机器视觉按需求选择工业相机的方法

信号
 　　工业相机的信号类型有模拟信号和数字信号两种。模拟相机必须有图像采集卡，标准的模拟相机分辨率很低，采集到的是模拟信号，经数字采集卡转换为数字信号进行传输存储。工业数字相机采集到的是数字信号，数字信号不受电噪声影响，因此，数字相机的动态范围更高，能够向计算机传输更精确的信号。


　　分辨率
　　根据具体需求来选择相机分辨率的大小，如果一个像素对应一个缺陷的话，那么这样的系统一定会极不稳定，所以我们为了提高系统的精准度和稳定性，最好取缺陷的面积在3到4个像素以上，这样我们选择的相机也就在130万乘3以上，即最低不能少于300万像素。【需要选择合适的分辨率，根据系统的需求来选择相机分辨率的大小，通常系统的像素精度等于视场（长或宽）除以相机分辨率（长或宽）。如视场为10mm×7.5mm，使用130万像素的相机，则相机分辨率为1280×960Pixel，则像素精度为10mm÷1280Pixel=0.0078mm/Pixel；下面以一个应用案例来分析。 假设检测一个物体的表面划痕，要求拍摄的物体大小为10*8mm,要求的检测精度是0.01mm。首先假设我们要拍摄的视野范围在12*10mm,那么相机的最低分辨率应该选择在：(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,约为120万像素的相机，也就是说一个像素对应一个检测的缺陷的话，那么最低分辨率必须不少于120万像素，但市面上常见的是130万像素的相机，因此一般而言是选用130万像素的相机。但实际问题是，如果一个像素对应一个缺陷的话，那么这样的系统一定会极不稳定，因为随便的一个干扰像素点都可能被误认为缺陷，所以我们为了提高系统的精准度和稳定性，最好取缺陷的面积在3到4个像素以上，这样我们选择的相机也就在130万乘3以上，即最低不能少于300万像素，通常采用300万像素的相机为最佳 。】


 　　芯片
 　　工业相机从芯片上分，有CCD和CMOS两种。如果要求拍摄的物体是运动的，要处理的对象也是实时运动的物体，那么当然选择CCD芯片的相机为最适宜。


 　　色彩
 　　如果我们要处理的是与图像颜色有关，那当然是采用彩色相机，否则建议你用黑白的，因为黑白的同样分辨率的相机，精度比彩色高。


 　　帧率
 　　根据要检测的速度，选择相机的帧率一定要大于或等于检测速度，等于的情况就是你处理图像的时间一定要快，一定要在相机的曝光和传输的时间内完成。


 　　除了工业相机的功能之外，还要考虑到使用的具体情况以及相机的价格。生产厂家等。外部因素和内部条件相互结合才能选择出最合适的工业相机。

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 关于线阵相机、镜头、光源的选型，欢迎来电探讨线扫描系统的搭建与选型

     随着机器视觉的大规模普及与工业流水线速度、精度的提高，线扫描系统越来越被视觉工程师和最终用户所认可。　　

首先，我对线扫描系统做一个大致的介绍。线扫描系统用于被测物体和相机之间有相对运动的场合，通过线扫描相机高速采集，每次采集完一条线后正好运动到下一个单位长度，继续下一条线的采集，这样一段时间下来就拼成了一张二维的图片，也就类似于面阵相机采集到的图片，不同之处是高度可以无限长。接下来通过软件把这幅“无限长”的图片截成一定高度的图片，进行实时处理或放入缓存稍后进行处理。

 

 

 

 

视觉部分，包括线扫描相机，镜头，光源，图象采集卡和视觉软件；　　

运动控制部分，包括马达, 马达驱动器, 运动控制卡或PLC，为了保证采集的图象与输送带同步，有时还会需要编码器。　　

由于线扫描信息量大，所以需要一台高性能的工控机，配置大容量的内存和硬盘，主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽。　　

　 　

　 　

一般来说，一个面阵视觉系统的配置选型是按照这样的顺序进行的。：　　

　　　　　　　　　　　相机＋采集卡－>镜头－>光源　　

线阵项目也类似，根据系统的检测精度和速度要求，确定线阵CCD相机分辨率和行扫描速度，同时确定对应的采集卡，只是需要选线阵相机镜头接口(mount)时同时考虑镜头的选型，最后确定光源的选型。

线阵摄像机(线阵工业相机）的选型　　

计算分辩率:幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素
 选定相机:幅宽除以像素数得出实际检测精度
 每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数
 根据以上数值选定相机

如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s
相机：1600/1＝1600像素
 最少2000像素，选定为2k相机
1600/2048＝0.8实际精度
22000mm/0.8mm＝27.5KHz【除以实际精度！】
应选定相机为2048像素28kHz相机

线阵镜头的选型　　

为什么在选相机时要考虑镜头的选型呢？常见的线阵相机分辨率目前有1K,2K,4K,6K,7K,8K,12K几种，象素大小有５um,7um,10um,14um几种，这样芯片的大小从　10.240mm　(1Kx10um) 到　86.016mm　(12Kx7um)不等。很显然，Ｃ接口远远不能满足要求，因为Ｃ接口最大只能接　22 mm　的芯片，也就是1.3inch。而很多相机的接口为Ｆ，Ｍ42X1，M72X0.75等，不同的镜头接口对应不同的后背焦(Flange distance)，也就决定了镜头的工作距离不一样。　　

　 

光学放大倍率(β,Magnification)　　

确定了相机分辨率和像素大小，就可以计算出芯片尺寸（Sensor size）；芯片尺寸除以视野范围(FOV)就等于光学放大倍率。β=CCD/FOV　　

　 　

接口(Mount)：　　

主要有C、M42x1 、F、T2、Leica、M72x0.75等几种，确定了之后，就可知道对应接口的长度。               　　

　 　

后背焦(Flange Distance)　　

后背焦指相机接口平面到芯片的距离，是一个非常重要的参数，由相机厂家根据自己的光路设计确定。不同厂家的相机，哪怕是接口一样，也可能有不同的后背焦。　　

　 　

有了光学放大倍率、接口、后背焦，就能计算出工作距离和节圈长度。选好这些之后，还有一个重要的环节，就是看MTF值是否足够好？很多视觉工程师不了解MTF,而对高端镜头来说就必须用MTF来衡量光学品质。MTF涵盖了对比度、分辨率、空间频率、色差等相当丰富的信息，并且非常详细地表达了镜头中心和边缘各处的光学质量。不仅只是工作距离、视野范围满足要求，边缘的对比度不够好，也要重新考虑是否选择更高分辨率的镜头。　　

　 　

（下图为一个典型的MTF表格，横坐标为像高，也就是到图像中心的距离除以图像半径的百分比；纵坐标为图像对比度。共有三组曲线，依次为三种不同分辨率的情况下的对比度，每一组又有实线和虚线，实线为半径方向的对比度，虚线为切线方向的对比度）　　

 





线扫描线阵光源的选型 　

　 　

线扫描项目中，常用的光源有LED光源、卤素灯（光纤光源）、高频荧光灯。　　

　 　

卤素灯也叫光纤光源，特点是亮度特别高，但缺点也很明显--寿命短，只有1000-2000小时左右，需要经常更换灯泡。发光源是卤素灯泡，通过一个专门的光学透镜和分光系统，最后通过光纤输出，光源功率很大，可高达250瓦。卤素灯还有一个名字叫冷光源，因为通过光纤传输之后，出光的这一头是不热的且色温稳定，适合用于对环境温度比较敏感的场合，比如二次元量测仪的照明。用于线扫描的卤素灯，常常在出光口加上玻璃聚光镜头，进一步聚焦提高光源亮度。对于较长的线光源，还用几组卤素光源同时为一根光纤提供照明。　　

　 　

高频荧光灯，发光原理和日光灯类似，只是灯管是工业级产品，特点是适合大面积照明，亮度较高，

 

成本低，但荧光灯最大的缺点是有闪烁、衰减速度快。荧光灯一定需要高频电源，也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率（对线扫描相机来说就是行扫描频率），消除图像的闪烁。专用的高频电源可做到60KHz。　　

　 　

LED光源是目前主流的机器视觉光源。特点是寿命长，稳定性好，功耗非常小。　　

1，直流供电，无频闪。
2，专业的LED光源寿命非常长。（如美国AI的寿命50000小时亮度不小于50%）　　

3，亮度也非常高，接近卤素灯的亮度，并且随着LED工艺的改善不断提高。（目前美国AI线光源亮度高达90000LUX）　　

3，可以灵活地设计成不同结构的线光源，如直射、带聚光透镜、背光、同轴以及类似于碗状的漫反射线光源。　　

4，有多种颜色可选，包括红、绿、蓝、白，还有红外、紫外。针对不同被测物体的表面特征和材质，选用不同颜色也就是不同波长的光源，获得更佳的图像。　　

　 　

　 　

线扫描相机、光源与被测物体之间的角度分析                                    　　

　 　

以玻璃检测为例，需要检测的缺陷有：脏点、结石、杂质、气泡、刮伤，裂纹，破损等，其大致可以分成两类，一类在玻璃表面的，一类是玻璃内部的。不同的缺陷，在图象中表现的出的灰度不一样，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机接受角度，缺陷的对比度会变化，如在一个角度时，某一种缺陷的对比度最好，但其他缺陷可能比较次，甚至根本看不到。这样也就需要大量的分析、组合，才能确定最后的光源选型和相机、光源和被测物体之间的相对角度。如下图所示，相机、光源在不同角度安装，分别测试。　　

　 　


 

结果发现：　　

脏点，正面光源或背光都较容易凸现；　　

结石和杂质，需要正面接近法线的照明或背面穿透照明；　　

气泡，形状不固定，且要分析形成的原因以及方向，采用背面照明；　　

刮伤和破损，正面低角度照明容易凸现。　　

裂纹，需要背面侧照　　　 　

而且，以上缺陷并不是独立的，而是互相影响。统计、分析如下。　　

综合以上因素，最后选用背光斜射和正面照射结合，相机接近法线方向安装。　　 　

光源、镜头的调试　　　

线扫描系统，对光源和相机来说，有效的工作区域都是一个窄条。也就是保证光源照在这个最亮的窄条与相机芯片要完全平行，否则只能拍到相交叉的一个亮点。所以机械安装、调试是比较费工夫的。同时由于幅宽比较宽，对于线光源有两个特别的要求，就是均匀性和直线性。因为线光源不同位置的亮暗差异，会直接影响图象的亮度高低，这一点LED比卤素灯更好控制。出光部分的直线性，取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。      　　 　

由于现场环境比较复杂，客户总是希望花多一些时间去现场调试。但如我们前面讲到的相机、光源、被测物体的相对角度测试、分析，许多因素会直接影响到检测效果。所以我们建议先做实验室测试，有了方案之后，再去现场调试，这样会最有把握，也能提高调试效率。毕竟服务也是一种成本。　　

 线扫描系统除了机械结构之外, 其主要组成部分还包括机器视觉和运动控制。　　

如何选择高速抓拍工业相机 

艾菲特光电技术有限公司（AFTVision）是一家专业的光学、视觉照明、机电产品研究、设计、开发、推广的高科技企业。我们有着丰富的专业团队 进行光学、光机系统设计，新产品开发和测试，可根据客户要求的工程需求设计、制作样品和安排批量生产，我们的品质管理团队保证最好的产品质量。

高速抓拍是工业相机优异于普通民用相机的表现之一，也是其一种重要的应用。工业相机作为机器视觉系统的核心组件，在行业应用中的地位是无可替代。而 根据不同的行业应用，我们要选用不同类型的工业相机才能保证机器视觉系统发挥最大的功能优势。选择一个合适的高速抓拍相机应该从哪些方面入手：



一、精度满足要求

此要求的筛选跟高速抓拍无关，跟普通工业相机选型类似，在此不作赘述。

二、确定色彩要求

要拍摄物体的颜色特征，就必须用颜色还原性比较好的相机，例如高质量的CCD或者3CCD相机，与颜色无关的项目一般情况下采用黑白相机，但也不是完全如此，有些要检测的特征可能在彩色图片里能够更好地显现，此时也可能考虑使用彩色相机。

三、曝光时间，如何拍摄运动的物体

此部分为讨论重点。拍摄运动物体的时候，需要克服的最重要的问题是拖影，拖影是在曝光的时候，拍摄目标与摄像系统之间存在相对运动形成的，因为这种 相对运动导致芯片上形成的图像一直在变化，各个部位的像元在曝光的过程中受到来自物体不同位置成像的影响，最终形成的图片是一个连续变化图像空间内图片的 叠加。如下图中1、2所示，图1为无拖影情况，图2为有拖影情况。

物体只要是运动的，拖影就一定会有的，为了使其不对检测产生显著影响，不同的项目类型，对拖影相对长度的限制不尽相同，对于尺寸测量的项目，拖影对 测量精度会有严重影响，在这种情况下，就会要求拖影长度尽可能短，例如不超过1/3像素，或者不超过一个像素等，而对于识别、计数等相关的项目则对拖影的 要求会相对宽些，这些要求一般情况下如此，并非绝对，具体看实际情况需要。

运动速度和曝光时间是直接影响拖影的两个因素。为了保证图像中的拖影不超过s单位像素，则需要做到如下等价说法：


1.芯片上光学像在曝光时间内移动的位置不超过s单位像素；
2.物体与成像系统之间在曝光时间内相对移动（垂直于光轴平面内）距离不超过s单位的系统精度。

光像对芯片移动速度Vs与物体运动速度Vp之间关系为：



其实：光学系统中物方和像方所有的一维参数都是如上比例关系。



例如：某系统的拍摄精度是0.1mm/像素，相机曝光时间是1/2000秒，拍摄物体运动速度是10mm/s，这样目标在曝光时间内物体运动的距离是0.005mm<<0.1mm，因此可以用该系统拍摄。

总结起来，一般情况下就是保证：物体运动速度Vp 曝光时间Ts<允许最长拖影S单位系统精度。因此对于运动速度比较快的物体拍照，为了防止长的拖影就需要极短的曝光时间，会选用较好的CCD相机 (如MV-VD078SC)，因为通常的CCD相机感光比较好，可以实现短时间曝光，但并不是说必须使用CCD相机，如果光轴很强且速度不是很快，可以是 用CMOS相机，有的CMOS相机是帧曝光的(如MV-VD040SC)，总体感光效果也比较好，也是拍摄运动物体的比较好的选择，具体怎么选择按上面量 化要求即可。

四、帧率

帧率即相机每秒钟可以捕捉的图像数量。一般决定于图像大小、曝光时间等，是相机的一个重要指标，相机帧率必须保证能够拍摄到系统要求时间间隔最短的两张图片，否则就有可能造成丢帧等现象，进而漏检某些产品。