工業相機的選擇方法

信號
　　工業相機的信號類型有模擬信號和數字信號兩種。模擬相機必須有圖像採集卡，標準的模擬相機分辨率很低，採集到的是模擬信號，經數字採集卡轉換爲數字信號進行傳輸存儲。工業數字相機採集到的是數字信號，數字信號不受電噪聲影響，因此，數字相機的動態範圍更高，能夠向計算機傳輸更精確的信號。

　　分辨率
　　根據具體需求來選擇相機分辨率的大小，如果一個像素對應一個缺陷的話，那麼這樣的系統一定會極不穩定，所以我們爲了提高系統的精準度和穩定性，最好取缺陷的面積在3到4個像素以上，這樣我們選擇的相機也就在130萬乘3以上，即最低不能少於300萬像素。【需要選擇合適的分辨率，根據系統的需求來選擇相機分辨率的大小，通常系統的像素精度等於視場（長或寬）除以相機分辨率（長或寬）。如視場爲10mm×7.5mm，使用130萬像素的相機，則相機分辨率爲1280×960Pixel，則像素精度爲10mm÷1280Pixel=0.0078mm/Pixel；下面以一個應用案例來分析。 假設檢測一個物體的表面劃痕，要求拍攝的物體大小爲10*8mm,要求的檢測精度是0.01mm。首先假設我們要拍攝的視野範圍在12*10mm,那麼相機的最低分辨率應該選擇在：(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,約爲120萬像素的相機，也就是說一個像素對應一個檢測的缺陷的話，那麼最低分辨率必須不少於120萬像素，但市面上常見的是130萬像素的相機，因此一般而言是選用130萬像素的相機。但實際問題是，如果一個像素對應一個缺陷的話，那麼這樣的系統一定會極不穩定，因爲隨便的一個干擾像素點都可能被誤認爲缺陷，所以我們爲了提高系統的精準度和穩定性，最好取缺陷的面積在3到4個像素以上，這樣我們選擇的相機也就在130萬乘3以上，即最低不能少於300萬像素，通常採用300萬像素的相機爲最佳 。】

　　芯片
　　工業相機從芯片上分，有CCD和CMOS兩種。如果要求拍攝的物體是運動的，要處理的對象也是實時運動的物體，那麼當然選擇CCD芯片的相機爲最適宜。

　　色彩
　　如果我們要處理的是與圖像顏色有關，那當然是採用彩色相機，否則建議你用黑白的，因爲黑白的同樣分辨率的相機，精度比彩色高。

　　幀率
　　根據要檢測的速度，選擇相機的幀率一定要大於或等於檢測速度，等於的情況就是你處理圖像的時間一定要快，一定要在相機的曝光和傳輸的時間內完成。

　　除了工業相機的功能之外，還要考慮到使用的具體情況以及相機的價格。生產廠家等。外部因素和內部條件相互結合才能選擇出最合適的工業相機。

*******************************************************************************************************************************

 關於線陣相機、鏡頭、光源的選型，歡迎來電探討線掃描系統的搭建與選型

     隨着機器視覺的大規模普及與工業流水線速度、精度的提高，線掃描系統越來越被視覺工程師和最終用戶所認可。　　

首先，我對線掃描系統做一個大致的介紹。線掃描系統用於被測物體和相機之間有相對運動的場合，通過線掃描相機高速採集，每次採集完一條線後正好運動到下一個單位長度，繼續下一條線的採集，這樣一段時間下來就拼成了一張二維的圖片，也就類似於面陣相機採集到的圖片，不同之處是高度可以無限長。接下來通過軟件把這幅“無限長”的圖片截成一定高度的圖片，進行實時處理或放入緩存稍後進行處理。

 

 

 

 

視覺部分，包括線掃描相機，鏡頭，光源，圖象採集卡和視覺軟件；　　

運動控制部分，包括馬達, 馬達驅動器, 運動控制卡或PLC，爲了保證採集的圖象與輸送帶同步，有時還會需要編碼器。　　

由於線掃描信息量大，所以需要一臺高性能的工控機，配置大容量的內存和硬盤，主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽。　　

　 　

　 　

一般來說，一個面陣視覺系統的配置選型是按照這樣的順序進行的。：　　

　　　　　　　　　　　相機＋採集卡－>鏡頭－>光源　　

線陣項目也類似，根據系統的檢測精度和速度要求，確定線陣CCD相機分辨率和行掃描速度，同時確定對應的採集卡，只是需要選線陣相機鏡頭接口(mount)時同時考慮鏡頭的選型，最後確定光源的選型。

線陣攝像機(線陣工業相機）的選型　　

計算分辯率:幅寬除以最小檢測精度得出每行需要的像素
選定相機:幅寬除以像素數得出實際檢測精度
每秒運動速度長度除以精度得出每秒掃描行數
根據以上數值選定相機

如幅寬爲1600毫米、精度1毫米、運動速度22000mm/s
相機：1600/1＝1600像素
最少2000像素，選定爲2k相機
1600/2048＝0.8實際精度
22000mm/0.8mm＝27.5KHz【除以實際精度！】
應選定相機爲2048像素28kHz相機

線陣鏡頭的選型　　

爲什麼在選相機時要考慮鏡頭的選型呢？常見的線陣相機分辨率目前有1K,2K,4K,6K,7K,8K,12K幾種，象素大小有５um,7um,10um,14um幾種，這樣芯片的大小從　10.240mm　(1Kx10um) 到　86.016mm　(12Kx7um)不等。很顯然，Ｃ接口遠遠不能滿足要求，因爲Ｃ接口最大隻能接　22 mm　的芯片，也就是1.3inch。而很多相機的接口爲Ｆ，Ｍ42X1，M72X0.75等，不同的鏡頭接口對應不同的後背焦(Flange distance)，也就決定了鏡頭的工作距離不一樣。　　

　 

光學放大倍率(β,Magnification)　　

確定了相機分辨率和像素大小，就可以計算出芯片尺寸（Sensor size）；芯片尺寸除以視野範圍(FOV)就等於光學放大倍率。β=CCD/FOV　　

　 　

接口(Mount)：　　

主要有C、M42x1 、F、T2、Leica、M72x0.75等幾種，確定了之後，就可知道對應接口的長度。               　　

　 　

後背焦(Flange Distance)　　

後背焦指相機接口平面到芯片的距離，是一個非常重要的參數，由相機廠家根據自己的光路設計確定。不同廠家的相機，哪怕是接口一樣，也可能有不同的後背焦。　　

　 　

有了光學放大倍率、接口、後背焦，就能計算出工作距離和節圈長度。選好這些之後，還有一個重要的環節，就是看MTF值是否足夠好？很多視覺工程師不瞭解MTF,而對高端鏡頭來說就必須用MTF來衡量光學品質。MTF涵蓋了對比度、分辨率、空間頻率、色差等相當豐富的信息，並且非常詳細地表達了鏡頭中心和邊緣各處的光學質量。不僅只是工作距離、視野範圍滿足要求，邊緣的對比度不夠好，也要重新考慮是否選擇更高分辨率的鏡頭。　　

　 　

（下圖爲一個典型的MTF表格，橫座標爲像高，也就是到圖像中心的距離除以圖像半徑的百分比；縱座標爲圖像對比度。共有三組曲線，依次爲三種不同分辨率的情況下的對比度，每一組又有實線和虛線，實線爲半徑方向的對比度，虛線爲切線方向的對比度）　　

 

線掃描線陣光源的選型 　

　 　

線掃描項目中，常用的光源有LED光源、鹵素燈（光纖光源）、高頻熒光燈。　　

　 　

鹵素燈也叫光纖光源，特點是亮度特別高，但缺點也很明顯--壽命短，只有1000-2000小時左右，需要經常更換燈泡。發光源是鹵素燈泡，通過一個專門的光學透鏡和分光系統，最後通過光纖輸出，光源功率很大，可高達250瓦。鹵素燈還有一個名字叫冷光源，因爲通過光纖傳輸之後，出光的這一頭是不熱的且色溫穩定，適合用於對環境溫度比較敏感的場合，比如二次元量測儀的照明。用於線掃描的鹵素燈，常常在出光口加上玻璃聚光鏡頭，進一步聚焦提高光源亮度。對於較長的線光源，還用幾組鹵素光源同時爲一根光纖提供照明。　　

　 　

高頻熒光燈，發光原理和日光燈類似，只是燈管是工業級產品，特點是適合大面積照明，亮度較高，

 

成本低，但熒光燈最大的缺點是有閃爍、衰減速度快。熒光燈一定需要高頻電源，也就是光源閃爍的頻率遠高於相機採集圖象的頻率（對線掃描相機來說就是行掃描頻率），消除圖像的閃爍。專用的高頻電源可做到60KHz。　　

　 　

LED光源是目前主流的機器視覺光源。特點是壽命長，穩定性好，功耗非常小。　　

1，直流供電，無頻閃。
2，專業的LED光源壽命非常長。（如美國AI的壽命50000小時亮度不小於50%）　　

3，亮度也非常高，接近鹵素燈的亮度，並且隨着LED工藝的改善不斷提高。（目前美國AI線光源亮度高達90000LUX）　　

3，可以靈活地設計成不同結構的線光源，如直射、帶聚光透鏡、背光、同軸以及類似於碗狀的漫反射線光源。　　

4，有多種顏色可選，包括紅、綠、藍、白，還有紅外、紫外。針對不同被測物體的表面特徵和材質，選用不同顏色也就是不同波長的光源，獲得更佳的圖像。　　

　 　

　 　

線掃描相機、光源與被測物體之間的角度分析                                    　　

　 　

以玻璃檢測爲例，需要檢測的缺陷有：髒點、結石、雜質、氣泡、刮傷，裂紋，破損等，其大致可以分成兩類，一類在玻璃表面的，一類是玻璃內部的。不同的缺陷，在圖象中表現的出的灰度不一樣，有黑的，有白的，也有灰的，並且在不同的光源照射角度或者相機接受角度，缺陷的對比度會變化，如在一個角度時，某一種缺陷的對比度最好，但其他缺陷可能比較次，甚至根本看不到。這樣也就需要大量的分析、組合，才能確定最後的光源選型和相機、光源和被測物體之間的相對角度。如下圖所示，相機、光源在不同角度安裝，分別測試。　　

　 　

 

結果發現：　　

髒點，正面光源或背光都較容易凸現；　　

結石和雜質，需要正面接近法線的照明或背面穿透照明；　　

氣泡，形狀不固定，且要分析形成的原因以及方向，採用背面照明；　　

刮傷和破損，正面低角度照明容易凸現。　　

裂紋，需要背面側照　　　 　

而且，以上缺陷並不是獨立的，而是互相影響。統計、分析如下。　　

綜合以上因素，最後選用背光斜射和正面照射結合，相機接近法線方向安裝。　　 　

光源、鏡頭的調試　　　

線掃描系統，對光源和相機來說，有效的工作區域都是一個窄條。也就是保證光源照在這個最亮的窄條與相機芯片要完全平行，否則只能拍到相交叉的一個亮點。所以機械安裝、調試是比較費工夫的。同時由於幅寬比較寬，對於線光源有兩個特別的要求，就是均勻性和直線性。因爲線光源不同位置的亮暗差異，會直接影響圖象的亮度高低，這一點LED比鹵素燈更好控制。出光部分的直線性，取決於LED發光角度的一致性、聚光透鏡的直線性以及線光源外殼的直線性。      　　 　

由於現場環境比較複雜，客戶總是希望花多一些時間去現場調試。但如我們前面講到的相機、光源、被測物體的相對角度測試、分析，許多因素會直接影響到檢測效果。所以我們建議先做實驗室測試，有了方案之後，再去現場調試，這樣會最有把握，也能提高調試效率。畢竟服務也是一種成本。　　

 線掃描系統除了機械結構之外, 其主要組成部分還包括機器視覺和運動控制。

如何選擇高速抓拍工業相機

艾菲特光電技術有限公司（AFTVision）是一家專業的光學、視覺照明、機電產品研究、設計、開發、推廣的高科技企業。我們有着豐富的專業團隊 進行光學、光機系統設計，新產品開發和測試，可根據客戶要求的工程需求設計、製作樣品和安排批量生產，我們的品質管理團隊保證最好的產品質量。

高速抓拍是工業相機優異於普通民用相機的表現之一，也是其一種重要的應用。工業相機作爲機器視覺系統的核心組件，在行業應用中的地位是無可替代。而 根據不同的行業應用，我們要選用不同類型的工業相機才能保證機器視覺系統發揮最大的功能優勢。選擇一個合適的高速抓拍相機應該從哪些方面入手：

一、精度滿足要求

此要求的篩選跟高速抓拍無關，跟普通工業相機選型類似，在此不作贅述。

二、確定色彩要求

要拍攝物體的顏色特徵，就必須用顏色還原性比較好的相機，例如高質量的CCD或者3CCD相機，與顏色無關的項目一般情況下采用黑白相機，但也不是完全如此，有些要檢測的特徵可能在彩色圖片裏能夠更好地顯現，此時也可能考慮使用彩色相機。

三、曝光時間，如何拍攝運動的物體

此部分爲討論重點。拍攝運動物體的時候，需要克服的最重要的問題是拖影，拖影是在曝光的時候，拍攝目標與攝像系統之間存在相對運動形成的，因爲這種 相對運動導致芯片上形成的圖像一直在變化，各個部位的像元在曝光的過程中受到來自物體不同位置成像的影響，最終形成的圖片是一個連續變化圖像空間內圖片的 疊加。如下圖中1、2所示，圖1爲無拖影情況，圖2爲有拖影情況。

物體只要是運動的，拖影就一定會有的，爲了使其不對檢測產生顯著影響，不同的項目類型，對拖影相對長度的限制不盡相同，對於尺寸測量的項目，拖影對 測量精度會有嚴重影響，在這種情況下，就會要求拖影長度儘可能短，例如不超過1/3像素，或者不超過一個像素等，而對於識別、計數等相關的項目則對拖影的 要求會相對寬些，這些要求一般情況下如此，並非絕對，具體看實際情況需要。

運動速度和曝光時間是直接影響拖影的兩個因素。爲了保證圖像中的拖影不超過s單位像素，則需要做到如下等價說法：

1.芯片上光學像在曝光時間內移動的位置不超過s單位像素；
2.物體與成像系統之間在曝光時間內相對移動（垂直於光軸平面內）距離不超過s單位的系統精度。

光像對芯片移動速度Vs與物體運動速度Vp之間關係爲：

其實：光學系統中物方和像方所有的一維參數都是如上比例關係。

例如：某系統的拍攝精度是0.1mm/像素，相機曝光時間是1/2000秒，拍攝物體運動速度是10mm/s，這樣目標在曝光時間內物體運動的距離是0.005mm<<0.1mm，因此可以用該系統拍攝。

總結起來，一般情況下就是保證：物體運動速度Vp 曝光時間Ts<允許最長拖影S單位系統精度。因此對於運動速度比較快的物體拍照，爲了防止長的拖影就需要極短的曝光時間，會選用較好的CCD相機 (如MV-VD078SC)，因爲通常的CCD相機感光比較好，可以實現短時間曝光，但並不是說必須使用CCD相機，如果光軸很強且速度不是很快，可以是 用CMOS相機，有的CMOS相機是幀曝光的(如MV-VD040SC)，總體感光效果也比較好，也是拍攝運動物體的比較好的選擇，具體怎麼選擇按上面量 化要求即可。

四、幀率

幀率即相機每秒鐘可以捕捉的圖像數量。一般決定於圖像大小、曝光時間等，是相機的一個重要指標，相機幀率必須保證能夠拍攝到系統要求時間間隔最短的兩張圖片，否則就有可能造成丟幀等現象，進而漏檢某些產品。