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貨真價實 坦誠無欺
新聞資訊

工業相機在國內機器視覺市場的發展

2013-10-16  發布者:admin 

工業相機(Industrial Camera)也稱作“機器視覺相機”,是機器視覺係統中的一個關鍵組件,其最基礎功能就是將光信號轉變成為有序的電信號。相比於傳統的民用相機(攝像機)而言,它具有高的圖像穩定性、高傳輸能力和高抗幹擾能力等,“工業相機”一詞或許不是很準確,因為這些相機還同時被應用在醫療、科研和安保等領域。 

SONY工業相機 

數字工業相機安裝在機器流水線上代替人眼來做測量和判斷,通過數字圖像攝取目標轉換成圖像信號,傳送給專用的圖像處理係統,圖像係統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征,進而根據判別的結果來控製現場的設備動作。廣泛應用於飲料、製藥、電子製造、包裝、汽車製造等行業。

工業相機由兩大基本部件組成:圖像感光芯片和數字化的數據接口。 圖像感光芯片由數十萬至數百萬個像素組成。 像素把光線的強度轉換為電壓輸出。 這些像素的電壓被以灰度值的形式輸出,所有像素放在一起就形成了圖像,發送給計算機。 數據接口主要有USB 2.0、1394和千兆以太網三種。 一般工業相機都提供640x480像素的分辨率和30fps的幀速率。

CCD是60年代末期由貝爾試驗室發明。開始作為一種新型的PC存儲電路,很快CCD具有許多其他潛在的應用,包括信號和圖像(矽的光敏性)處理。

CCD 是在薄的矽晶片上處理一係列不同的功能,在每一個矽晶片上分布幾個相同的IC等可產生功能的元件,被選擇的IC從矽晶片上切下包裝在載體裏用在係統上。

目前市麵上工業相機大多是基於CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的相機。 

CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取於一體,是典型的固體成像器件。CCD的突出特點是以電荷作為信號,而不同於其它器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉換形成電荷包,而後在驅動脈衝的作用下轉移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步信號發生器、垂直驅動器、模擬/數字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器件,與真空管相比,具有無灼傷、無滯後、低電壓工作、低功耗等優點。

CMOS圖像傳感器的開發最早出現在20世紀70 年代初,90 年代初期,隨著超大規模集成電路 (VLSI) 製造工藝技術的發展,CMOS圖像傳感器得到迅速發展。

CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控製器集成在一塊芯片上,還具有局部像素的編程隨機訪問的優點。目前,CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態範圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應用。

總結下來,CCD工業相機的主要類型:

一、麵陣CCD:

允許拍攝者在任何快門速度下一次曝光拍攝移動物體。

二、線陣CCD:

用一排像素掃描過圖片,做三次曝光——分別對應於紅、綠、藍 三色濾鏡,正如名稱所表示的,線性傳感器是捕捉一維圖像。初期應用於廣告界拍攝靜態圖像,線性陣列,處理高分辨率的圖像時,受局限於非移動的連續光照的物體。

三、三線傳感器CCD:

在三線傳感器中,三排並行的像素分別覆蓋RGB濾鏡,當捕捉彩色圖片時,完整的彩色圖片由多排的像素來組合成。三線CCD傳感器多用於高端數碼相機,以產生高的分辨率和光譜色階。

四、交織傳輸CCD:

這種傳感器利用單獨的陣列攝取圖像和電量轉化,允許在拍攝下一圖像時在讀取當前圖像。交織傳輸CCD通常用於低端數碼相機、攝像機和拍攝動畫的廣播拍攝機。

五、全幅麵CCD:

此種CCD具有更多電量處理能力,更好動態範圍,低噪音和傳輸光學分辨率,全幅麵CCD允許即時拍攝全彩圖片。全幅麵CCD由並行浮點寄存器、串行浮點寄存器和信號輸出放大器組成。全幅麵CCD曝光是由機械快門或閘門控製去保存圖像,並行寄存器用於測光和讀取測光值。圖像投攝到作投影幕的並行陣列上。此元件接收圖像信息並把它分成離散的由數目決定量化的元素。這些信息流就會由並行寄存器流向串行寄存器。此過程反複執行,直到所有的信息傳輸完畢。接著,係統進行精確的圖像重組。

工業相機(Industrial Camera)與普通相機(DSC)的區別:

1、工業相機的快門時間非常短,可以抓拍快速運動的物體:例如,把名片貼在電風扇扇葉上,以最大速度旋轉,然後用工業相機抓拍一張圖像,仍能夠清晰辨別名片上的字體。用一般的相機來拍攝,是不可能達到這樣效果的。

2、工業相機的圖像傳感器是逐行掃描的,而一般攝像機的圖像傳感器是隔行掃描的,甚至是隔三行掃描的。逐行掃描的圖像傳感器生產比較困難,成品率低,出貨量也少,世界上隻有少數幾個公司能夠提供這類產品,例如Dalsa、Sony,而且價格昂貴。百萬級逐行掃描ccd的價格,從人民幣4000元到3萬元不等,其中的技術參數繁多,隻有采用逐行掃描的圖像傳感器,才有可能清晰抓拍快速運動物體。

3、工業相機的拍攝速度遠遠高於一般相機:工業相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片,而一般相機隻能拍攝2-3幅圖像,相差太多了。

4、工業相機輸出的是裸數據(raw data),其光譜範圍也往往比較寬,比較適合進行高質量的圖像處理算法,例如機器視覺(Machine Vision)應用。而一般的相機(DSC)拍攝的圖片,其光譜範圍隻適合人眼視覺,並且經過了mjpeg壓縮,圖像質量較差。

數碼相機曝光的整個流程:

1. 機械快門打開,CCD曝光

2. 在CCD內部光信號轉為電信號

3. 快門關閉,阻塞光線。

4. 電量傳送到CCD輸出口轉化為信號。

5. 信號被數字化,數字資料輸入內存。

6. 圖像資料被進行處理,顯示在LCD或電腦上。

 

麵陣數碼相機如何解決彩色圖像的曝光? 

1.三塊CCD同時曝光的方法 

第一種方法是采取了三塊CCD芯片同時曝光的方法,它可以在一次曝光拍攝的同時,捕捉到所有的彩色信息。當光線通過鏡頭射向CCD表麵的時候,由一個特製的棱鏡式分光鏡,將影像的成像光速成分射到三個不同的CCD平麵。每一個CCD隻記錄紅綠藍色光中一種色光的彩色信息,並且隻再現一種色彩,然後通過軟件的對準處理,合成為一幅完整的全彩色畫麵。 
 由於人類的眼睛對於光譜綠色波段的光色最為敏感,有些數碼相機在安排濾色片的時候使用兩排綠濾色片來記錄綠光信息,而使用第三排紅色和藍色的馬賽克濾色片來分別記錄紅光和藍光的信息。由於紅色和藍色信息存在間隙,這裏需要由計算機采取的插值計算方法來增加附加它的彩色信息。

 

2、單一芯片三次曝光的拍攝方式 

麵陣排列數碼相機捕捉彩色信息的第二種方法是“單一芯片三次曝光的拍攝方式”。采取這樣的方法時,數碼相機鏡頭的前方需要安裝一個濾色片轉輪,拍照時必須通過轉輪中的紅綠藍三塊濾色片,分別做三次單獨的曝光,分別記錄下紅綠藍光的彩色信息。最後照相機的軟件將三次曝光的影像信息結合在一起,構成為全彩色的影像。
 使用這樣的方法時,由於是用三次曝光來記錄彩色信息,顯然,攝影者使用這樣一台麵陣的數碼相機,就隻能局限於拍攝靜態物體。此外,由於三次拍攝條件可能出現的差異,很可能產生數碼相機的軟件不能適當重新組合影像的問題。特別是曝光過程中,光源發生的波動也都會改變影像的彩色平衡。三次曝光的數碼相機可以用來拍攝動態的單色影像(包括黑白照片),這是因為在濾色片轉輪上,除了三塊紅綠藍濾色之外,還有一塊透明的濾色片,它是用來黑白影像做單次曝光拍攝時使用的。由於隻需要一次曝光,因而它可以拍攝動態物體。 
 

3、單芯片一次曝光的拍攝方式 

第三種方式是“單芯片一次曝光的拍攝方式”。在這一方式中,每一單個的像素都以兩種方式覆蓋著不同的紅,綠,藍色濾色片,一種是條紋覆蓋法,另一種是馬賽馬克圖案交錯覆蓋法。有些芯片上的綠濾色片多於紅色和藍色濾色片,這是因為需要去適應人眼視覺在可見光譜中對綠色更為敏感的特點。這樣,較多地使用綠色濾色片可以改善影像的分辨率。 

每一個感光的像素隻能捕獲一種彩色,它需要從相鄰的像素那裏獲得更多的彩色信息,這是采取插值的計算方法實現的。如果不正確的彩色信息被賦值於像素之中,那麽插值的效果也會出現問題,這通常在高反差影像的邊緣部分表現得最為明顯,比如黑色的文字,常常會出現彩色的鑲邊。

 

CCD在圖像運作的三大角色:

1.曝光,通過離散的像素將光信號變為電信號。

當入射光以光子的形式落在像素陣列上時,就獲得一個圖像。每一個光子相對應的能量被矽吸收就發生反應產生一個(電子孔)電量組,每一個像素所能收集到的電子數,線性地取決於光亮的程度和曝光的時間,非線性的取決於波長。

 

2.電量轉移,在CCD內部進行電量轉移。

一旦電量被集中並保持在像素的結構中,就一定會使在物理上與像素分離的偵測放大器得到電量,當一個像素的電量移動時,同時相對應的像素的電量都會移動。電量對電壓的轉換並輸出放大。

機器視覺進駐中國市場時間較晚,盡管近幾年來,機器視覺係統在我國得到了穩步的發展,但是相較於國外的產品,還是存在一定差距的。工業相機是機器視覺係統的核心組成部分,隨著機器視覺係統的發展,不管從技術上,還是在市場上,也得到了一定的進步。那麽在未來的發展過程中,什麽樣的工業相機更適合中國機器視覺市場呢?

一、價格方麵 在國內,目前機器視覺的主要應用大部分還是聚集在大規模的自動化生產領域,而一般情況下,這些領域對於成本是非常敏感的,資金投入方麵還存在一定的局限性。現在的工業相機市場,從國外購進,價格隻增不減;國內自行生產,因為技術的不斷升級,成本不斷增加,價格也出現了相應的升高。因此,在未來的發展過程中,國內機器視覺市場需要的是低成本的工業相機。

二、質量方麵 價格是前提的話,質量就是基礎,中國想要趕超國際水平,就萬萬不能在質量上出現問題。未來需要更自動化、智能化的工業相機來適應機器視覺市場發展的需要,那麽想要打造質量過硬的產品,AG亚游集团應該從哪些方麵入手呢?首先,我國要擁有核心技術,當然,目前來說,這個過程還是很漫長的,我國與世界頂級水平的差距不是短時間就可以拉平的。其次,不斷研發創新,這是促進我國科技水平進步的基本保障,為了能夠滿足不斷發展的市場需求。最後,很好的加工製造能力,這一點對於中國來說,還是比較占用優勢的,中國的製造能力在世界上都是被認同的,但是,中國想要發展,就不應隻是局限在中國製造的階段,而應逐步走上中國創造的舞台。穩定可靠的質量,是未來發展中,工業相機所需要具備的特性。 綜上所述,在我國大步趕超國際先進水平這段過程中,高性價比的工業相機是更適合中國機器視覺市場。



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