机器视觉3-工业相机

工业机器人视觉技术及应用三、工业相机工业相机介绍相机是机器视觉系统的重要组成部分，其最本质的功能就是通过CCD或CMOS成像传感器将镜头接收的光信号转变为有序的电信号，并将这些信息通过相应接口传送到计算机主机工业相机介绍工业相机普通相机结构结构紧凑，易于安装不易安装稳定性高，工作时间长低，工作时间短快门速度快，可抓拍高速运动的物体慢，只能拍摄静止物体帧率高，每秒可以拍摄十幅到几百幅图片低，只能拍摄2-3幅图像光谱范围宽窄价格贵便宜工业相机与普通相机的区别采集处理传输工业相机的分类工业相机介绍MonoRGB黑白工业最常用的模式图像的还原度高彩色可以分辨颜色信息AnalogDigital模拟图像质量差容易被干扰需要图像采集卡数字图像质量好CCDCMOSCCD图像质量好CMOS速度快经济性好AreaLine面阵拍摄的是一整幅画面（4:3）线阵拍摄的是一条线，通过移动机构来实现整个画幅的采像。（1024*1）工业相机介绍智能相机是集高速微处理器、内存、程序存储、图像采集、图像处理为一体的工业相机。从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案，开发速度快，可以适应于大部分项目。比较有名的有NI、基恩士、康耐视等厂商。缺点是其集成的ARM、DSP、FPGA等性能不如高端桌面型CPU，并且智能相机编程函数比较固定，开发空间小，不如基于PC（PCbase）的相机灵活度高。工业相机介绍CCD与CMOS图像传感器光电转换的原理相同，他们最主要的差别在于信号的读出过程不同；工业相机介绍在CCD芯片中，光敏像素的电荷发生移位并被转化为信号。像素电荷产生于对半导体的曝光，在许多非常小的移位操作（垂直和水平移位寄存器）的支持下（类似于“斗链”），被传输到中央模数转换器。由芯片中的电极所产生的电场推动电荷的传输。工业相机介绍在CMOS芯片中，并行于每个像素放置了存储电荷的电容。当每个像素曝光时，这个电容器被光电电流充电。电容器中产生的电压与亮度和曝光时间成正比。不同于CCD，因芯片曝光而由电容捕获的电子不会移位到单个输出放大器，而是会通过每个像素自己的关联电子电路直接转化为可测量的电压。然后，这个电压可用于模拟信号处理器。工业相机介绍

由于CCD仅有一个（或少数几个）输出节点统一读出，其信号输出的一致性非常好；而CMOS芯片中，每个像素都有各自的信号放大器，各自进行电荷-电压的转换，其信号输出的一致性较差。CCD为了读出整幅图像信号，要求输出放大器的信号带宽较宽，而在CMOS芯片中，每个像元中的放大器的带宽要求较低，大大降低了芯片的功耗，这就是CMOS芯片功耗比CCD要低的主要原因。尽管降低了功耗，但是数以百万的放大器的不一致性却带来了更高的固定噪声，这又是CMOS相对CCD的固有劣势。工业相机介绍

集成性：从制造工艺的角度看，CCD中电路和器件是集成在半导体单晶材料上，工艺较复杂，世界上只有少数几家厂商能够生产CCD晶元，如SONY、DALSA、松下等。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，相对成本较低。CCD仅能输出模拟电信号，需要后续的地址译码器、模拟转换器、图像信号处理器处理，并且还需要提供三组不同电压的电源同步时钟控制电路，集成度非常低。工业相机介绍

集成性：CMOS芯片能将图像信号放大器、信号读取电路、A/D转换电路、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上，只需一块芯片就可以实现相机的的所有基本功能，集成度很高，芯片级相机概念就是从这产生的。随着CMOS成像技术的不断发展，有越来越多的公司可以提供高品质的CMOS成像芯片。工业相机介绍

速度：CCD采用逐个光敏输出，只能按照规定的程序输出，速度较慢。CMOS有多个电荷-电压转换器和行列开关控制，读出速度快很多，目前大部分500fps以上的高速相机都是CMOS相机工业相机介绍

噪声：CCD技术发展较早，比较成熟，采用PN结或二氧化硅（SiO2）隔离层隔离噪声，成像质量相对CMOS光电传感器有一定优势。由于CMOS图像传感器集成度高，各元件、电路之间距离很近，干扰比较严重，噪声对图像质量影响很大。近年，随着CMOS电路消噪技术的不断发展，为生产高密度优质的CMOS图像传感器提供了良好的条件。工业相机介绍项目CCDCMOS原因灵敏度高低CMOS像素包含感光二极管、放大器、AD电路，感光区域小于像素本身成本高低CCD工艺复杂，成品率低分辨率高低类似第一条噪声低高放大不一致，集成度高，噪声隔离差成像质量高低CCD均匀性好，像素大，通光量多功耗高低CCD图像被动采集，需外加电压让电荷移动工业相机介绍项目CCDCMOS原因整合度低高集成性帧率低高CCD模数转换最后进行，采集时间较长动态响应高低CCD一般全局曝光动态范围低高动态范围反应传感器在很暗或很亮下相应能力，CMOS单像素集成AD与放大电路工业相机介绍相机性能：感光度：感光度越大，所需的补光越少。但因为光源往往成本较低，通常只有因安装环境限制无法使用光源时才选择高灵敏度的相机。如果相机只能使用很短的曝光时间（如高帧速率），此时也需要使用高感光度的相机。动态范围：大动态范围可以在各种光照条件下获得良好的图像，并显示出非常黑暗和明亮场景下的图像细节。具有此功能的相机经常被宣传为HDR或WDR（高或宽动态范围）。信噪比：相机的噪声等级应该低于可识别的信号。此属性在光线较暗的情况下尤为重要。工业相机介绍CCD芯片中的电荷传输需要大量的时间。对于高分辨率芯片，这是一个明显的劣势：因为像素数众多，电荷必须由许多移位操作送入中央放大器。这限制了最大帧速率。解决这个问题的技术手段是多抽头芯片。在多抽头芯片中，芯片表面被划分为多个抽头区域。每个抽头区域都有自己的电子电路，名叫抽头，可为每个抽头区域创建信号和单个输出。出自抽头区域的图像信息被抽头在较短距离内同步进行移位、放大和选择，因此速度更快。这些区域随后必须重新组成一幅图像。多抽头过程提供了高分辨率和速度，但也有缺点：非常复杂。必须逐一对各个抽头电子电路进行仔细调整。因为抽头区域的边界很明显，所以即使是最小的偏差都会导致图像中产生可见的差异：最重要的是人眼可见。多抽头芯片的能耗通常较大，从而导致发热量增加。这往往会增加芯片的噪声，必要的时候必须适当采取降温措施工业相机介绍CMOS通过使用每像素额外的电子电路，每个像素都可以被定位，而无需CCD中的电荷移位。由此，对图像信息的读取速度远远高于CCD芯片，且因光晕和拖尾等过度曝光而产生的非自然现象的发生频率要低得多，也可能根本不会发生。其缺点是为每个像素电子电路提供所需的额外空间不会作为光敏区域。由此，芯片表面上的光敏区域部分小于CCD芯片。从理论上讲，由于这个原因，可以收集的图像信息光子数会有所减少。工业相机介绍CCD芯片新的CMOS芯片快门全局快门全局快门或滚动快门同一分辨率的相机/芯片的成本非常高从中等（全局快门）到非常低（滚动快门）最大读出速度通常不高于20fps非常高，几乎是无限的（例如400万像素的全局快门芯片可达180fps）电耗高低镜头选择有限，原因是芯片尺寸大多大于2/3非常大(1/4″–1″)发热，如果不降温噪声会较高非常高低工业相机介绍CCD芯片新的CMOS芯片成像质量：动态范围高低到非常高成像质量：灵敏度高低到非常高成像质量：低噪点几乎没有几乎没有抽头配置的成像干涉可能需要，必须费力校准（只适用于多抽头CCD芯片。）无成像非自然“光晕”有无成像非自然“拖尾”有无高分辨率全局快门CMOS芯片是在最近才推出的。以前的许多芯片只使用滚动快门。今天许多CMOS芯片的成像质量也已经优于CCD芯片的成像质量。工业相机介绍物体在有光线照射到它时将会产生反射，这些反射光线进入镜头光圈照射在CCD芯片上，在各个单元中生成电子。曝光结束后，这些电子被从CCD芯片中读出，并由相机内部的微处理器进行初步处理。此时由该微处理器输出的就是一幅数字图像了。这种方式得到的像素中的数字信号是真实可靠的，因此黑白相机成像质量通常会很好。工业相机介绍CCD芯片将光子转换为电子，在这一过程当中，光子数目与电子数目互成比例。但光子还有另外一个特征值——波长，而这条信息却没有在这个过程中被转换为电子。因此，CCD芯片无法识别颜色。如果我们需要相机内的图像处理单元在每个像素上都输出红、绿和蓝三种颜色分量的值，就必须给这三种基色中的每种颜色都配置一个CCD。每个CCD都只得到过滤后一个颜色分量的光子，即一个CCD用于红光，一个用于绿光，一个用于蓝光。我们用三棱镜将这三种颜色分离开来。工业相机介绍红绿蓝三基色被各自分开，分别被各自芯片感光，再由处理器还原为真实颜色。工业相机介绍

如果考虑到价格因素，我们只能使用一个CCD芯片，那么我们就得把彩色滤光片象马赛克一样分布在CCD所有的像素上。这一概念也被称为马赛克滤光片或拜尔滤光片。工业相机介绍工业相机介绍CameraLinkUsb2.0（3.0）1394a1394bGigE速度Base:255MB/sFull:680MB/s38MB/s（350）32MB/s64MB/s100MB/s距离10m5m4.5m10m100m优势1.带宽高2.有带预处理功能的采集设备3.抗干扰能力强1.易用2.价格低3.多相机1.易用，价格低，多相机2.传输距离远，实际线缆可达到17.5m，光纤传输可达100m3.有标准DCAM协议4.CPU占用最低1.易用，价格低，多相机2.传输距离远，线缆价格低3.标准GigEVision协议缺点1.价格高2.线中不带供电1.无标准协议2.CPU占用高1.长距离传输线缆价格稍贵1.CPU占用稍高2.对主机配置要求高3.有时存在丢包现象工业相机的通讯接口类型工业相机的通讯接口类型工业相机介绍USB2.0USB3.0常用1394a1394bGigE（常用）CameraLink线扫用连接方式主/从，共享总线主/从，共享总线点对点，共享总线点对点，共享总线点对点，局域网点对点图片工业相机介绍是由AIA协会推出的数字图像信号通讯接口协议，是一种串行通讯协议；采用LVDS接口标准，该标准速度快、抗干扰能力强、功耗低；是在NSM（NationalSemiconductor美国国家半导体制造商）的接口协议ChannelLink基础上发展而来的；协议使用MDR-26针连接器线缆紧凑简单（用5个线对可传28bits数据）高带宽Base:250MB/s;Medium:510MB/s;Full:680MB/sCameraLink工业相机介绍由AIA（AutomatedImagingAssociation）创建并推广适于工业成像应用，通过网络传输无压缩视频信号第一个使用价格低廉线缆长距离传输图像的标准即使是不同厂家的硬件和软件，只要符合GigEVision标准，也可以实现无缝的千兆网连接高带宽（1000Mbps)，有效带宽100MB/s单根网线传输100米的距离标准的GigabitEthernet硬件允许单个/多个相机连接到一台/多台电脑价格低廉的线缆（CAT5e或者CAT6e）和标准的连接器，可以很容易进行集成，而且集成费用很低具备较高的可升级性，可适应网络带宽的增长。由于GigE变成主流，GigEVision将会成为工业中最快的连接；GiGe感光芯片介绍工业相机介绍芯片尺寸计算分辨率宽度分辨率高度对角线尺寸（英寸）像素精度计算---挑选相机芯片宽度=分辨率宽度*像素尺寸芯片高度=分辨率高度*像素尺寸像素精度（宽）=视野宽/分辨率宽度像素精度（高）=视野高/分辨率高度曝光方式全局曝光（GlobalShutter）：整个芯片同时曝光（CCD）卷帘曝光（RollingShutter）：逐行滚动曝光（CMOS）GlobalShutterRollingShutter在抓拍快速运动的物体是，卷帘快门的方式会产生图像斜变。因此卷帘快门更适合静止拍摄，而对高速抓拍的场合需要使用全局曝光的芯片。工业相机介绍常见感光芯片规格工业相机介绍像素量对角线尺寸芯片型号芯片类型曝光方式分辨率宽度分辨率高度30万1/4"SonyICX618CCDGlobalShutter659.0494.030万1/3"SonyICX424CCDGlobalShutter659.0494.0130万1/3"SonyICX445CCDGlobalShutter1296.0966.0130万1/1.8"EV76C560CMOSGlobalShutter1280.01024.0200万1/1.8"SonyICX274CCDGlobalShutter1628.01236.0200万1/1.8"EV76C570CMOSGlobalShutter1600.01200.0200万1/3.7AptinaMT9PCMOSRollingShutter1920.01080.0200万2/3"CMOSISCMV2000-2E5CMOSGlobalShutter2048.01088.0400万1"CMOSISCMV4000-2E5CMOSGlobalShutter2048.02048.0500万2/3"SonyICX625CCDGlobalShutter2456.02058.0500万1/2.5"AptinaMT9P031CMOSRollingShutter2592.01944.0相机主要参数介绍工业相机介绍感光芯片型号感光芯片决定了，相机的分辨率、像素精度和曝光方式。帧率每秒钟可以捕捉的最大的画幅数，和图像的大小和通讯的速度有关。帧：相机每秒最多可以拍摄的照片张数触发延时从相机接收到触发信号到开始曝光的时间。曝光时间曝光时间越大拍摄的照片越亮，但是对运动的物体来说，过大的曝光时间会产生径向模糊。ROI/AOI（RegionofInterest/AreaofInterest）感兴趣区域，可以使用感光芯片的一部分作为有效的图像。可以去除多余的图像区域，减少像素量，提高帧率和运算速度。增益--ISO信号放大倍率。增益越大，图像越亮，但是噪点也越多。采像模式（实时、触发、单帧）实时：按照相机的设定帧率自由采集图像。触发：外部触发信号接入，控制相机曝光。（5<=V<24）单帧：又叫软触发。通过软件触发相机拍摄一帧图像。工业相机介绍像素，简单的说，就是CCD/COMS上光电感应元件的数量，一个感光元件经过感光、光电信号转换、A/D转换等步骤后，在输出的图片上就形成了一个点，这些点就是构成影像的最小单位“像素”(Pixel)相机主要参数介绍工业相机介绍分辨率：相机每次采集图像的所有像素点数（Pixels）即为相机分辨率。分辨率由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片阵列排列的像元数量，对于面阵相机来说水平分辨率和垂直分辨率相乘即为相机的分辨率。目前常用的相机分辨率有30万，80万，130万，200万，500万等像素深度：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，对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit等像元尺寸：指相机芯片上每个像元(像素)的实际物理尺寸，常见的有3.45um,3.75um,4.4um,4.65um,6.45um,7.4um,9.6um等相机主要参数介绍工业相机介绍传感器的尺寸，其实是说感光器件的面积大小，包括了CCD和CMOS传感器。感光器件的面积越大，CCD/CMOS面积越大，捕捉的光子越多，感光性能越好，信噪比越高。传感器尺寸越大，感光面积越大，成像效果越好。1/1.8英寸的300万像素相机效果通常好于1/2.7英寸的400万像素相机(后者的感光面积只有前者的55%)。而相同尺寸的传感器像素增加固然是件好事，但这也会导致单个像素的感光面积缩小，有曝光不足的可能。

相机的一些实用功能（部分相机有）工业相机介绍像素融合（Binning）通过相邻的像素进行融合成为一个像素。可以提高图像的信噪比，图像更亮，噪点更少，但是图像的分辨率会下降。POE（PowerOverEthernet）以太网供电，可以省去外部电源线。但同时也少了外部IO控制，如触发频闪功能。LUT输入灰度值和输出灰度值的传递关系，可以通过设定LUT来控制图像输出的灰度范围和图像对比度。频闪相机的IO信号线中有自带的频闪输出信号，可以控制工业光源的进行频闪曝光。HDR通过多组不同的曝光参数来实现不同亮度范围内的拍摄，最后合成一张图。针对采像范围内明暗变化特别大的情况。颜色增益针对彩色相机，可分别对R、G、B每个通道设定增益，提高色彩的对比度。工业相机介绍工业相机介绍相机选型计算举例工业相机介绍检测要求被检测对象大小：115*85mm运动中在线检测检测速度：120个/分钟检测精度：0.1mm没有颜色检测要求。通讯距离：12米Step1.确定视野大小，要比检测对象略大一些。这里选择120*90mm。Step2、根据检测精度选择对应的像素分辨率：1280*1024差不多可以提供0.09mm/像素的精度。Step3、运动中检测，需要选用全局曝