智能相机亚研发可行性报告

一．工程简要介绍工业相机领域主要分为三大类，分别是FA镜头〔智能相机〕、远心镜头和工业显微镜。远心镜头主要是为纠正传统工业镜头视差而设计，它可以在一定的物距范围内，使得到的图像放大倍率不会变化，这对被测物不在同一物面上的情况是非常重要的应用。工业显微镜主要适用于金属、半导体行业的超精细检测。智能相机(SmartCamera)是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内，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。同时，由于应用了最新的DSP、FPGA及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需求。二．工程根本原理及产品结构1.智能相机根本结构。如下列图所示，智能相机系统大体由C/CS接口镜头、CCD感光元件、面阵CCD相关电路设计〔驱动电路设计、A/D转换设计、电源电路设计、驱动电路软件设计〕、DSP系统设计〔视频处理电路设计、RS-接口电路设计、电源电路设计、DSP软件设计〕、软件界面设计构成。2.智能相机工作原理工作原理是光线经过C/CS接口镜头会聚打到CCD的靶面上成像，CCD在CPLD或FPGA的驱动下对每个感光源的电荷进行光积分后存储并转移，模拟图像数据通过相关双采样〔CDS〕进入A/D转换器采样保持并对转移过来的电荷量进行模拟数字转换，转换后的原始数字图像信号在CPLD或FPGA的同步下被DSP存储在存储器SRAM中，准备进一步运算处理。然后在DSP中对原始数字图像信号进行视频处理和图像输出。最终通过智能相机系统自身的PC软件，将图像实时呈现在电脑上。3.智能相机各部件介绍〔1〕C/CS接口镜头 目前市场上C/CS接口镜头主要是调焦可变光阑镜头及变焦镜头。由于变焦镜头市场份额小，使用率低，下面主要介绍调焦可变光阑镜头的规格参数。规格参数焦距f10-50mm光圈F/#1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22.最小物距0.1、0.2、0.25、0.35、0.7m接口C、CS、F〔应用范围小〕滤光片螺纹规格43x0.75、30.5x0.5、27x0.5长度30-50mm左右畸变<2%CCD尺寸1/2英寸、2/3英寸(2)CCD感光元件目前广泛使用的感光元件有CCD和CMOS两种，而其中CCD在成像质量方面要明显高于CMOS，所以智能相机感光元件选用CCD作为接受光信号的元件。智能相机CCD的尺寸在1/2至1英寸之间选择，其中广泛应用的是1/2英寸、2/3英寸两种。每款CCD都有它独特的光谱响应范围，所以在选用的时候也要注意镜头与CCD的选配，以及滤光片的使用。市场上一般有单色〔黑白〕和彩色两种CCD形式，这方面的选择可能就要根据实际的检测环境来选用。感光元件CCD的供给商一般为：Sony、Aptina和Onsemi等，〔3〕面阵CCD相关电路设计及元器件。CCD的应用中主要解决两个问题：一是CCD驱动电路的设计，另一个是CCD输出信号的数据采集和传输。下面分别介绍〔a.〕CCD驱动电路〔直接数字电路驱动设计〕。 简单说就是将CCD的电路板和CPLD或FPGA通过语言编程的方式连接起来，使得CCD可以按照预想的方式运作。这种方法是数字门电路及时序电路直接搭成CCD驱动时序所需的电路，通过硬件电路实现对CCD的驱动。具体可通过CPLD或FPGA方法实现。如下列图所示。〔b．〕A/D转换电路〔输出信号的采集转换和传输电路〕。A/D转换电路将CCD传输过来的电荷模拟量的输入信号转换为数字量的输出，并将数字量转化到DSP中。模拟转换电路是本系统的核心局部之一，它决定采样的精度和速度。〔c.〕CCD系统电源设计电源系统的设计对整个系统的稳定性起着至关重要的作用。CCD结构的特点决定了其供电电源和必须具备功率大，噪声低和多种电压输出的特点。〔d.〕CCD驱动时序电路软件设计〔4〕DSP系统设计〔a．〕视频处理电路视频处理电路的核心局部是高性能的数字信号中央处理器。为保证智能相机对大量数字化的图像数据的快速处理能力，DSP的选择尤为重要。总的来说，DSP芯片的选择应该根据仿真系统的规模、运算速度、存储容量而定。但一般情况下，选择DSP芯片时应考虑如下因素：DSP芯片的运算速度、价格、硬件资源、运算精度、开发工具及功耗。定点DSP芯片的价格较廉价，功耗较低，但运算精度不高。而浮点DSP的运算精度较高，用C语言编程方便，但是价格和功耗都很高。目前，在生产通用DSP的厂家中，最有影响的公司有：AD公司、Lucent公司、Motorola公司、TI公司、NEC公司。〔b．〕RS-接口电路这个接口是连接到外部控制机构的，例如摄像机的云台，用来控制云台的转动，调整摄像头的位置和方向。RS-232和RS-485都可以使用，在通信距离较近的情况下使用RS-232，在通信距离较远的情况下使用RS-485.在实际工程中，选用RS-485协议是通常的选择。RS-485总线抗干扰能力强，能实现多站点远距离通信。RS-485是美国电器工业联合会制定的利用平衡双绞线做传输线的多点通信标准。它采用差分信号进行传输，最大传输距离可达1.2km，最多可连接32个驱动器和收发器。接收器最小灵敏度可达±200mV，最大传输速率可达2.5Mb/s，可以说RS-485是针对远距离，高灵敏度、多点通信制定的标准。连接口如下列图所示。〔c．〕电源电路涉及到整个DSP系统电路的供电局部。根据DSP不同的规格形式，在整体工作电压一定的情况下，到达分压目的。使各部件正常运行。〔d．〕DSP局部软件设计该局部的软件包括两局部：系统软件和图像处理软件。一般来讲，系统软件包括操作系统和一系列根本的工具〔比方编译器，数据库管理，存储器格式化，文件系统管理，用户身份验证，驱动管理，网络连接等方面的工具〕，是支持计算机系统正常运行并实现用户操作的那局部软件。系统软件一般是在计算机系统购置时随机携带的，也可以根据需要另行安装。三．工程技术成熟性及难点整体的设计步骤应该是先选定CCD的型号，再根据其型号特征进行C/CS接口的镜头、CCD驱动电路和DSP整体电路的设计。 从镜头方面来看，镜头一般都是调焦可变光阑镜头，再根据市场上流行的镜头的F/#，焦距等参数，可估计玻璃的片数大约是8或9片。波段选择为可见光全波段，如有特殊要求可加滤光片。个人认为整机中最有技术含量，难度最大的也就是后续的硬件和软件局部。可能需要长时间的研究和消化。四．智能工业相机国内市场分析〔转载〕工业相机是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。选择适宜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.工业相机需求情况2010年我国机器视觉市场规模到达亿元，同比增长48.2%，其中工业相机保持了35%以上的增幅，皆为2007年以来的最高水平。2011年，我国机器视觉市场步入后增长调整期。相较2010年的高速增长，虽然增长率有所下降，但仍保持很高的水平。2013年中国机器视觉市场规模为亿元，工业相机保持了30%以上的增速，增幅远高于中国整体自动化市场的增长速度。2.国内厂商中国是一个开展中国家，尤其进入21世纪以来，各行各业都处于高速开展的阶段。机器视觉技术随着电子行业进入中国，在自动化生产的大背景下，得到了广泛的应用。工业相机作为核心技术，其应用涉及到的领域众多，然而目前国内高分辨率、高速的高端工业相机大都还是需要国外来提供，每一领域涉及到的相关技术短板都可能是导致国产工业相机技术水平处于世界领先水平之下的原因。那么，究竟我国研发制造高端工业相机的主要瓶颈在哪里呢？通过了解，难点根本上可以归结到人才、市场、产品三个大方面中。一、人才方面都说21世纪，最珍贵的就是人才，在像工业相机制造这样的技术行业，人才更是最为重要的主体。目前，国内企业在高端工业相机的研发制造过程中，存在的最大的困境就在于太缺乏优秀的技术人才。只有拥有一支优秀的研发团队，才能制造出优秀的产品，才能给予强有力的技术支持，这样国内工业相机的市场才能得以开展。所以，人才是根底，只有不断引进优秀的技术人才或是加大国内人才的培养，才能有赶超世界水平的资本。二、市场方面有了人才，才能有市场；有了市场，才能吸引更多的人才，维持团队的开展。目前，市场尚未形成规模化是限制工业相机开展的最大瓶颈，只有市场开始系统化、规模化，才能在供需循环系统的影响下，推开工业相机市场的开展，促进高端产品的研发与推广。三、产品方面在产品方面的瓶颈，主要分为两个板块，一个是产品技术的问题，另一个是产品价格的问题。产品技术方面，主要瓶颈在于数据处理接口技术比拟薄弱、软件开发平台的支持还做的不够等方面，要想制造出高端的工业相机，高分辨率、高帧率、高信噪比以及高灵敏度都是必需的，目前来说，这是国内最为欠缺的，也是一定要去解决的。产品价格方面，目前，国内工业相机的本钱较高，使得与国际产品比拟之下，在价格上失去了优势，那么下一步，如何在保障质量的前提下，降低本钱就是国内生产商应该去考虑的问题了。工业相机市场开展趋势随着市场竞争的日益剧烈，为了适应行业开展的需求，满足不同领域的客户需要，产品更新换代已经成为各大行业的主要开展态势。工业相机作为机器视觉系统的核心组件，伴随着产品升级