工業(yè)相機(jī)的選擇方法1200萬(wàn)高像素高幀率相機(jī)-東莞敏威光電科技有限公司
信號(hào)
工業(yè)相機(jī)的信號(hào)類型有模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)兩種。模擬相機(jī)必須有圖像采集卡，標(biāo)準(zhǔn)的模擬相機(jī)分辨率很低，采集到的是模擬信號(hào)，經(jīng)數(shù)字采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸存儲(chǔ)。工業(yè)數(shù)字相機(jī)采集到的是數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)不受電噪聲影響，因此，數(shù)字相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍更高，能夠向計(jì)算機(jī)傳輸更精確的信號(hào)。
分辨率
根據(jù)具體需求來(lái)選擇相機(jī)分辨率的大小，如果一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)缺陷的話，那么這樣的系統(tǒng)一定會(huì)極不穩(wěn)定，所以我們?yōu)榱颂岣呦到y(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，最好取缺陷的面積在3到4個(gè)像素以上，這樣我們選擇的相機(jī)也就在130萬(wàn)乘3以上，即最低不能少于300萬(wàn)像素。【需要選擇合適的分辨率，根據(jù)系統(tǒng)的需求來(lái)選擇相機(jī)分辨率的大小，通常系統(tǒng)的像素精度等于視場(chǎng)（長(zhǎng)或?qū)挘┏韵鄼C(jī)分辨率（長(zhǎng)或?qū)挘Ｈ缫晥?chǎng)為10mm×7.5mm，使用130萬(wàn)像素的相機(jī)，則相機(jī)分辨率為1280×960 = 1228800個(gè)Pixel，則像素精度為10mm÷1280Pixel=0.0078mm/Pixel；
下面以一個(gè)應(yīng)用案例來(lái)分析。 假設(shè)檢測(cè)一個(gè)物體的表面劃痕，要求拍攝的物體大小為10*8mm,要求的檢測(cè)精度是0.01mm。首先假設(shè)我們要拍攝的視野范圍在12*10mm,那么相機(jī)的最低分辨率應(yīng)該選擇在：(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,約為120萬(wàn)像素的相機(jī)，也就是說(shuō)一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)檢測(cè)的缺陷的話，那么最低分辨率必須不少于120萬(wàn)像素，但市面上常見(jiàn)的是130萬(wàn)像素的相機(jī)，因此一般而言是選用130萬(wàn)像素的相機(jī)。但實(shí)際問(wèn)題是，如果一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)缺陷的話，那么這樣的系統(tǒng)一定會(huì)極不穩(wěn)定，因?yàn)殡S便的一個(gè)干擾像素點(diǎn)都可能被誤認(rèn)為缺陷，所以我們?yōu)榱颂岣呦到y(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，最好取缺陷的面積在3到4個(gè)像素以上，這樣我們選擇的相機(jī)也就在130萬(wàn)乘3以上，即最低不能少于300萬(wàn)像素，通常采用300萬(wàn)像素的相機(jī)為最佳 。】
芯片
工業(yè)相機(jī)從芯片上分，有CCD和CMOS兩種。如果要求拍攝的物體是運(yùn)動(dòng)的，要處理的對(duì)象也是實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的物體，那么當(dāng)然選擇CCD芯片的相機(jī)為最適宜。
色彩
如果我們要處理的是與圖像顏色有關(guān)，那當(dāng)然是采用彩色相機(jī)，否則建議你用黑白的，因?yàn)楹诎椎耐瑯臃直媛实南鄼C(jī)，精度比彩色高。
幀率
根據(jù)要檢測(cè)的速度，選擇相機(jī)的幀率一定要大于或等于檢測(cè)速度，等于的情況就是你處理圖像的時(shí)間一定要快，一定要在相機(jī)的曝光和傳輸?shù)臅r(shí)間內(nèi)完成。
除了工業(yè)相機(jī)的功能之外，還要考慮到使用的具體情況以及相機(jī)的價(jià)格。生產(chǎn)廠家等。外部因素和內(nèi)部條件相互結(jié)合才能選擇出最合適的工業(yè)相機(jī)。
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關(guān)于線陣相機(jī)、鏡頭、光源的選型，歡迎來(lái)電探討線掃描系統(tǒng)的搭建與選型
隨著機(jī)器視覺(jué)的大規(guī)模普及與工業(yè)流水線速度、精度的提高，線掃描系統(tǒng)越來(lái)越被視覺(jué)工程師和最終用戶所認(rèn)可。
首先，我對(duì)線掃描系統(tǒng)做一個(gè)大致的介紹。線掃描系統(tǒng)用于被測(cè)物體和相機(jī)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，通過(guò)線掃描相機(jī)高速采集，每次采集完一條線后正好運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)單位長(zhǎng)度，繼續(xù)下一條線的采集，這樣一段時(shí)間下來(lái)就拼成了一張二維的圖片，也就類似于面陣相機(jī)采集到的圖片，不同之處是高度可以無(wú)限長(zhǎng)。接下來(lái)通過(guò)軟件把這幅“無(wú)限長(zhǎng)”的圖片截成一定高度的圖片，進(jìn)行實(shí)時(shí)處理或放入緩存稍后進(jìn)行處理。
視覺(jué)部分，包括線掃描相機(jī)，鏡頭，光源，圖象采集卡和視覺(jué)軟件；
運(yùn)動(dòng)控制部分，包括馬達(dá), 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器, 運(yùn)動(dòng)控制卡或PLC，為了保證采集的圖象與輸送帶同步，有時(shí)還會(huì)需要編碼器。
由于線掃描信息量大，所以需要一臺(tái)高性能的工控機(jī)，配置大容量的內(nèi)存和硬盤，主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽。
一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)面陣視覺(jué)系統(tǒng)的配置選型是按照這樣的順序進(jìn)行的。：
相機(jī)＋采集卡－>鏡頭－>光源
線陣項(xiàng)目也類似，根據(jù)系統(tǒng)的檢測(cè)精度和速度要求，確定線陣CCD相機(jī)分辨率和行掃描速度，同時(shí)確定對(duì)應(yīng)的采集卡，只是需要選線陣相機(jī)鏡頭接口(mount)時(shí)同時(shí)考慮鏡頭的選型，最后確定光源的選型。
線陣攝像機(jī)(線陣工業(yè)相機(jī)）的選型
計(jì)算分辯率:幅寬除以最小檢測(cè)精度得出每行需要的像素
選定相機(jī):幅寬除以像素?cái)?shù)得出實(shí)際檢測(cè)精度
每秒運(yùn)動(dòng)速度長(zhǎng)度除以精度得出每秒掃描行數(shù)
根據(jù)以上數(shù)值選定相機(jī)
如幅寬為1600毫米、精度1毫米、運(yùn)動(dòng)速度22000mm/s
相機(jī)：1600/1＝1600像素
最少2000像素，選定為2k相機(jī)
1600/2048＝0.8實(shí)際精度
22000mm/0.8mm＝27.5KHz【除以實(shí)際精度！】
應(yīng)選定相機(jī)為2048像素28kHz相機(jī)
線陣鏡頭的選型
為什么在選相機(jī)時(shí)要考慮鏡頭的選型呢？常見(jiàn)的線陣相機(jī)分辨率目前有1K,2K,4K,6K,7K,8K,12K幾種，象素大小有５um,7um,10um,14um幾種，這樣芯片的大小從 10.240mm (1Kx10um) 到 86.016mm (12Kx7um)不等。很顯然，Ｃ接口遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，因?yàn)椋媒涌谧畲笾荒芙印?/span>22 mm 的芯片，也就是1.3inch。而很多相機(jī)的接口為Ｆ，Ｍ42X1，M72X0.75等，不同的鏡頭接口對(duì)應(yīng)不同的后背焦(Flange distance)，也就決定了鏡頭的工作距離不一樣。
光學(xué)放大倍率(β,Magnification)
確定了相機(jī)分辨率和像素大小，就可以計(jì)算出芯片尺寸（Sensor size）；芯片尺寸除以視野范圍(FOV)就等于光學(xué)放大倍率。β=CCD/FOV
接口(Mount)：
主要有C、M42x1 、F、T2、Leica、M72x0.75等幾種，確定了之后，就可知道對(duì)應(yīng)接口的長(zhǎng)度。
后背焦(Flange Distance)
后背焦指相機(jī)接口平面到芯片的距離，是一個(gè)非常重要的參數(shù)，由相機(jī)廠家根據(jù)自己的光路設(shè)計(jì)確定。不同廠家的相機(jī)，哪怕是接口一樣，也可能有不同的后背焦。
有了光學(xué)放大倍率、接口、后背焦，就能計(jì)算出工作距離和節(jié)圈長(zhǎng)度。選好這些之后，還有一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，就是看MTF值是否足夠好？很多視覺(jué)工程師不了解MTF,而對(duì)高端鏡頭來(lái)說(shuō)就必須用MTF來(lái)衡量光學(xué)品質(zhì)。MTF涵蓋了對(duì)比度、分辨率、空間頻率、色差等相當(dāng)豐富的信息，并且非常詳細(xì)地表達(dá)了鏡頭中心和邊緣各處的光學(xué)質(zhì)量。不僅只是工作距離、視野范圍滿足要求，邊緣的對(duì)比度不夠好，也要重新考慮是否選擇更高分辨率的鏡頭。
（下圖為一個(gè)典型的MTF表格，橫坐標(biāo)為像高，也就是到圖像中心的距離除以圖像半徑的百分比；縱坐標(biāo)為圖像對(duì)比度。共有三組曲線，依次為三種不同分辨率的情況下的對(duì)比度，每一組又有實(shí)線和虛線，實(shí)線為半徑方向的對(duì)比度，虛線為切線方向的對(duì)比度）
線掃描線陣光源的選型
線掃描項(xiàng)目中，常用的光源有LED光源、鹵素?zé)簦ü饫w光源）、高頻熒光燈。
鹵素?zé)粢步泄饫w光源，特點(diǎn)是亮度特別高，但缺點(diǎn)也很明顯--壽命短，只有1000-2000小時(shí)左右，需要經(jīng)常更換燈泡。發(fā)光源是鹵素?zé)襞荩ㄟ^(guò)一個(gè)專門的光學(xué)透鏡和分光系統(tǒng)，最后通過(guò)光纖輸出，光源功率很大，可高達(dá)250瓦。鹵素?zé)暨€有一個(gè)名字叫冷光源，因?yàn)橥ㄟ^(guò)光纖傳輸之后，出光的這一頭是不熱的且色溫穩(wěn)定，適合用于對(duì)環(huán)境溫度比較敏感的場(chǎng)合，比如二次元量測(cè)儀的照明。用于線掃描的鹵素?zé)簦３Ｔ诔龉饪诩由喜ＡЬ酃忡R頭，進(jìn)一步聚焦提高光源亮度。對(duì)于較長(zhǎng)的線光源，還用幾組鹵素光源同時(shí)為一根光纖提供照明。
高頻熒光燈，發(fā)光原理和日光燈類似，只是燈管是工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，特點(diǎn)是適合大面積照明，亮度較高，
成本低，但熒光燈最大的缺點(diǎn)是有閃爍、衰減速度快。熒光燈一定需要高頻電源，也就是光源閃爍的頻率遠(yuǎn)高于相機(jī)采集圖象的頻率（對(duì)線掃描相機(jī)來(lái)說(shuō)就是行掃描頻率），消除圖像的閃爍。專用的高頻電源可做到60KHz。
LED光源是目前主流的機(jī)器視覺(jué)光源。特點(diǎn)是壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好，功耗非常小。
1，直流供電，無(wú)頻閃。
2，專業(yè)的LED光源壽命非常長(zhǎng)。（如美國(guó)AI的壽命50000小時(shí)亮度不小于50%）
3，亮度也非常高，接近鹵素?zé)舻牧炼龋⑶译S著LED工藝的改善不斷提高。（目前美國(guó)AI線光源亮度高達(dá)90000LUX）
3，可以靈活地設(shè)計(jì)成不同結(jié)構(gòu)的線光源，如直射、帶聚光透鏡、背光、同軸以及類似于碗狀的漫反射線光源。
4，有多種顏色可選，包括紅、綠、藍(lán)、白，還有紅外、紫外。針對(duì)不同被測(cè)物體的表面特征和材質(zhì)，選用不同顏色也就是不同波長(zhǎng)的光源，獲得更佳的圖像。
線掃描相機(jī)、光源與被測(cè)物體之間的角度分析
以玻璃檢測(cè)為例，需要檢測(cè)的缺陷有：臟點(diǎn)、結(jié)石、雜質(zhì)、氣泡、刮傷，裂紋，破損等，其大致可以分成兩類，一類在玻璃表面的，一類是玻璃內(nèi)部的。不同的缺陷，在圖象中表現(xiàn)的出的灰度不一樣，有黑的，有白的，也有灰的，并且在不同的光源照射角度或者相機(jī)接受角度，缺陷的對(duì)比度會(huì)變化，如在一個(gè)角度時(shí)，某一種缺陷的對(duì)比度最好，但其他缺陷可能比較次，甚至根本看不到。這樣也就需要大量的分析、組合，才能確定最后的光源選型和相機(jī)、光源和被測(cè)物體之間的相對(duì)角度。如下圖所示，相機(jī)、光源在不同角度安裝，分別測(cè)試。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
臟點(diǎn)，正面光源或背光都較容易凸現(xiàn)；
結(jié)石和雜質(zhì)，需要正面接近法線的照明或背面穿透照明；
氣泡，形狀不固定，且要分析形成的原因以及方向，采用背面照明；
刮傷和破損，正面低角度照明容易凸現(xiàn)。
裂紋，需要背面?zhèn)日铡 ?/span>
而且，以上缺陷并不是獨(dú)立的，而是互相影響。統(tǒng)計(jì)、分析如下。
綜合以上因素，最后選用背光斜射和正面照射結(jié)合，相機(jī)接近法線方向安裝。
光源、鏡頭的調(diào)試
線掃描系統(tǒng)，對(duì)光源和相機(jī)來(lái)說(shuō)，有效的工作區(qū)域都是一個(gè)窄條。也就是保證光源照在這個(gè)最亮的窄條與相機(jī)芯片要完全平行，否則只能拍到相交叉的一個(gè)亮點(diǎn)。所以機(jī)械安裝、調(diào)試是比較費(fèi)工夫的。同時(shí)由于幅寬比較寬，對(duì)于線光源有兩個(gè)特別的要求，就是均勻性和直線性。因?yàn)榫€光源不同位置的亮暗差異，會(huì)直接影響圖象的亮度高低，這一點(diǎn)LED比鹵素?zé)舾每刂啤３龉獠糠值闹本€性，取決于LED發(fā)光角度的一致性、聚光透鏡的直線性以及線光源外殼的直線性。
由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，客戶總是希望花多一些時(shí)間去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。但如我們前面講到的相機(jī)、光源、被測(cè)物體的相對(duì)角度測(cè)試、分析，許多因素會(huì)直接影響到檢測(cè)效果。所以我們建議先做實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，有了方案之后，再去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，這樣會(huì)最有把握，也能提高調(diào)試效率。畢竟服務(wù)也是一種成本。
線掃描系統(tǒng)除了機(jī)械結(jié)構(gòu)之外, 其主要組成部分還包括機(jī)器視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)控制。
| 如何選擇高速抓拍工業(yè)相機(jī) |
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艾菲特光電技術(shù)有限公司（AFTVision）是一家專業(yè)的光學(xué)、視覺(jué)照明、機(jī)電產(chǎn)品研究、設(shè)計(jì)、開發(fā)、推廣的高科技企業(yè)。我們有著豐富的專業(yè)團(tuán)隊(duì) 進(jìn)行光學(xué)、光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，新產(chǎn)品開發(fā)和測(cè)試，可根據(jù)客戶要求的工程需求設(shè)計(jì)、制作樣品和安排批量生產(chǎn)，我們的品質(zhì)管理團(tuán)隊(duì)保證最好的產(chǎn)品質(zhì)量。 高速抓拍是工業(yè)相機(jī)優(yōu)異于普通民用相機(jī)的表現(xiàn)之一，也是其一種重要的應(yīng)用。工業(yè)相機(jī)作為機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心組件，在行業(yè)應(yīng)用中的地位是無(wú)可替代。而 根據(jù)不同的行業(yè)應(yīng)用，我們要選用不同類型的工業(yè)相機(jī)才能保證機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)揮最大的功能優(yōu)勢(shì)。選擇一個(gè)合適的高速抓拍相機(jī)應(yīng)該從哪些方面入手： 
一、精度滿足要求此要求的篩選跟高速抓拍無(wú)關(guān)，跟普通工業(yè)相機(jī)選型類似，在此不作贅述。 二、確定色彩要求要拍攝物體的顏色特征，就必須用顏色還原性比較好的相機(jī)，例如高質(zhì)量的CCD或者3CCD相機(jī)，與顏色無(wú)關(guān)的項(xiàng)目一般情況下采用黑白相機(jī)，但也不是完全如此，有些要檢測(cè)的特征可能在彩色圖片里能夠更好地顯現(xiàn)，此時(shí)也可能考慮使用彩色相機(jī)。 三、曝光時(shí)間，如何拍攝運(yùn)動(dòng)的物體此部分為討論重點(diǎn)。拍攝運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)候，需要克服的最重要的問(wèn)題是拖影，拖影是在曝光的時(shí)候，拍攝目標(biāo)與攝像系統(tǒng)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成的，因?yàn)檫@種 相對(duì)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致芯片上形成的圖像一直在變化，各個(gè)部位的像元在曝光的過(guò)程中受到來(lái)自物體不同位置成像的影響，最終形成的圖片是一個(gè)連續(xù)變化圖像空間內(nèi)圖片的 疊加。如下圖中1、2所示，圖1為無(wú)拖影情況，圖2為有拖影情況。 物體只要是運(yùn)動(dòng)的，拖影就一定會(huì)有的，為了使其不對(duì)檢測(cè)產(chǎn)生顯著影響，不同的項(xiàng)目類型，對(duì)拖影相對(duì)長(zhǎng)度的限制不盡相同，對(duì)于尺寸測(cè)量的項(xiàng)目，拖影對(duì) 測(cè)量精度會(huì)有嚴(yán)重影響，在這種情況下，就會(huì)要求拖影長(zhǎng)度盡可能短，例如不超過(guò)1/3像素，或者不超過(guò)一個(gè)像素等，而對(duì)于識(shí)別、計(jì)數(shù)等相關(guān)的項(xiàng)目則對(duì)拖影的 要求會(huì)相對(duì)寬些，這些要求一般情況下如此，并非絕對(duì)，具體看實(shí)際情況需要。 運(yùn)動(dòng)速度和曝光時(shí)間是直接影響拖影的兩個(gè)因素。為了保證圖像中的拖影不超過(guò)s單位像素，則需要做到如下等價(jià)說(shuō)法：
1.芯片上光學(xué)像在曝光時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的位置不超過(guò)s單位像素； 光像對(duì)芯片移動(dòng)速度Vs與物體運(yùn)動(dòng)速度Vp之間關(guān)系為： 
其實(shí)：光學(xué)系統(tǒng)中物方和像方所有的一維參數(shù)都是如上比例關(guān)系。 
例如：某系統(tǒng)的拍攝精度是0.1mm/像素，相機(jī)曝光時(shí)間是1/2000秒，拍攝物體運(yùn)動(dòng)速度是10mm/s，這樣目標(biāo)在曝光時(shí)間內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的距離是0.005mm<<0.1mm，因此可以用該系統(tǒng)拍攝。 總結(jié)起來(lái)，一般情況下就是保證：物體運(yùn)動(dòng)速度Vp 曝光時(shí)間Ts<允許最長(zhǎng)拖影S單位系統(tǒng)精度。因此對(duì)于運(yùn)動(dòng)速度比較快的物體拍照，為了防止長(zhǎng)的拖影就需要極短的曝光時(shí)間，會(huì)選用較好的CCD相機(jī) (如MV-VD078SC)，因?yàn)橥ǔ５腃CD相機(jī)感光比較好，可以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間曝光，但并不是說(shuō)必須使用CCD相機(jī)，如果光軸很強(qiáng)且速度不是很快，可以是 用CMOS相機(jī)，有的CMOS相機(jī)是幀曝光的(如MV-VD040SC)，總體感光效果也比較好，也是拍攝運(yùn)動(dòng)物體的比較好的選擇，具體怎么選擇按上面量 化要求即可。 四、幀率幀率即相機(jī)每秒鐘可以捕捉的圖像數(shù)量。一般決定于圖像大小、曝光時(shí)間等，是相機(jī)的一個(gè)重要指標(biāo)，相機(jī)幀率必須保證能夠拍攝到系統(tǒng)要求時(shí)間間隔最短的兩張圖片，否則就有可能造成丟幀等現(xiàn)象，進(jìn)而漏檢某些產(chǎn)品。 |
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