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典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。
CCD作为一种功能器件,与真空管相比具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。
3.SMOS相机
CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制集成在一块芯片上。
CMOS相机具有局部像素的编程随机访问的优点,目前,CMOS相机以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围特点在高分辨率和高速场合得到了广泛应用。
4.工业相机与普通相机的区别
A.工业相机性能可靠易于安装,相机结构紧凑结实不易损坏,连续工作时间长,可以在较差的环境下使用,普通相机是做不到这些的,例如:
让普通相机连续工作一天或几天肯定会受不了的;
B.工业相机的快门(曝光)时间非常短,可以抓拍高速运动的物体;
C.工业相机帧率远高于普通相机;
D.工业相机输出的是裸数据,光谱范围较宽。
比较适合进行高质量的图像处理算法,普通相机的光谱范围只适合人眼视觉,图像质量较差,不利于进行分析处理。
E.工业相机价格贵。
5.相机选取方法
A.根据应用的不同选取CCD或CMOS相机。
CCD相机主要应用在运动物体的图像摄取,如贴片机机器视觉,。
用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD相机比较多,CMOS相机成本低,功耗低也越来越广泛;
B.分辨率的选择。
首先考虑待观察或待测量物体的精度,根据精度选择分辨率。
相机像素精度=单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。
则相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理论精度。
若单视野为5mm,理论精度为0.02mm,则单方向分辨率=5/0.02=250。
然而为增加系统稳定性,不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值,一般可以选择倍数4或更高。
这样改相机需求单方向分辨率为1000,选用130万像素已经足够。
C.其次看相机的输出,若是体式观察或机器视觉软件分析识别,分辨率高是有帮助的;
若是VGA输出或USB输出,再显示器上观察,则还依赖显示器的分辨率,相机的分辨率再高,显示器分辨率不够,也是没有意义的;
利用存储卡或拍照功能,相机的分辨率高也是很有帮助的。
D.考虑与镜头的匹配。
传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸,C或CS安装座也要匹配(或者增加转接口);
E.考虑相机帧数选择。
当被测物体有运动要求时,要选择帧数高的工业相机。
但一般来说分辨率越高,帧数越低。
2)镜头
镜头的基本功能就是实现光束变换,在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将目标图像成像在图像传感器的光敏面上。
镜头的质量直接影响到机器视觉系统的整体性能,合理地选择和安装镜头,是机器视觉系统设计的重要环节。
1.镜头分类
按功能:
定焦镜头、变焦镜头、定光圈镜头
按视角:
普通镜头、广角镜头、远摄镜头
按用途:
微距镜头、远心镜头、CCTV镜头
2.镜头基本参数
1)镜头的相关参数:
●视场(FOV,邺城视野范围):
指观测物体的可视范围,也就是相机采集芯片的物体部分。
(视场范围是选型中必须了解的)
●工作距离(WD):
指从镜头前部到受检验物体的距离。
即清晰成像的表面距离。
(选型必须了解的问题,工作问题是否可调?
包括是否有安装空间等)
图像系统可以测到的手检验物体上的最小可分辨特征尺寸。
在多数情况下,视野越小,分辨率越好;
●景深(DOF):
物体离最佳焦点较近或较远时,镜头保持所需分辨率的能力。
(需要了解客户对景深是否有特殊要求)
3.景深计算公式
δ--容许弥散圆直径;
f--镜头焦距;
F--镜头的拍摄光圈值;
L--对焦距离;
ΔL1--前景深;
ΔL2--后景深;
ΔL--景深
4.景深计算公式
(2):
可看出,后景深>
前景深,且景深与镜头使用的光圈,镜头焦距与拍摄距离等有关系:
●镜头光圈:
光圈越大,景深越小;
光圈越小,景深越大;
●镜头焦距:
镜头焦距越长,景深越小;
镜头焦距越短,景深越大;
●拍摄距离:
距离越远,景深越大;
距离越近,景深越小。
5.镜头的其他参数
●感光芯片尺寸:
相机感光芯片的有效区域尺寸,一般指水平尺寸。
这个参数对于决定合适的镜头缩放比例以获取想要的视野范围(FOV)非常重要。
●镜头光学放大倍数(PMAG)由感光芯片的尺寸和视场的比率来定义。
虽然基本参数包括感光芯片的尺寸,但PMAG却不属于基本参数;
●焦距(f):
是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式,指从透镜的光心到光聚集之焦点的距离。
亦是相机中,从镜头中心到底片或CCD等成像平面的距离。
●镜头接口
Ø
C型:
C型接口镜头与摄像机接触面至镜头焦平面(摄像机CCD光电感应器处的位置)的距离为17.5mm;
CS型:
CS型接口此距离为12.5mm。
C型镜头与CS型相机之间增加一个5mm的C/CS接圈可以配合使用。
CS镜头与C型镜头无法配合使用;
F型:
通用型接口,一般适用于大于25mm的镜头。
畸变:
视野中局部放大倍数不一定造成的图像扭曲,由于受制作工艺的影响,镜头越好畸变越小。
广角镜头的畸变比较大,比如直线弯曲、矩形变成桶形或者枕型。
因此在精密测量系统等精度要求高的情况下必须考虑镜头的畸变。
6.镜头选取方法
●根据客户要求。
一般先考虑客户对镜头的特殊要求,例如在镜头与工件之前有没有加入其他器件(透镜、反光镜片、玻璃)、镜头的工作环境等。
●是否需要用远心镜头。
精密测量系统需要选用远心镜头,远心镜头最主要的功能就是克服透视相差(成像时由于距离的不同而导致的放大倍数不一致现象)的影响,使得检测目标在一定范围内运动时得到的尺寸数据几乎不变。
一般情况下,远心镜头都是固定焦距和工作距离的,而且有些远心镜头的体积很大,有的超过十斤,需要详细了解客户对视场大小、工作距离、空间限制和运动控制的要求。
一般的表面缺陷、有无判断等对物体成像没有严格要求时,选用畸变小的镜头就可以。
●镜头的接口。
镜头接口和相机接口都分为C、CS、F和其他更大尺寸的接口类型。
相机和镜头时互补的,即C接口的相机只能用C口接的镜头,CS接口的相机可以使用CS接口的镜头或者加上5mm接圈,其他接口的只能一一对应,如果相机的芯片尺寸超过1英尺,尽量选用F或者更大的接口,避免图像周围成像质量差。
3)光源
机器视觉系统中最关键的一个方面就是选择正确的照明,机器视觉光源直接影响到图像的质量,进而影响到系统的性能。
所以我们经常说光源起到的作用就是获得对比鲜明的图像。
1.光源的作用
选择合适的光源,可突显良好的图像效果(特征点),可以简化算法,提高检测精度,保证检测系统的稳定性。
2.光源类型
A.环形光源:
提供不同的照射角度、不同颜色组合,更能突出物体的三维信息;
高密度LED列阵,高亮度;
多种紧凑设计,节省安装空间;
解决对角照射阴影问题;
可选配漫射板导光,光线均匀扩散。
(PCB基板检测,IC元件检测,显微镜照明,液晶校正,塑胶容器检测,集成电路印字检查...)
B.背光源:
用高密度LED列阵面提供高强度背光照明,能突出物体的外形轮廓特征,尤其适合作为显微镜的载物台。
红白两用背光源、红蓝多用背光源,能调配出不同颜色,满足不同被测物多色要求。
(机械零件尺寸的测量,电子元件、IC的外型检测、胶片污点检测,透明物体划痕检测...)
C.条形光源:
条形光源是较大方形结构被测物体的首选光源;
颜色可根据需求搭配,自由组合;
照射角度与安装随意可调。
(金属表面检查,图像扫描,表面裂缝检测,LCD面板检测...)
D.组合条形光源:
四边配置条形光,每边照明独立可控;
可根据被测物体要求调整所需照明角度,使用性广。
(PCB基板检测,IC元件检测,焊锡检查,Mark点定位,显微镜照明,包装条码照明,球形物体照明...)
E.同轴光源:
同轴光源可以消除物体表面不平整引起的阴影,从而减少干扰;
部分采用分光镜设计,减少光损失,提高成像清晰度,均匀照射物体表面。
(系列光源最适宜用于反射度极高的物体,如金属、玻璃、胶片、晶片等表面的划伤检测,芯片和晶片的破损检测,Mark点定位,包装条码识别。
F.线性光源:
超高亮度,采用柱面透镜聚光,适用于各种流水线连续检测场合。
G.点光源:
大功率LED,体积小,发光强度高;
光纤卤素灯的替代品,尤其适合作为镜头的同轴光源等;
高效散热装置,大大提高光源的使用寿命。
(适合远心镜头使用,用于芯片检测,Mark点定位,晶片及液晶玻璃底基校正。
3.光源选型
A.条光选型要领:
条光照射宽度最好大于检测的距离,否则可能会照射距离远造成亮度差,或者是距离近而辐射面积不够;
条光长度能够照明所需打亮的位置即可,无需太长造成安装不便,同时也增加成本,一般情况下,光源的安装高度会影响到所选用条光的长度,高度越高,光源长度要求越长,否则图像两侧亮度比中间暗;
如果照明目标是高反光物体,最好加上漫射板,如果是黑色等暗色不反光产品,也可以拆掉漫射板以提高亮度;
B.环光选型要领:
了解光源安装距离,过滤掉某些角度光源;
例如要求光源安装尺寸高,就可以过滤掉大角度光源,选择用小角度光源,同样,安装高度越高,要求光源直径越大;
目标面积小,且主要特征性在表面中间,可选择小尺寸0角度或小角度光源;
目标需要表现的特征如果在边缘,可选择90角度环光,或大尺寸高角度环形光;
检测表面划伤,可选择90度角环光,尽量选择波长短的光源。
C.背光源/平行背光源选型要领:
根据物体大小选择合适大小的背光源,以免增加成本造成浪费
背光源四周一条由于外壳遮挡,其亮度会低于中间部位,因此选择背光源时,尽量不要使目标正好位于背光源边缘
背光源一般在检测轮廓时,可以尽量使用波长短的光源,波长短的光源其衍射性弱,图像边缘不容易产生重影,对比度更高;
背光源与目标之间的距离可以通过调整来达到最佳效果,并非离得越近效果越好,也非越远越好;
液位检测可以将背光源侧立使用;
圆轴类产品,螺旋状的产品尽量使用平行背光源
D.同轴光源选型要领:
选择同轴光时主要看其发光面积,根据目标的大小来选择合适发光面积的同轴光;
同轴光的发光面积最好比目标尺寸大1.5~2倍左右,因为同轴光的光路设计时让光路通过一片45度反半透镜改变光源靠近灯板的地方会比原理灯板的亮度高,因此,尽量选择大一点的发光面避免光线左右不均匀;
同轴光在安装时尽量不要离目标太高,越高,要求选用的同轴光越大,才能保证其均匀性。
4.图像采集卡
图像采集卡(FrameGraber):
图像采集卡是图像采集部分和处理部分的接口。
图像经过采样、量化以后转换为数字图像并输入、存储到帧存储器的过程,叫做采集、数字化
A/D转换:
视频量化处理是指将相机所输出的模拟视频信号转换为PC所能识别的数字信号的过程,即A/D转换。
视频信号的量化处理是图像采集处理的重要部分。
图像采集卡附加功能:
相机触发、灯源控制、基本I/O、相机复位、相机时序输出
A.图像采集卡的分类:
模拟图像采集卡、数字图像采集卡
B.按功能可以区分为:
单纯功能的图像采集卡、集成图像处理功能的采集卡
C.图像采集卡趋势:
带网络接口(GigabitEthernet)的图像设备将成为主流;
智能相机(SmartCamera)会应用于工业现场控制系统;
CameraLink、Firewire(1394)、LVDS等数字接口采集卡已被广泛使用。
D.图像采集卡接口种类:
数字信号--接口
数字信号—CameraLink
1 13对线(其中6对数据线),使得接插件的尺寸更加的小巧。
允许相机设计的体积更小。
2 更高的传输速率。
采用ChannelLink芯片组(支持速率达2.3Gb/s)满足对数据传输速率越来越高的要求。
3 集成有串口通讯协议。
数字信号—IEEE1394(Firewire)
1 两种接口标准,一种是6针接口,另一种是4针接口。
6针接口可以从端口获得电源,以给那些无法自己供电提供电源。
2 1394A传输速率为400M/S,1394B可达800M/S。
3 不需要控制器,可以实现对等传输,最大连线4.5米,大于4.5米可采用中继设备。
支持即插即用。
它是目前唯一支持数字摄录机的总线。
图像采集卡选取方法
1.视频信号接口
要求相机与采集卡的视频信号类型一致:
模拟信号接模拟采集卡,数字信号接数字采集卡。
一般选择以太网或USB3.0接口。
2.数据采集能力
要求采集卡的数据采样频率大于或等于相机信号数据输出频率。
采集卡的数据率必须满足的要求可按下式计算:
模拟DataRate(Grabber)≥1.2×
R*f
数字DataRate(Grabber)≥DataRate(Camera)
DataRate(Grabber)为采集卡的数据率;
DataRate(Grabber)为相机的数据率;
R为相机的分辨率;
F为相机的帧率。
3.软件开发包(SDK)
稳定、简单、易用;
功能强大;
移植性好
4.技术支持能力(Support):
快速完成系统的开发
便于系统的维护
5.品牌及产品线(productLine)
保证从采集卡的质量
产品升级换代
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