1、簡(jiǎn)介 ? ? ??
? ? ? ?機(jī)器視覺相機(jī)的目的是將通過鏡頭投影到傳感器的圖像傳送到能夠儲(chǔ)存、分析和(或者)顯示的機(jī)器設(shè)備上??梢杂靡粋€(gè)簡(jiǎn)單的終端顯示圖像,例如利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)顯示、存儲(chǔ)以及分析圖像。
2、分類
? ??? ?按照芯片類型可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī);按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機(jī)、面陣相機(jī);按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī);按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī);按照輸出信號(hào)方式可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī);按照輸出色彩可以分為單色(黑白)相機(jī)、彩色相機(jī);按照輸出信號(hào)速度可以分為普通速度相機(jī)、高速相機(jī);按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見光(普通)相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。
3、CCD與CMOS區(qū)別
CCD和CMOS是現(xiàn)在普遍采用的兩種圖像工藝技術(shù),它們之間的主要差異在于傳送方式的不同,用過相機(jī)的人肯定對(duì)這兩個(gè)名詞不會(huì)陌生,可是對(duì)它們之間的性能區(qū)別,卻并不是很了解。這里將做簡(jiǎn)單的比較說明。
1)噪聲差異:由于CMOS的每個(gè)感光二極管都需要搭配一個(gè)放大器,若以百萬像素計(jì)算的話,那就需要上百萬個(gè)的放大器,然而放大器屬于模擬電路,很難讓所得的每個(gè)結(jié)果都保持一致。而CCD只需要一個(gè)放大器放在芯片邊緣,與CMOS相比,它的噪聲相對(duì)減少很多,大大提高了圖像品質(zhì)。
2)耗電量差異:CMOS采用主動(dòng)式圖像采集方式,感光二極管所產(chǎn)生的電荷會(huì)直接由旁邊的電晶體放大輸出;而CCD為被動(dòng)式采集方式,必須外加12~18V的電壓以使每個(gè)像素中的電荷移送到傳輸通道。因此CCD就必須設(shè)計(jì)更精密的電源線路和耐壓強(qiáng)度,這樣使得CCD的耗電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出CMOS,根據(jù)計(jì)算CMOS的耗電量?jī)H是CCD的1/8~1/10。
3)分辨率差異:由于CMOS的每個(gè)像素都比CCD復(fù)雜,且其像素尺寸很難達(dá)到CCD的水平,因此,當(dāng)我們比較相同尺寸的CCD與CMOS時(shí),CCD的分辨率通常會(huì)優(yōu)于CMOS傳感器的水平。例如,維視數(shù)字圖像技術(shù)有限公司生產(chǎn)的4.40μm*4.40μm像元大小的CCD相機(jī)分辨率為1628*1236,而5.2μm*5.2μm像元大小的CMOS相機(jī)分辨率為1280*1024,對(duì)比結(jié)果明顯得出:同尺寸大小,CCD的分辨率要高于CMOS,也就是說成像質(zhì)量要優(yōu)于CMOS。
4)靈敏度差異:因?yàn)镃MOS信號(hào)是以點(diǎn)為單位的電荷信號(hào),而CCD是以行為單位的電流信號(hào),讀取信號(hào)時(shí) CMOS是點(diǎn)直接讀取信號(hào),CCD則是行間接讀取信號(hào),因此在像素尺寸相同的情況下,CMOS的靈敏度要低于CCD。
5)成本差異:由于CMOS與現(xiàn)有的大規(guī)模集成電路生產(chǎn)工藝相同,可以一次全部整合周邊設(shè)施到傳感器芯片中,大大節(jié)省了外圍芯片的成本;而CCD采用電荷傳遞的方式輸出數(shù)據(jù),只要其中有一個(gè)像素傳送出現(xiàn)故障,就會(huì)導(dǎo)致一整排的數(shù)據(jù)無法正常傳送,因此控制CCD的成品率比CMOS困難許多,因此,CCD的制造成本就相對(duì)高于CMOS傳感器。
4、如何選擇機(jī)器視覺相機(jī)
相機(jī)的選取是設(shè)計(jì)機(jī)器視覺系統(tǒng)極關(guān)鍵的一步,首先明確需求:
第一、要先確定檢測(cè)產(chǎn)品的精度要求。
第二、要確定相機(jī)要看的視野大小。
第三、要確定檢測(cè)物體的速度。
第四、要確定是動(dòng)態(tài)檢測(cè)還是靜態(tài)檢測(cè)。
然后確定硬件類型
1)相面像素大小的確定:目前市面上的軟件精度一般都是基本上沒有誤差的也就是人們所說的亞像素,但雖軟件沒有誤差,但硬件的誤差是不可避免的,所以現(xiàn)在市場(chǎng)上的機(jī)器視覺系統(tǒng)一般都保證在誤差為一個(gè)像素,所以我們得到如下計(jì)算公式:精度=視野(長(zhǎng)或?qū)挘孪鄼C(jī)像素(長(zhǎng)或?qū)挘?,有了以上公式我們又有了第一和每二個(gè)需求就不難確定相機(jī)的像素大小了。假設(shè)視野為10mm,精度要求為0.02mm,那么相機(jī)的像素=10÷0.02=500像素,那就只需要30萬(640*480)像素的相機(jī)就可以了。
2)相機(jī)傳輸方式的確定:目前市面上的相機(jī)傳輸方式有:
① 模擬相機(jī)(PCI采集卡), 對(duì)速度要求不高可選擇,優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定,性價(jià)比高 缺點(diǎn):幀率低,一般只能達(dá)到25幀—30幀。
②USB接口相機(jī), 系統(tǒng)只用到單個(gè)相機(jī)的可先擇,要求高速的時(shí)候可先擇,優(yōu)點(diǎn):不需要占PCI插槽,幀頻高,性價(jià)比高 缺點(diǎn):占系統(tǒng)CPU。
③1394接口相機(jī),系統(tǒng)用到多個(gè)相機(jī)的時(shí)候可先擇,要求高速的時(shí)候可先擇,優(yōu)點(diǎn):不占系統(tǒng)CPU,幀頻高, 缺點(diǎn):占PCI插槽,價(jià)格昂貴。
3)相機(jī)的觸發(fā)方式的選擇:
①連續(xù)采集模式 對(duì)靜態(tài)檢測(cè)可選擇,產(chǎn)品連續(xù)運(yùn)動(dòng)不能給觸發(fā)信號(hào)的可選擇。
②軟件觸發(fā)模式 對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)可選擇,產(chǎn)品連續(xù)運(yùn)動(dòng)能給觸發(fā)信號(hào)的可選擇。
③硬件觸發(fā)模式 對(duì)高速動(dòng)態(tài)檢測(cè)可選擇,產(chǎn)品連續(xù)高速運(yùn)動(dòng)能給觸發(fā)信號(hào)的可選擇。
5、機(jī)器視覺相機(jī)的參數(shù)設(shè)置
1)自動(dòng)增益控制(AGC ON/OFF):攝像頭內(nèi)有一個(gè)將來自 CCD 的信號(hào)放大到可以使用水準(zhǔn)的視頻放大器,其放大即增益,等效于有較高的靈敏度,然而在亮光照的環(huán)境下放大器將過載,使視頻信號(hào)畸變。當(dāng)開關(guān)在 ON 時(shí),在低亮度條件下完全打開鏡頭光圈,自動(dòng)增加增益以獲得清晰的圖像。開關(guān)在 OFF 時(shí),在低亮度下可獲得自然而低噪聲的圖像。
2)自動(dòng)白平衡(ATW ON/OFF):開關(guān)撥到 ON 時(shí),通過鏡頭來檢測(cè)光源的特性、色溫,從而自動(dòng)連續(xù)設(shè)定白電平,即使特性、色溫改變也能控制紅色和藍(lán)色信號(hào)的增益。
3)自動(dòng)亮度控制?/ 電子亮度控制(ALC/ELC):當(dāng)選擇 ELC 時(shí),電子快門根據(jù)射入的光線亮度而連續(xù)自動(dòng)改變 CCD 圖像傳感器的曝光時(shí)間(一般從 1/50 到 1/10000 秒連續(xù)調(diào)節(jié))。選擇這種方式時(shí),可以用固定或手動(dòng)光圈鏡頭替代 ALC 自動(dòng)光圈鏡頭。
需要注意的是:在室外或明亮的環(huán)境下,由于 ELC 控制范圍有限,還是應(yīng)該選擇 ALC 式鏡頭;在某些獨(dú)特的照明條件下,可能出現(xiàn)下列情況:
① 在聚光燈或窗戶等高亮度物體上有強(qiáng)烈的拖尾或模糊現(xiàn)象。
② 圖像顯著地閃爍和色彩重現(xiàn)性不穩(wěn)定。
③ 白平衡有周期性變化,如果發(fā)生這些現(xiàn)象,應(yīng)使用 ALC 鏡頭。
以固定光圈鏡頭采用 ELC 方式時(shí),圖像的景深可能小于使用 ALC 式鏡頭所獲得的景深。因此,攝像頭在完全打開固定光圈鏡頭而采用 ELC 方式時(shí),景深會(huì)比使用 ALC 式鏡頭時(shí)小,而且圖像上遠(yuǎn)處的物體可能不在焦點(diǎn)上。 當(dāng)鏡頭是自動(dòng)光圈鏡頭時(shí),需要將開關(guān)撥到 ALC 方式。
4)背光補(bǔ)償開關(guān)(BLC ON/OFF):當(dāng)強(qiáng)大而無用的背景照明影響到中部重要物體的清晰度時(shí),應(yīng)該把開關(guān)撥到 ON 位置。注意: ① 當(dāng)與云臺(tái)配用或照明迅速改變時(shí),建議把該開關(guān)放在 OFF 位置,因?yàn)樵?ON 位置時(shí),鏡頭光圈速度變慢; ② 如果所需物體不在圖像中間時(shí),背光補(bǔ)償可能不會(huì)充分發(fā)揮作用。
5)同步選擇開關(guān)(LL/INT):此開關(guān)用以選擇攝像頭同步方式, INT 為內(nèi)同步; LL 為電源同步。有些攝像頭還有一個(gè) LL PHASE 電源同步相位控制器。當(dāng)攝像頭使用于電源同步狀態(tài)時(shí),此裝置可調(diào)整視頻輸出信號(hào)的相位,調(diào)整范圍大概是一幀。(調(diào)整需要專業(yè)人員進(jìn)行操作)
6)鏡頭控制信號(hào)選擇開關(guān)(VIDEO/DC): ALC 自動(dòng)光圈鏡頭的控制信號(hào)有兩種,當(dāng)需要將直流控制信號(hào)的自動(dòng)光圈鏡頭安裝在攝像頭上時(shí),應(yīng)該選擇 DC 位置,需要安裝視頻控制信號(hào)的自動(dòng)光圈鏡頭時(shí),應(yīng)該選擇 VIDEO 位置。
當(dāng)選擇 ALC 自動(dòng)光圈視頻驅(qū)動(dòng)鏡頭時(shí),還會(huì)有一個(gè)視頻電平控制( VIDEO LEVEL L/H )可能需要調(diào)整,該控制器調(diào)節(jié)輸出給自動(dòng)光圈鏡頭的控制電平,用以控制鏡頭光圈的開大和縮?。ò歼M(jìn)光亮)。在攝像頭的配件中,有一個(gè)黑色的小插頭,插頭有四個(gè)針,聯(lián)接攝像頭上的黑色插座。如果用 DC 驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)光圈鏡頭,鏡頭上已經(jīng)做好了插頭,只要插在插座上,把選擇開關(guān)撥到 DC 即可;如果用視頻驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)光圈鏡頭,需要用戶根據(jù)說明書上的標(biāo)注,用烙鐵焊好。由于廠家定義不同,所以焊法也有區(qū)別,在安裝時(shí)需要留意。
7)細(xì)節(jié)電平選擇開關(guān)(SOFT/SHARP):該開關(guān)用以調(diào)節(jié)輸出圖像是清晰( SHARP )還是平滑( SOFT ),通常出廠設(shè)定在 SHARP 位置。
8)無閃動(dòng)方式(FLICKERLESS):在電源頻率為 50Hz 的地區(qū), CCD 積累時(shí)間為 1/50 秒,如果使用 NISC 制式攝像機(jī),其垂直同步頻率為 60Hz ,這樣將造成視覺影像不同步,在監(jiān)視器上出現(xiàn)閃動(dòng);反之,在電源為 60Hz 的地區(qū)用 PAL 制式攝像機(jī)也會(huì)有此現(xiàn)像。為克服此現(xiàn)像,在電子快門設(shè)置了無閃動(dòng)方式檔,對(duì) NISC 制式攝像機(jī)提供 1/100 秒,對(duì) PAL 制式攝像機(jī)提供 1/120 秒的固定快門速度,可以防止監(jiān)視器上圖像出現(xiàn)閃爍。手動(dòng)電子快門:有些用戶使用 CCD 攝取運(yùn)動(dòng)速度比較快的物體,如果以 1/50 秒速度拍攝,會(huì)產(chǎn)生拖尾現(xiàn)像,嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。有些攝像頭給出了手動(dòng)電子快門,使 CCD 的電荷偶合速度固定在某一值,例如 1/500 、 1/1000 、 1/2000 秒等等,此時(shí) CCD 的電荷偶合速度提高,這樣采集下來的圖像相對(duì)來說會(huì)減少拖尾現(xiàn)像,而且對(duì)于觀測(cè)高速運(yùn)動(dòng)或電火花一類物體,必須使用此設(shè)置。所以,某些專用攝像頭給出了手動(dòng)電子快門,提供給特殊用途的用戶。