荷会直接由旁边的电晶体做放大输出;但CCD却为被动式,必须外加电压让每个像素中的电荷移动至传输通道。而这外加电压通常需要12伏特(V)以上的水平,因此CCD还必须要有更精密的电源线路设计和耐压强度,高驱动电压使CCD的电量远高于CMOS。