机器视觉之工业相机讲解

一、前言

在机器视觉领域中,相机是我们必不可少的东西,但是我们用的相机跟平常我们生活中所用到的相机完全不同~工业相机

由于机器视觉的开展目前市场上众多公司开始了进行内卷时代,目前市场上大部分相机都是,海康,大华,OPT,凌云光,华睿等

机器视觉的原理

相机采集图像、软件处理分析、最后得出结论

机器视觉的应用

引导、检测、识别、测量


二、 认识相机

工业相机最本质的功能就是通过CCD或者CMOS成像传感器将光信号转变为有序的电信号,并将这些信息通过相应接口传送到计算机。

工业相机

  • 工业相机不带图像存储的接口,不能外接SD卡
  • 工业相机不带有观察窗或液晶显示屏
  • 工业相机的机身不带有集成的镜头
  • 工业相机不带有自动对焦/边角功能接口
  • 工业相机的结构简单,形状小巧,稳定性强,而且工业相机用的是电子快门
  • 工业相机往往采用电信号控制触发拍照,实时输出数据

工业相机内部的功能主要有五大部分构成,分别为镜头接口,图像传感器,参数控制模块,数据传输接口以及供电、IO信号接口。


相机内部结构


下图是一种基于计算机和工业相机(简称为 PC Base)的机器视觉系统。PC Base架构的优势是可以拓展性强,灵活度高。计算机可以接入多个工业相机,实现多视场、多工位、多功能的应用组合


智能相机

改系统与基于工业相机与计算机的视觉系统不同之处的在于,图像处理在相机端直接完成,并将判断结果传输给PLC。与PC Base系统相比,基于智能相机的系统更简洁稳定。


三、工业相机分类(芯片)

我们根据图像传感器参数和特性的不同,可以将工业相机分为多种

|-------------|-------|--------|
| 传感器类型 | CCD相机 | CMOS相机 |
| 传感器结构 | 面阵相机 | 线阵相机 |
| 传感器色彩输出 | 黑白相机 | 彩色相机 |


工业相机成像原理

工业相机中负责感光及成像的核心器件为图像传感器。

最常见的图像传感器的芯片类型有两种,分别是CCD(Charge-coupled Device,电荷耦合器件)CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)

原理: 当光照射在感光芯片的每个像素上时,因光电效应在每个像素上激发电子,经过AD转换之后,电流模拟信号变成二进制数字信号,从而产生图像。


CCD的原理

  • CCD的基本感光单元为的MOS(金属-氧化物-半导体)电容。

  • CCD的工作过程分为四个阶段,分别是电荷的生成、电荷的收集、电荷的转移、电荷的测量。

  • CCD芯片的电荷收集及转移、测量室在像元外部完成。


  • CMOS的原理

  • 在CMOS传感器中,每个像素都有自己的电压转换,传感器通常还包括放大器、噪声校正和数字化电路。

  • 因为CMOS每个像元独立完成AD转换,将会导致其输出图像均匀性较低。

  • 但因AD转换是大规模并行处理的,所以CMOS能达到更高的输出总带宽。

CCD和CMOS的对比

  • CMOS的结果简单,制造成本低,CMOS逐渐成为工业相机中主要用的图像传感器。

  • CCD更多应用在天文、生物、军事等高端领域。

    |----|---------------------|---------------------|
    | | CCD | CMOS |
    | 优点 | 噪声小; 成像均匀性好; 灵敏度高; | 芯片集成度高; 制造难度低; 帧率高; |
    | 缺点 | 芯片集成度低; 制造难度高; 帧率低; | 噪声大; 成像均匀性差; 灵敏度低; |


芯片结构分类

  • 按照传感器中像元的排列,可以将工业相机分为面阵相机和线阵相机两种。
  • 面阵相机的传感器像素排列是矩形的,面阵相机分辨率为其横向和纵向像元的个数,如1920*1080
  • 线阵相机的传感器是线形的,线阵相机的分辨率为横向像元数乘以像元的行数,如4096*1。
  • 面阵相机每次获取都是一个面的信息。如图a所示。
  • 线阵相机每次获取的是一条线的信息,如果线阵相机要成像,需要将输出的每行像素拼接起来,如图b所示。

色彩输出分类

  • 人的肉眼感光是主要分为三个通道,蓝色通道B,绿色通道G,红色通道R。
  • 基于分光结构的彩色工业相机成本较高,分辨率有限,目前只在印刷行业等色彩检测要求较高的场景中有应用。
  • 彩色相机大都采用BAYER阵列的彩色CCD/CMOS传感器采集的颜色信息是插值得到的,严格意义上来说是不精确的,采集到图像边缘的对比度会比黑白相机差。


四、光学接口

  • 相机的镜头接口有多种类型,镜头接口与相机必须互相匹配,镜头才能安装在相机上并且清晰成像。
  • 相机的图像传感器在1英寸以下时,往往都会采用C接口。
  • 镜头参数中标注的靶面尺寸2/3英寸,指的就是使用该镜头的相机芯片最大不得超过2/3英寸。
  • 在进行相机及镜头选型时,需要注意阅读相机及镜头参数,应参照其参数表,进行接口匹配选型。

参数

  • C接口和CS接口是工业相机最常见的国籍标准接口,C型接口和CS型接口的螺纹连接是一样的,区别在于C型接口的后截距为17.5mm,CS型接口的后截距为12.5mm。
  • F接口镜头是尼康镜头的接口标准,所以又称为尼康口,一般工业相机靶面大于1英寸时需要F口的镜头。
  • M72接口具有更大的卡环直径与法兰后截距,可以匹配大靶面像素相机成像。


五、相机接线

  • 在相机的后端,是相机的数据传输接口与供电、IO信号接口。
  • 如果工业相机采用的传输协议不带供电,则需要通过外接电源实现相机供电。
  • USB3.0协议因本身带有供电,所以USB3.0相机可以不用外接供电电源。
  • 如下图所示是一个千兆网相机背部的结构图,分别为6pin电源及I/O接口,数据接口,以及指示灯。
  • 千兆网相机需要对相机进行供电接线,将管脚序号1接入12V直流电源,将管脚序号6接入GND。 如果需要对象及进行外触发,就要将触发正信号输入接入管脚序号2,将IO GND接入管脚序号5.

传输协议

工业相机因机身不带图像算法处理功能,所以需要将采集到的图像数据通过协议传输到处理平台,不同图像数据传输协议采用的物理接口样式和结构不同。

常见的几种相机传输协议为 USB2.0、USB3.0、千兆网、CameraLink、CoaXPress几种,他们各自有不同的特性。


六、工业相机主要参数

分辨率

**分辨率:**由横向分辨率和纵向分辨率两个参数构成,表示在图像传感器上,横向与纵向像素点的数量


像元

**像元:**指的是图像传感器上每一个像素点的尺寸,像元尺寸越大,则单个小像素点感光越强


快门

快门:分为全局快门卷帘快门,其主要差别在于,拍摄快速运动物体,采用卷席快门的相机输出的图像有运动形变


帧率

帧率:每秒钟相机采集图像的最大张数,相机帧率越高,每秒钟可采集图像的最大数量越多。


动态范围

动态范围**:以8bit位深的图像为例,动态范围是指图像里灰度值为255的像元中电子算数与灰度值为1像元中电子数的比例,动态范围越大,意味着像元之间采样的差异越大,也就是说明暗度的细节更多** ,对于户外成像应用,如自动驾驶,一般要求相机动态范围越大越好。


位深

位深: 将传感器像素感应到的电流信号转换为模拟信号时,要对其进行AD转换,所采用的的二进制位数,就是位深。

位深越高,那么其蕴含的信息细节越多,但是意味着要处理的数据越大。

一般工业相机采用8bit


信噪比

英文名称叫做 SNR或S/N(SIGNAL-NOISE RATIO)

**信噪比:**图像中有用信号与噪声的比例,计算方法位10lg(Ps/Pn),Ps和Pn分别代表有像素灰度值与噪声灰度值。

信噪比越高,则意味着噪声抑制越好


传感器尺寸(靶面)

传感器尺寸(靶面)****:在像素不变情况下,相机传感器尺寸越大,噪点控制能力越强。


计算公式

视野范围(Field of View,FOV)

相机实际拍到区域的尺寸

工作距离(Working distance WD)

镜头第一个工作面到被测物体的距离

光学放大倍率

CCD/FOV

  1. 视觉精度= 公差大小 / 10(5或3)
  2. 单边分辨率 = 视野大小 / 视觉精度(像素)/ 2(亚像素)
  3. 像素 = 单分辨率(长) * 单分辨率(宽)
  4. 焦距(f) = 工作距离 * 芯片尺寸 / 视野大小
  5. 芯片尺寸 = 像元尺寸(长或宽) * 单边分辨率(长或宽) / 1000(转mm)
  6. 工作距离(WD) = 焦距(f) * 芯片尺寸 / 视野大小
  7. 工作距离(WD) = 焦距(f) / 倍率
  8. 视野大小(FOV) = 工作距离(WD) * 芯片尺寸 / 焦距(f)
  9. 系统放大倍率 = 芯片短边 / 视野短边

选型案例

海康机器人-机器视觉-工具

人工智能-视觉和算法(CNN)_视觉算法-CSDN博客

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