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機器視覺應用的攝像頭設計

2013-10-16  發布者:admin 

本文將探討機器視覺應用的 CMOS 圖像感應器技術及架構要求。此外,還將詳細分析機器視覺的基本組件,攝像頭為滿足應用需求需要哪些條件,以及如何設計出可滿足各種機器視覺應用需求、同時又能在圖像質量與成本之間獲得平衡的攝像頭

總體上說,機器視覺就是讓電子光學係統(攝像頭)連接至如計算機等處理單元,以進行圖像處理並對相關係統實現控製。換言之,機器視覺係統就是指能夠看到目標對象的係統或計算機。受計算機控製的係統可包括生產單元、產品質量控製以及抓放設備等。

機器視覺要求什麽?

機器視覺係統應當包括圖像感應器與透鏡係統,這通常整體稱作攝像係統,可需要通過火線、USB或以太網等電氣接口連接到計算機,而計算機則連接至控製設備。

a) 攝像頭
b) 計算機(主機)
c) 幀接收器
d) 應用軟件

 

                         
機器視覺應用需要結合軟、硬件才能確保成功工作。選擇適當的硬件固然重要,但視覺檢查軟件則形成了所有機器視覺係統的核心。通常由像素時鍾驅動的感應器將由用戶通過SPI 或 I2C 接口設置寄存器來配置分辨率、工作速度、增益控製、曝光時間以及集成時間。感應器可輸出幀同步和線路同步脈衝以及待處理的數字數據。感應器的電氣接口為CMOS,可支持高達 200 MHz 的頻率。如果速度更高,則需要 LVDS 接口來實現信號完整性。

機器視覺攝像頭的典型係統架構為:

1 離線處理功能的攝像頭

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機器視覺係統的上述配置中,包含獨立的攝像頭,它采用業界標準的電氣接口,如火線、USB 或千兆以太網等。可單獨對攝像頭供電,並可通過電氣接口將原始數據傳送至主機。視頻傳輸既可以是連續幀,也可以是單幀數據,具體取決於應用的需要。單幀捕獲與視頻傳輸被稱作觸發模式,需要外部係統通常以 CMOS 級向攝像頭係統發送電子脈衝。攝像頭邏輯將啟動一個幀集成,並通過電氣接口將掃描的數據發送至主機。在某些情況下,原始數據通過總線與同步信號、時鍾和數據一起發送給幀接收器等終端數據采集係統。幀接收器在存儲器中存儲數據,隨後可由主機應用軟件對數據進行存取以處理和控製。


攝像頭連接到主機的電氣接口包括:

1 火線 IEEE 1394 接口
2 USB 接口
3 自動化圖像協會定義的千兆以太網視覺接口 (GigE Vision interface)
4 合成模擬視頻接口
5 LVDS

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離線處理的一大優勢在於,單靠一個主機就能滿足攝像頭操控與係統控製兩者之需。不過,由於視頻數據從攝像頭每幀傳輸存在一定的延遲,因此這種處理方式不適用於實時處理的應用,比如器件生產過程中傳送帶上的產品檢查。

2 在線處理功能的攝像頭

近期,DSP 處理器發展非常快,已經具備實時執行複雜算法的計算功能,因此也使得攝像頭的在線處理成為可能。此類攝像頭包括感應器與 DSP 處理器,二者可通過非粘接邏輯、也可通過某種粘接邏輯連接。DMA 將感應器掃描的視頻直接發送至 DSP 存儲器,並進行逐幀處理。控製函數的最終結果由處理器在被控製的係統中直接啟動,或在主機上作為命令啟動。

攝像頭中進行視頻處理的優勢在於,數據處理可實時進行,而且在火線、USB 或千兆以太網接口上沒有分組處理的負擔。AG亚游集团可采用字節優化型匯編代碼,在時鍾頻率超過 300 MHz 的 DSP 處理器上加快實時處理速度。

圖像算法的實時處理對檢查應用至關重要,例如,能夠檢查出傳送帶上移動過快的的器件。一個幀圖像的計算完成並采取相應行動後,才可以繼續向係統傳輸下一個圖像幀。
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至關重要的規範:

對於機器視覺係統來說,圖像質量是直接影響最終圖像處理結果的關鍵因素。特別是在自然光照條件下,圖像質量隨著光源條件的變化會有明顯的不同。對諸如“增益”和“曝光時間”等攝像頭設置作出相應調解可對不穩定的環境光情況作出補償,從而提高圖像質量。

根據最終應用的情況和感應器與掃描對象的距離,光源可由單獨的設備提供,也可以是攝像頭透鏡周邊的一部分。如果光源在攝像頭周邊,那麽攝像頭可與光源一起移動。常用的光源包括鹵素燈泡、熒光燈泡以及發光二極管 (LED) 等。

影響圖像質量的因素包括:

1 光照強度
2 光照方向
3 目標距離
4 焦距
5 采樣率
6 曝光時間和增益
7 暗漏電流
8 分辨率(像素數量)
透鏡的選擇與要求:

高質量透鏡與感應器質量同等重要。攝像頭是一種電子光學係統,需要光學元件和電子元件協作生成圖像。圖像模糊問題通常是由透鏡選擇不當造成的。最佳透鏡尺寸和形狀取決於焦距,不過對較小的對象距離來說,一般使用C 座透鏡。如果攝像頭需要在高反射環境條件下工作,那麽最好選用抗反射膜透鏡。整體攝像頭的視野覆蓋麵取決於所需視野的區域、工作距離和透鏡。

透鏡設計/選擇的另一關鍵參數就是最終對象分辨率(單位為毫米或密耳,即千分之一英寸)。

如果攝像頭用於測量生產環境下的對象尺寸,需考慮以下幾個重要參數:

1 視野
2 感應器分辨率(像素數量)
3 圖像質量
4 視覺工具精確度

例如,如果采用 IBIS5-1300 感應器(130 萬像素,分辨率為1280(h) X 1024 (v)),工具的精確度為十分之一像素,那麽 5 英寸寬、4 英寸高的對象在6英寸 FOV 水平方向上精確度可達到 0.0004 英寸。

分辨率:根據視野和最終掃描對象的圖像粒度,一般使用 VGA 到百萬像素陣列標準。

靈敏度:單色或彩色:大多數檢查應用可采用單色感應器生成灰度級。典型的應用包括條形碼閱讀器、指紋掃描儀、製造設備的尺寸測量等。

如果質量和生產控製中需要掌握對象的色彩信息,則使用彩色感應器,如辣椒或蘋果的分級和分類等。感應器的24位彩色數據可捕獲 1740 萬種不同的色彩。

感應器的參數和選擇:

機器視覺應用而言,感應器和攝像頭需要支持多種不同的分辨率和幀速率。如果感應器支持可編程特性,那麽就能針對各種機器視覺應用增加更多通用攝像頭設計。通常支持的特性包括:

* 窗口和分辨率選擇
* 用戶可對高幀速率進行編程
* 標準電氣 CMOS 接口
* 低感應器暗漏電流
* 寬動態範圍

必須在工業操作環境內確保可靠性和感應器性能。設備應當是工業級的,通常在 0 至 80 攝氏度之間操作。

應用:

* 引導:采用機器人抓放技術的設備係統
* 檢查:紋理、表麵、商標、組裝
* 測量:產品部件的物理尺寸、組裝部件尺寸
* 識別:抓放設備、機器人技術、讀取字符、讀取代碼



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