图像系统相关基础知识硬件软件及理论Word格式文档下载.docx
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配合线扫描相机使用的是线扫描图像采集卡。
支持线扫描相机的图像采集卡往往也支持面扫描相机。
1.1.1.2板卡的基本技术参数
图像采集卡的技术参数主要有以下几方面:
(1)图像传输格式
图像采集卡需要支持系统中摄像机所采用的输出信号格式。
大多数摄像机采用RS422或EIA644(LVDS)作为输出信号格式。
在数字相机中,IEEE1394,USB2.0和CameraLink几种图像传输形式则得到了广泛应用。
(2)图像格式(像素格式)
黑白图像:
通常情况下,图像灰度等级可分为256级,即以8位表示。
在对图像灰度有更精确要求时,可用10位,12位等来表示。
彩色图像:
彩色图像可由RGB(YUV)3种色彩组合而成,根据其亮度级别的不同有8-8-8,10-10-10等格式。
(3)传输通道数
当摄像机以较高速率拍摄高分辨率图像时,会产生很高的输出速率,这一般需要多路信号同时输出,图像采集卡应能支持多路输入。
一般情况下,有1路,2路,4路,8路输入等。
(4)分辨率
采集卡能支持的最大点阵反映了其分辨率的性能。
一般采集卡能支持768*576点阵,而性能优异的采集卡其支持的最大点阵可达64K*64K。
单行最大点数和单帧最大行数也可反映采集卡的分辨率性能。
(5)采样频率
采样频率反映了采集卡处理图像的速度和能力。
在进行高度图像采集时,需要注意采集卡的采样频率是否满足要求。
目前高档的采集卡其采样频率可达65MHZ。
(6)传输速率
主流图像采集卡与主板间都采用PCI接口,其理论传输速度为132MB/S。
1.1.1.3板卡的软件包
1.什么是视觉板卡的软件包:
我们大家都知道,任何一个采集卡都需要一套软件包来支持。
这是因为,就象任何计算机的硬件配件一样,视觉卡同样需要依靠软件才能将其潜力发挥至极。
硬件是躯体而软件则是灵魂。
视觉软件包,由早期的标准C语言,发展至今OCX及ActiveXControl技术的普及。
视觉软件包已经变得越来越容易被用户使用。
2.软件包的基本功能与构成:
与板卡配套的视觉软件包,通常包括以下几个模块:
∙图象预处理部分:
对图象进行预处理的功能模块。
如二值化、边缘锐化等等。
∙图象处理部分:
对图象进行分析、测量的功能模块。
如边缘寻找、目标寻找等等。
∙字符识别部分(OCR):
对字符进行识别的功能模块。
∙数据提取部分:
对条形码、二维码进行提取的功能模块。
∙图象资源管理部分:
对于图象进行管理、存储的功能模块。
如,图象缓冲区、图象硬盘存储、图象格式轮换等。
∙实际应用部分:
专为某一特定领域的视觉系统,所提供的软件工具。
如BGA检测。
∙显示功能部分:
如,图象放大功能、画图功能等。
∙其他功能部分:
如,数据管理模块等。
3.为什么要使用软件包:
使用与板卡相匹配的软件包,不仅可以避免在板卡的实际应用过程中,出现“软硬不配”的问题。
同时,如果我们对软件中的各种工具,可以熟练的善加利用。
还可以大大缩短应用系统的开发周期、并且可以使我们便于优化系统,易于进行系统维护、源代码管理
1.1.1.4如何选用板卡
随着市场上越来越多的视觉板卡,及配套的软件包大量涌现。
相信大家都会觉得,难以决定到底选用哪一家公司的产品才是最佳选择。
在展开讨论之前,首先要纠正一个普遍存在的错误观念:
即,在我们选用板卡的标准不是“好”与“坏”、“强”与“弱”,而是“适合”与“不适合”。
一张设计出色的采集卡外加功能强大的软件配套,自然是一个“好”的选择。
但如果在你的二次开发应用系统中,只用到了其软件包中一半的函数。
那么,对于你们公司来说,整套产品虽然是“好”的产品,但却不是适合的产品
1.板卡硬件功能的对比
目前市场上的视觉板卡,主要可分为三类:
一、视觉采集卡。
这就是我们最提到的FrameGrabber。
它最主要的功能就是将相机中输出的模拟图象信号,转换成数字信号,最终传至电脑中的内存中去;
二、具有显示功能的视觉卡。
这种板卡,在上一种采集卡的基础之中,又另加入了图象显示功能。
即,可以将图象直接显示到任何显示器上;
三、自带处理器的板卡。
这种板卡本身就带有处理器,进行图象处理工作的程序,不必在电脑中而可以直接在板卡上运行。
由于以上三种板卡在硬件上就有很大不同,很难作横向对比。
因此我们仅就板卡一些常见的功能作分析对比。
∙相机支持:
随首市场上各种新功能相机的出现,板与相机的匹配问题便更加显得重要了。
一、制式。
CCD相机有各种不同制式,如CCIR、RS170等等。
确定板卡是否支持所有制式的信号;
二、异步信号。
异步信号可以节省拍照时间。
不过在选用具有异步信号功能的相机之前,首先要确定板卡也有此功能。
这一功能对于运行速度要求极高的系统来说,至关重要。
以RS170为例,如果没有这一功能,系统等待拍照的时间为0~40毫秒;
三、逐行扫描。
越来越多的系统会使用到逐行扫描相机,因此要首先知道板卡是否支持这种相机;
四、多分辨率支持。
不是每张板卡都可以支持所有分辨率的相机;
五、多频道。
多数板卡,都可以同时控制二下以上的相机。
至于,其他一些不常见的功能,如时钟功能等,这里略过不提。
∙灯源激发:
相当多的板卡带有灯源激发功能。
这不仅缩短了系统总体运行的时间,简化了编程人员的工作。
更重要的在于,这一功能可以更加有效地使灯源与相机同步工作。
∙图象存储:
大家已经知道,相机拍照的时间最多为40毫秒,而系统对于图象进行分析、测量的时间则要漫长得多。
因此,在实际操作中,常常会出现相机“等待”电脑的情况。
因此,一些板卡便另设有一些内存,作为图象的缓冲区。
即,在前一幅图象尚未分析完之间,接下来相机所传来的图象,暂时存放到缓冲区中。
之后,再以先进先出的方式,逐一送至电脑内存。
不过,关于板卡的这一硬件功能,市场上有两个全然相反的评价。
∙其他参数:
如,信号转换速度等。
2.板卡软件包的对比
面对不同公司的视觉软件包时,该如何作出正确的选择?
根据上面所讲“软件包的基本功能与构成”一节,就其中较重要的部分,下面我们一一作出分析。
***我们首先要考虑的问题是:
哪一家公司的软件更加容易使用,即在此软件包基础上作二次开始,是否容易上手、能否缩短开发时间。
从以下几个方面来考虑:
∙开发硬件环境:
此软件包在你公司所选用的电脑硬件系统下是否能正常运行。
如,是否支持PCI接口、显示卡等。
∙开发操作系统;
此软件包在你们公司所选用的操作系统下能否正常运行。
如,是否支持WIN2000,Linux等等。
∙开发语言:
此软件包是否适用于你们公司所选用的开发语言。
如,使用VC++,VB、CPB、DELPHI等语言作二次开发,是否简单易用。
***当然我们还要对比不同公司的软件包,在图象处理方面的功能的优劣。
∙边缘寻找功能:
边缘寻找,是图象处理中最为基本也是最为常用的工具。
此功能主要以下几个参数作对比:
一、精度。
可以查阅软件包的产品介绍或是使用说明;
二、稳定性。
可使用不同图象对软件进行实际测试,如,进行GR&
R测试;
三、多样性。
是否能够应付各种不同的实际情况。
如,不同形状的边缘寻找,不同明暗情况下的边缘寻找等等;
四、速度。
可在统一的情况下(如,使用同一图象)对不同系统进行实际测试。
∙目标定位功能:
目标定位功能,是图象处理中另一基本且常用的工具。
同样有以下几个参数作对比:
可使用不同图象对软件进行实际测试;
三、速度。
对于目标定位功能来说,其运行速度的快慢,可以认为是其软件水平高低的直接标志之一。
可在统一的情况下(如,使用同一图象、同一速度电脑)对不同系统进行实际测试;
四、操作复杂程度。
由于目标定位功能比边缘寻找功能在算法上要复杂得多,这就使得此功能参数设置的繁简程度,会直接影响二次开发的难易。
∙图象欲处理功能:
图象欲处理功能(如,二值化、边缘锐化、反差调节等等),可以提高图象分析速度、简化分析工程。
∙字符读取功能(OCR):
对于那些主要应用于各种字符读取的视觉系统来说,此功能尤为重要。
∙数据读取功能:
目前,绝大多数公司的软件包中,都带有条形码、二维码的读取功能。
大家所要注意的是,不同软件应付在不良情况的能力,如,光源不足、图象不清、源码残缺等情况。
∙图象缓冲功能:
与板卡的“图象存储”功能相似,这一功能的主要目的,是为了缓解拍照与运算时间上不同步的矛盾。
与板卡上硬件缓冲区所不同的是,这一功能纯由软件来实现。
通常的概念是,在内存中开辟一固定空间,从板卡传来的图象信号,在电脑分析完之前都会按序存在这一空间里。
每幅图象地址的指针,另存在一堆栈中。
图象以先进先出的方式清除。
∙实际应用功能:
很多公司,为了适应越来越激烈的市场竞争,在原有的底层软件基础上,又开发出可应用于某一特定领域的软件包,以方便这一行业中的视觉二次开发商。
如,半导体行业中BGA检测工具;
显示器生产业中的显示检测工具;
机器手行业中的系统定位工具等等。
∙接口功能:
软件包是否能够方便地与其他软件或控件接口,一起运行。
∙其他辅助功能:
除以上所讲的各功能以外。
各视觉公司,又各自开发出一些其他非图象处理的软件工具,以方便开发者使用。
如,数据分析工具(SPC)、图象显示工具、画图工具等等。
3.应用系统开发时限及功能
在对该选用哪家公司板卡的问题上,作出决定之前。
我们还要考虑公司所要开发的目标系统,要拥有哪些功能?
在确定了系统这些功能之后,接下来要考虑这些功能是否要由自己来完成,还是使用板卡公司所提供的底层软件包,等等一系列的问题。
下面,我们就将这些问题按思考步骤综合一下:
a)系统功能:
首先确定所要开发的系统,应该有哪些基本功能。
b)开发时限:
再根据项目的具体要求,确定系统开发周期。
c)供应商支持:
软件包开发商是否有详尽的使用说明;
是否能提供足够的源代码;
如果在本地区有技术支持人员;
技术支持人员是否会说中文--如果不会,你们的开发人员是否能与他们很好地沟通。
d)人力资源:
考虑能够参与开发工作的人力资源,包括:
编程能力、视觉知识等等方面。
考虑这个问题,是因为通常选用功能完备的软件包,并不一定能缩短开发时间,但却能够简化开发工作,使源程序便于优化。
e)分析软件包功能:
确定软件包所提供的工具,是否能够支持系统所要求实现的功能。
f)最后决定:
根据系统所要实现的功能--哪家公司的软件包,能够覆盖最多的系统功能;
项目要求的开发时间--哪家公司的软件最容易使用、开发周期最短;
公司的人力资源--哪家公司的软件包,最适合你公司开发人员的水平。
综合以上各点最决定:
哪家的公司的板卡及软件包,最适合你。
4.公司经营方向
其实,在我们决定选用哪家视觉公司的板卡的同时,也是在确定自己公司的经营发展方向。
原因很简单,开发一套实际应用视觉系统所需要的成本相当昂贵。
如果没有非常充分的理由,一般来说我们是不会选用另一家公司的板卡,重新作开发的。
于是,在我们决定选用哪张板卡的同时,还要考虑下面这个问题:
∙系统开发成本:
公司所能承受的开发成本是多少,这包括:
一套软件包的起始工具箱,以及整组开发人员开发期间的工资等。
一般来说,性能较好功能完备的板卡及软件包,都是比较贵的。
系统开发成本,直接影响公司资金运作。
∙系统销售成本:
系统开发成果之后的销售成本是多少。
这包括:
软件运行执照,以及系统维护人员的工资等。
系统销售成本,直接影响公司的产品市场定位。
∙软件包换代:
软件包开发商是否经常推出新产品,并允许客户更新新版本软件。
软件版本更新是否免费。
∙实际应用:
软件开发商,在你们公司所要从事的领域里,其软件包中的视觉工具,是否具有技术优势。
1.1.2
1.1.3相机
1.1.3.1工业相机的分类
●以不同图象传感器分类:
CCD相机与CMOS相机
CCD相机:
使用CCD式感光芯片为图象传感器的相机。
CMOS相机:
使用CMOS式感光芯片为图象传感器的相机。
CCD相机,是目前绝大多数机器视觉系统中所使用的相机。
现在市场上公开销售的CCD相机,无论是在图象格式、分辨率还是敏感度等各个方面都有着广阔的选择空间。
可以这样说:
CCD相机所提供给我们的优越性能,可以满足99%的项目要求。
与CCD相机相比,虽然CMOS相机有着如:
工艺简单、成本低廉、低功耗、系统整合性好、区域读取图象灵活等诸多优点。
但由于生产工艺上的差距,CMOS目前在除噪及灵敏度方面仍逊于CCD,因此使得CMOS相机现在处于民用阶段,尚无法达到工业领域的要求。
●以不同图象颜色分类:
单色相机与彩色相机
单色相机:
输出图象为单色图象的相机。
彩色相机:
输出图象为彩色图象的相机。
多数彩色CCD相机所采用的技术,是在单一传感器前装置一系列彩色滤片,从而令不同色彩的光进入到不同CCD点象素中去,也就是说不同象素中所感受到的只是某一种单色光的灰度。
就目前的生产工艺来说,由于使用滤片使得彩色相机的灵敏度远低于单色相机。
同时由于彩色相机中的象素只“存放”一种色光的灰度值,因此彩色相机的分辨率也远远不及单色相机。
这便使得彩色相机只能用于需要“色彩认识”的系统,还不能被普通使用于高精度的测量、定位等系统。
●以不同传感器格式分类:
面扫描相机与线扫描相机
面扫描相机:
CCD感光芯片上的点阵呈面状分布的相机,其所成图象为二维“面”图象。
线扫描相机:
CCD感光芯片上的点阵呈线状(一行或两行)分布的相机,其所成图象为一维“线”图象。
顾名思义,线扫描相机里的CCD感光芯片,只是一条线(或是两条线),但这条线却很长:
1K,2K,4K甚至更长。
也就是说线扫描相机一次拍出的图象,只是一条线。
为了得到整个二维图象,通常需要移动被测物或相机本身,同时间断地拍照。
与扫描相机一次成象相比,线扫描相机需要多次成象后,将所成的“线”象拼成一幅完整的图象。
因此,线扫描相机更多地被用于分辨率要求极高的项目里。
同时还需要大口径镜头、强亮度灯源以及口光圈,以适应其非常高的成象速度
●以不同传传方式分类:
模拟信号相机与数字信号相机
模拟信号相机:
在模拟信号相机中,从传感器中传出的信号,被转换成模拟电压信号,即普通视频信号,后再传到图象采集卡中。
数字信号相机:
在数字信号相机中,信号自传感器中的每一个象素输出后,在相机内部就被数字化了,数字化之后的图象可直接被计算机所接受。
模拟信号相机的成本一般上低于数字信号相机。
但是在除噪、速度方面则比数字信号相机来得差。
如我们常常听到的,EIA,RS-170、NTSC、CCIR、PAL,都是常用模拟信号传输标准。
数字信号相机除了在除噪及速度方面优于模拟信号相机外,由于是数字信号传输方式,因此在计算机中所得到的由数字信号相机拍出的图象,更加“逼真”。
而且,数字信号相机在分辨率及万象速度方面有更多选择。
CameraLInk和Firewire是数字信号相机最常见的传输标准。
从上面的分析中,大家不难看出:
数字信号相机取代模拟信号相机,是不可逆转的大趋势。
不过目前我们常见的数字信号相机,多是家用CMOS数字相机。
1.1.3.2相机硬件的基本构成及技术参数
相信大家都同意--正确的选择相机,是设计整个机器视觉系统关键的第一步。
CCD工业相机生产工艺发展到今天,技术已经日趋完善。
体积越来越小,成象时间的控制越来越自如,快门速度越来越快、灵敏度越来越高。
接下来,我们主要讨论最常用的工业相机--单色CCD面扫描模拟信号相机--的基本工作原理及相关技术参数。
●相机基本工作原理(参见图#2)
相机一般上都可以分为两大部分:
图象获得部分、图象输出部分。
下面我们就参照图#2中所示,对相机的各个部分分别加以讨论:
⏹CCD的基本原理
面扫描式相机成象部分的核心,是CCD感光芯片。
CCD感光芯是一片,由许多光敏感材料制成的象素,组合成二维面阵。
此种光敏感性材料,可以将入射的光线中的光量子,转变成电子,并累积成电荷。
CCD曝光之后,相机再将CCD芯片中每一个象素的的电荷,诸行提出送入一个缓冲区。
我们在计算机内存中,从相机中得到的数字图象。
就是系统把CCD每个象素中的电压通过一系列处理,最终得到一个数字化的数值。
另外有一个值得我们注意的问题:
CCD对于不同波长的光有着不同的灵敏度(参见图#3)。
从图中曲线一(实线)的走向,大家可以发现CCD的两个特点:
1,CCD对于波长500~600的光,即红色光,最为敏感。
这就是为什么在实际应用中,红色灯源被用的最为广泛;
2,CCD对于红外线(波长小于500)仍有一定的敏感度。
也就是说CCD极易受温度的影响,因此CCD相机不宜在在高温环境下工作。
一般上,高级的CCD相机都装有红外消除滤片,其感光特征如曲线二(虚线)所示。
⏹图象的获取
CCD相机中图象获取模块,实际上就是一片由光敏感性材料(矽氧化物)制造而成的芯片。
相机拍照时,快门打开,光线射入CCD芯片的感光部分。
上面说到,CCD芯片中的象素,将光能转换成电能,最终成为电压信号。
此信号将从CCD芯片输送到相机的下一个模块――图象输出模块。
由于光敏感性物质感光的关键在于感光时间,由此可以知道CCD相的快门时间,就是其成象的关键参数。
目前市场上的相机,都普遍设有机械及电子快门两种选择。
⏹图象的输出
在图象输出模块中,相机会产生出适用于图象处理的视频信号。
而在产生视频信号的过程当中,相机会按照不同标准生成不同制式的视频信号,如:
CCIR、EIA、PAL等等。
下面简要介绍一下图象输出的过程:
图象获取模块完成了图象的获取,即CCD芯片已经感光完成。
于是相机便从CCD芯片的左上角开始逐行扫描。
扫描从第一行的第一个象素起,取出第一个象素中的电压再扫描第二个象素,累积了第二个象素中的电压后,开始扫描第三个。
以此类推,将第一行所有象素全部扫描过之后,便将整行象素的电压传输至缓冲区。
接下来开始扫描CCD芯片的第三行。
CCD相机的扫描过程,是先扫描奇数行,即,1、3、5。
。
,扫描过全部奇数行之后,并将所有奇数行象素的信号,逐行存入缓冲区。
到此第一个扫描场扫描过程结束;
之后再开始扫描全部的偶数行,即,2、4、6。
,扫描完成,并同样逐行将偶数行信号存入缓冲区。
完成了第二个扫描场的扫描。
完成以上两次(奇数行扫描场及偶数行扫描场)扫描,我们称相机完成了一帧扫描。
而这样的扫描方式叫作:
隔行扫描。
在一个扫描场扫描进行当中,上一行扫描结束在折返到下一行的过程中,相机会在两行的信号之间加入一个脉冲信号,作为下一行起始的标志。
当奇数行扫描场扫描完成,相机同样会在偶数行扫描场开始扫描之前,在两个场信号之前加入一个信号,作为偶数行扫描场信号起始的标志。
现在我们知道,扫描完成后完整的一帧图象的信号,行与行、场与场之间都有信号分隔。
但象素与象素之间呢?
每个CCD感光芯片,都有其特定的分辨率,即横向多少列纵向多少行。
因此相机在将每一行的电压信号转化为模拟视频信号时,是按CCD的分辨率把整行信号分割,再作逐一转化。
与隔行扫描相机相对应的,一种新型逐行扫描相机(Progressivescancamera)已经普遍为业内人士所使用。
关于逐行扫描相机的详情,以后再另题讨论。
⏹相机常见附加功能
⏹非标准分辨率:
最常用的相机的分辨率为768×
576(CCIR)或是640×
480(RS170)。
但高分辨率相机已经非常普遍,如1024×
1024、1300×
1300,甚至更高。
⏹逐行扫描:
上面已经解释过,普通CCD相机的扫描方式为隔行扫描。
逐行扫描相相机,顾名思义就是从CCD的第一行起,1,2,3,4。
如此一直扫描下去。
通常逐行扫描相机,适于拍摄运动中的目标。
⏹板卡触发:
普通的相机,都是不间断地以某个固定速度(CCIR:
25帧/秒;
RS170:
30帧/秒)拍照、扫描;
拍照、扫描。
以CCIR格式为例,完全一帧图象大约需要40毫秒的时间。
因此,当我们需要拍照的时候,系统会从视觉板卡发出一个脉冲信号,通过连线传到相机。
相机由到该信号后,会等当前正在扫描的工作结束后,把下一个扫描进来的图象存入缓冲区,再从缓冲区传输给视觉板卡。
⏹异步拍照:
我们已经知道,相机是不间断地拍照的--无的放矢。
但相机收到从板卡发送来的“板卡触发”信号的时候,可能,当前的图象正扫描到奇数行扫描场的第N行。
因此现在相机必须等到完成此帧的扫描(完成奇数行场扫描后,还要扫描偶数行场),才能对目标进行“有目的”地拍照。
“异步拍照”可以使相机节省这个等待的时间。
即,当图象扫描到奇数行扫描场的第N行时,相机收到“板卡触发”信号,立即终止扫描,回到CCD起始位置开始新一帧的扫描。
●相机常用技术参数
⏹
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