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[资料] 机器视觉中的相机与光源解析

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    [LV.9]以坛为家II

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    发表于 2021-2-19 14:48:26 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    1、机器视觉选择合适工业相机
    1.应用不同选用CCD或CMOS
    CCD工业相机主要应用在运动物体的图像拍摄,如贴片机机器视觉,当然随着CMOS技术的发展,许多贴片机也在选用CMOS工业相机(全局曝光类型的CMOS相机)。目前,随着索尼CCD芯片的停产以及CMOS工业相机由成本低,功耗低等优点,在工业检测领域CMOS相机的应用正在变得越来越广泛。
    CCD尺寸的解释:基本上,常用的 CCD 尺寸并不是『单位』而是『比例 』! 1英吋 CCD Size = 长 12.8mm X 宽 9.6mm = 对角线为 16mm 之对应面积。根据『勾股定理』,可得出该三角之三边比例为 4:3:5;换句话说,我无须给你完整的面积参数,只要给你该三角形最长一边长度,你就可以透过简单的定理换算回来。有了固定单位的 CCD 尺寸就不难了解余下 CCD Size 比例定义了,例如: 1/2" CCD Size 的对角线就是 1"的一半为8mm,面积约为 [(8/5)*4*(8/5)*3]/(12.8*9.6)=1/4。
    2.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5mm转接环);
    3.像素深度(Pixel Depth)
    即每像素数据的位数,一般常用的是8 Bit,对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit等。
    4.扫描类型(Scantype)
    相机中的成像元件是CCD芯片。如果CCD芯片只有一行感光器件(如图2.2左所示),换句话说,每次只能对物体的一条线进行成像,那么,这种扫描类型成为线扫描(line scan),这样的相机称为线阵相机。如果CCD芯片的感光区是个矩形阵面(如图2.2右所示),换句话说,每次能对物体进行整体成像,那么,这种扫描类型成为面扫描(line scan),这样的相机称为面阵相机。



    面阵相机的优点是价格便宜,处理方便,可以直接获得一幅完整的图像。线阵相机的优点是速度快,分辨率高,可以实现运动物体的连续检测,比如传送带上的滤波等带状物体(这种情况下,面阵相机很难检测);其缺点是需要拼接图像的后续处理。图2.3给出了线阵相机的一个成像实例,以帮助大家更好的理解线阵相机的成像过程。



    按照扫描方式不同,面阵相机还可以分为隔行扫描(Interlaced scan)和逐行扫描(Progressive Scan)。隔行扫描方式下一幅完整图像分两次显示,首先显示奇数场(1、3、5……),再显示偶数场(2、4、6……),如图2.4所示。



    隔行扫描相机的优点是价格便宜,但由于隔行扫描方式是先扫奇数场,再扫偶数场,所以隔行扫描相机在拍运动物体的时候容易出现锯齿状边缘或叠影。
    逐行扫描相机则没有上述的缺点,由于所有行同时曝光,不会分先后,所以在拍摄运动图像画面清晰,失真小。其余参数相似的情况下,逐行扫描相机要比隔行扫描相机贵。
    5.相机分辨率
    分辨率是影响图像效果的重要因素,我们一般用水平和垂直方向上所能显示的像素数来表示分辨率,例如640×480。该值越大图形文件所占用的磁盘空间也就越多,从而图像的细节表现得更充分。
    与分辨率联系非常紧密的参数是视场(Field of View)和特征分辨率。一般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390万像素,通常采用500万像素的相机为最佳 。
    特征分辨率(Feature Resolution),如图2.5所示。视场是指能拍摄到的范围,特征分辨率是指能分辨的实际物理尺寸。




    NI Vision Module中的图像算法要求,物体最小的特征需要两个像素来表示,根据视场和相机分辨率,我们可以计算出特征分辨率。计算特征分辨率的公式为: 特征分辨率 = 视场/分辨率 * 2
    例如:相机分辨率为640 x 480,横向的视场是60mm,那么在横向的特征分辨率为:60/640*2 = 0.1875 mm。
    6.相机的图像传输方式
    按照不同的图像传输方式,相机可以大略的分为模拟相机和数字相机。
    模拟相机(PCI采集卡)
    对速度,精度要求不高可选择 。优点:稳定,性价比高 缺点:帧率低,一般只能达到25帧—30帧 ,分辨率不高等。在高速、高精度机器视觉应用中,一般都会考虑数字相机。
    数字相机
    数字相机先把图像信号数字化后通过数字接口传到电脑中。常见的数字相机接口有Firewire、CameraLink、GigE和USB。
    (1)Firewire即IEEE1394,开始是为数字相机和PC连接设计的,它的特点是速度快(400Mbits/s),通过总线供电和支持热插拔。另外值得一提的是,如果PC上自带Firewire接口,那么不需要为相机额外购买一块图像采集卡了,这在成本上也是一种优势。优点:不占系统CPU,帧频高, 缺点:占PCI插槽,价格昂贵
    (2)CameraLink是一个工业高速串口数据连接标准,它是由National Instruments、摄像头供应商和其他图像采集公司在2000年10月联合推出的,它在一开始就对接线、数据格式、触发、相机控制等做了考虑,所以非常方便机器视觉应用。Camera Link的数据传输率可达1Gbits/s,可提供高速率、高分辨率和高数字化率,信噪比也大大改善。Camera Link的标准数据线长3米,最长可达10米。如果是高速或高分辨率的应用,CameraLink肯定是首选。需要接图像采集卡,成本较高。
    (3)GigE即千兆以太网接口,它综合了高速数据传输和远距离的特点,而且电缆便宜(网线)。
    (4)USB接口工业数字相机是采用了高速USB2.0 接口和大面阵CMOS图像传感器的高分辨率数字相机产品。此系列不需要额外的采集设备即可获得实时无压缩视频数据和对图像的捕捉。全面兼容MICROSOFT WINDOWS所有应用环境,适用于计算机图像采集的各种应用场合。现在USB3.0接口的工业相机也问世了,传输速度是USB2.0接口的5倍多。在医疗、科技和工业等光电技术应用方面称霸的德国NET相机就是USB3.0接口
    优点:不需要占PCI插槽,帧频高,性价比高 缺点:占系统CPU


    2、机器视觉光源
    机器视觉检测系统采用CCD照相机将被检测的目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,根据像素分布和亮度、颜色等信息,转变成数字化信号,图像处理系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,如面积、数量、位置、长度,再根据预设的允许度和其他条件输出结果,包括尺寸、角度、个数、合格 / 不合格、有 / 无等,实现自动识别功能。
    机器视觉的应用主要有检测和机器人视觉两个方面:
    1.检测:又可分为高精度视觉测量(例如显微照片的细胞分类、机械零部件的尺寸和位置测量)和不用量器的定性或半定量检测(例如产品的外观检查、装配线上的零部件识别定位、缺陷性检测与装配完全性检测)。
    2.机器人视觉:用于指引机器人在大范围内的操作和行动,如从料斗送出的杂乱工件堆中拣取工件并按一定的方位放在传输带或其他设备上(即料斗拣取问题)。至于小范围内的操作和行动,还需要借助于触觉传感技术。

    在机器视觉系统中,光源的作用至少有以下几种:
    1>.照亮目标,提高目标亮度;
    2>.形成最有利于图像处理的成像效果;
    3>.克服环境光干扰,保证图像的稳定性;
    4>.用作测量的工具或参照;
    由于没有通用的机器视觉照明设备,所以针对每个特定的应用实例,要设计相应的照明装置,以达到最佳效果。机器视觉系统的光源的价值也正在于此。
    图像的质量好坏,也就是看图像边缘是否的锐利,具体来说:
    1、将感兴趣部分和其他部分的灰度值差异加大
    2、尽量消隐不感兴趣部分
    3、提高信噪比,利于图像处理
    4、减少因材质、照射角度对成像的影响
    常用的有LED光源、卤素灯(光纤光源)、高频荧光灯。目前LED光源最常用,主要有如下几个特点:
    ·可制成各种形状、尺寸及各种照射角度;
    ·可根据需要制成各种颜色,并可以随时调节亮度;
    ·通过散热装置,散热效果更好,光亮度更稳定;
    ·使用寿命长;
    ·反应快捷,可在10微秒或更短的时间内达到最大亮度;
    ·电源带有外触发,可以通过计算机控制,起动速度快,可以用作频闪灯;
    ·运行成本低、寿命长的LED,会在综合成本和性能方面体现出更大的优势;
    ·可根据客户的需要,进行特殊设计。

    LED分类:
    机器视觉LED光源按形状通常可分为以下几类:
    1、环形光源
    环形光源提供不同照射角度、不同颜色组合,更能突出物体的三维信息;高密度LED阵列,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。应用领域: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
    2、背光源
    用高密度LED阵列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。应用领域: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,透明物体划痕检测等。
    3、条形光源
    条形光源是较大方形结构被测物的首选光源;颜色可根据需求搭配,自由组合;照射角度与安装随意可调。应用领域:金属表面检查,图像扫描,表面裂缝检测,LCD面板检测等。
    4、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。应用领域: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,芯片和硅晶片的破损检测,Mark点定位,包装条码识别。
    5、AOI专用光源
    不同角度的三色光照明,照射凸显焊锡三维信息;外加漫射板导光,减少反光;不同角度组合;应用领域:用于电路板焊锡检测。
    6、球积分光源
    具有积分效果的半球面内壁,均匀反射从底部360度发射出的光线,使整个图像的照度十分均匀。应用领域: 曲面,表面凹凸,弧形表面检测,或金属、玻璃表面反光较强的物体表面检测。
    7、线形光源
    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。应用领域: 线阵相机照明专用,AOI专用。
    8、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。应用领域: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。
    9、组合条形光源
    四边配置条形光,每边照明独立可控;可根据被测物要求调整所需照明角度,适用性广。应用案例:CB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,球形物体照明等。
    10、对位光源
    对位速度快;视场大;精度高;体积小,便于检测集成;亮度高,可选配辅助环形光源。应用领域:VA系列光源是全自动电路板印刷机对位的专用光源。

    3、常用光源选型
    AOI光源:
    该系统利用一组环表复合光源产生红\绿\蓝/白四色光,并以不同的角度照射受检的PCB板,图像传感器捕捉到PCB板的表面反射回来的这些色彩后产生一个包含三维信息的二维图像。
    ● 可以检测到PCB漏件、错件、偏斜、漏焊、极性误、多锡、无锡、桥接、焊锡球等缺陷。
    ● 可选配同轴落射光;集成5通道数字控制器,可通过串口实时控制各色光(同轴光)的亮度,各色光亮度256级可调。
    ● 可选配分离式18通道数字控制器,以形成多颜色、多角度的光源照。


    圆顶光源:
    LED高密度排列在圆形电路板上,平滑、均匀地照明在被测物体表面,该系列光源具有较大的光扩散面,能够全方位的均匀照射在被测物体,最适合于表面有起伏、光泽的被测物体,即使是弯曲的金属表面也能够被均匀的照射到。
    ● 检测反光、不平整表面;
    ● 检测IC表面字符;
    ● 检测电容器表面破损等;




    环形光源:
    LED阵列成圆锥状以斜角照射在被测物体表面,工作距离在10-15mm时,该光源可以突出显示被测物体边缘和高度的变化,突出原本难以看清的部分,是边缘检测、金属表面的刻字和损伤检测的理想选择
    ● 检测IC芯片上的印刷字符;
    ● 检测电路板上的元件;
    ● 检测塑料容器的底部;
    ● 检测标签;
    ● 检测液晶玻璃基板的标记;
    ● 检测板装药缺片和颗粒破损;
    ● 检测轴承表面损伤;




    特殊光源:
    超亮度LED阵列为四个独立的环形光,每路单独可控.由四种不同照明角度分别:10度 、15度 、20度、25度 所组成。该光源能够高亮度照射在被测物体上,检测被测物体的形状、大小。
    ● 检测钻头刀锋的形状、大小;




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