数字相机在控制中的应用

机器视觉在工业控制中是一项越来越有价值的技术，用于自动化质量检测、错误检测、参数测量和自动化装配。这些系统的关键组成部分，影响成本，速度和应用机器视觉的精度，是数码相机。了解相机规格及其在各种视觉任务中的重要性是将机器视觉应用于工业控制的重要一步。

机器视觉系统有三个主要元素:图像处理器、帧抓取器和相机。图像处理器是可编程的计算机元件，它与存储的图像一起工作以提取应用程序所需的任何信息。帧抓取器收集处理器需要访问的高分辨率图像。两者都是相对简单的电子设备，存储深度和处理速度是主要参数。

机器视觉系统的关键，也是最复杂的元素是摄像头。现在大多数系统采用数码相机，它使用电荷耦合器件(ccd)作为图像传感器。CCD由一组方形光敏元件组成，可将入射光子转换成电子并累积电荷。单元格被串联起来，形成行和列，每个单元格代表一个图片元素或像素。

在图像读出过程中，CCD中的控制线使单元将它们的电荷以一排或一列的方式转移到相邻的单元，以桶旅的方式移动累积的电荷。因此，从数码相机读取图像由许多重复的行和列传输组成，最终将单元格内容通过电荷传感器和数字化仪，以每次一个像素产生相机输出。

CCD图像传感器由光敏元件的矩形阵列组成。

分辨率与速度

数码相机的主要参数之一是它的分辨率，它有两个组成部分:CCD阵列中传感元件(像素)的数量，以及每个传感元件的大小。像素计数可以从几十万到数百万不等。每条边的元素大小通常从5到12ìm。

第二个关键参数是帧率，即相机传送连续图像的速度。因为行列读出限制了速度，所以相机的像素数和帧率是相互交织的:相机提供的像素越多，帧率就越慢。然而，这条规则并不是严格的。更精细的半导体工艺通常允许更快的移动速率，因此如果使用不同工艺制造的ccd，相同像素数的两台相机可能具有明显不同的帧速率。此外，相机传感器可以设计成将图像分成若干部分，以便通过多个端口同时读出。例如，将图像分成四个相等的部分，可以使图像读取速度提高四倍。在软件控制下，也可以只读出图像中“感兴趣的区域”，而不是整个传感器阵列，从而减少传输时间。

虽然分辨率和帧率是开发人员最常考虑的相机参数，但其他几个参数也值得研究。一个是动态范围，即每个像素的比特数。该参数影响帧抓取器所需的内存大小以及图像处理器所需的算术精度。它还对传感器的曝光纬度有影响。每像素有几个比特的相机将比提供更多比特的相机支持更多受限的照明条件。

传感器的灵敏度还决定了操作所需的照明条件。弱光或需要使用快速快门速度来消除与运动相关的图像模糊需要更灵敏的相机。相机依赖波长的灵敏度可能也很重要。根据应用，红外，紫外线，甚至x射线照明可能需要，相机的波长灵敏度应该匹配。最后，相机产生彩色或单色图像的能力也很重要。

这些不同的参数相互作用决定了相机的成本。一般来说，像素数越大的相机价格就越贵。同样，在给定的分辨率下，更快的帧率也会提高相机的成本。试图同时实现高帧率和高分辨率通常需要具有多端口读数的摄像机，这增加了成本和复杂性。

将图像区域分割成可以同时读取的部分，可以实现更快的帧速率。

不同的视觉需求

对于给定的应用，正确的相机参数集取决于机器视觉系统试图实现的目标。三种常见的应用是视觉检查、非接触式测量和物体的识别和定位。每个人都有不同的视觉要求。

检查系统通常采用图像，并将其与模板或“已知良好”图像进行比较，以识别变化。在这里，图像处理器通常需要高质量的图像来进行可靠的比较。这意味着相机必须提供高分辨率和多比特每像素。还可能需要颜色能力

非接触式测量系统拍摄物体的照片，然后计算物体占用的像素数，并将其转换为维度值。在这样的系统中可能需要高分辨率，但每像素位可能不需要那么高。通常，图像处理器只从图像中提取边缘或轮廓，因此通常不需要宽动态范围和颜色。

对象识别和方向应用程序有不同的需求。在许多情况下，图像处理系统寻求识别图像中称为基准的参考标记。所需的分辨率取决于这些标记相对于整体图像大小的大小。识别应用程序也可能需要颜色功能。

匹配应用程序

相机与应用程序的匹配取决于性能和功能。例如，在检测应用中，要检测的图像区域和要检测的缺陷大小决定了摄像机的分辨率要求。在大物体中寻找小缺陷需要高分辨率。其中一个用于快速检查高清等离子电视玻璃面板的系统，可以在2.5米宽的面板上寻找小到5ìm的缺陷。这个系统需要12个1100万像素的相机才能在一帧内拍摄整张纸!另一方面，用于检查瓶盖螺纹的系统的分辨率要低得多，因为必须有更大的缺陷才能破坏瓶子。

测量系统同样取决于所涉及物体的大小和建立分辨率要求所需的精度。在一个10毫米长的机器上测量线程的系统(精度为1ìm)需要一行至少有10k像素的图像。然而，如果以毫米精度测量长度，则可以容忍低得多的分辨率。

根据匹配模板的性质，识别系统需求可能有很大差异。一个用于验证装入瓶中的药丸是正确类型的系统(制药中的安全特性)可能需要以相当低的分辨率识别一般形状、端盖颜色和可见标记。另一方面，自动组装电路板的系统可能需要非常高的分辨率。该系统需要高精度地测量装配架上板上基准标记的位置，以控制元件放置臂的运动。

帧速率集吞吐量

在所有这些系统中，相机帧率决定了系统吞吐量。帧速率越高，系统在给定时间内可以完成的检查、测量或识别就越多。由于产量会影响制造成本，所以倾向于选择可用的最快的相机。

然而，摄像头并不是唯一需要考虑的系统元素。帧抓取器和图像处理器的速度也可能产生限制。例如，如果图像处理要求很复杂，一个简单的嵌入式处理器可能无法像相机提供帧一样快地完成它们。因此，高吞吐量增加了相机和其他系统的成本。

同样，分辨率要求影响的成本超出了相机的范围。更大的图像区域和更精细的细节所需要的光学设备更昂贵。此外，由于需要更好的图像，光学设计变得更加关键。杂散光在错误的地方很容易影响系统的准确性。

因此，分辨率和帧率会对系统成本产生复合影响，因此必须仔细评估机器视觉系统在制造业中的效益。及早发现错误可以节省浪费的精力和材料，但这种节省必须抵消视觉系统所需的实际吞吐量的成本。开发人员将需要确定视觉系统性能、系统吞吐量和成本节约之间的权衡，以达到他们的机器视觉系统的正确组合。

不幸的是，对于许多安装来说，机器视觉分辨率和吞吐量要求可能会随着时间的推移而变化。例如，改变产品尺寸或生产线重新配置可能会迫使更换机器视觉摄像机，如果它们不能满足新的要求。避免这种替换的一种方法是首先使用可编程摄像头。可编程相机允许用户在软件控制下改变有效分辨率和帧率，这样它们就可以与应用程序相匹配，而不需要更换设备。

性能参数与系统成本的相互作用使得用于控制应用的摄像机的评估成为一项具有挑战性的工作。可编程摄像机可以通过增加解决方案的灵活性来帮助解决问题，但它们不能替代声音工程。开发人员需要详细了解应用需求，以及机器视觉系统将提供的好处，以确定相机参数的最佳组合。

作者信息

佩特科·迪涅夫是Imperx公司的总裁，

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。