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工业相机在国内机器视觉市场的发展

2013-10-16  发布者:admin 

工业相机(Industrial Camera)也称作“机器视觉相机”,是机器视觉系统中的一个关键组件,其最基础功能就是将光信号转变成为有序的电信号。相比于传统的民用相机(摄像机)而言,它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等,“工业相机”一词或许不是很准确,因为这些相机还同时被应用在医疗、科研和安保等领域。 

SONY工业相机 

数字工业相机安装在机器流水线上代替人眼来做测量和判断,通过数字图像摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。广泛应用于饮料、制药、电子制造、包装、汽车制造等行业。

工业相机由两大基本部件组成:图像感光芯片和数字化的数据接口。 图像感光芯片由数十万至数百万个像素组成。 像素把光线的强度转换为电压输出。 这些像素的电压被以灰度值的形式输出,所有像素放在一起就形成了图像,发送给计算机。 数据接口主要有USB 2.0、1394和千兆以太网三种。 一般工业相机都提供640x480像素的分辨率和30fps的帧速率。

CCD是60年代末期由贝尔试验室发明。开始作为一种新型的PC存储电路,很快CCD具有许多其他潜在的应用,包括信号和图像(硅的光敏性)处理。

CCD 是在薄的硅晶片上处理一系列不同的功能,在每一个硅晶片上分布几个相同的IC等可产生功能的元件,被选择的IC从硅晶片上切下包装在载体里用在系统上。

目前市面上工业相机大多是基于CCD(Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的相机。 

CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体,是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号,而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包,而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD作为一种功能器件,与真空管相比,具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70 年代初,90 年代初期,随着超大规模集成电路 (VLSI) 制造工艺技术的发展,CMOS图像传感器得到迅速发展。

CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上,还具有局部像素的编程随机访问的优点。目前,CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。

总结下来,CCD工业相机的主要类型:

一、面阵CCD:

允许拍摄者在任何快门速度下一次曝光拍摄移动物体。

二、线阵CCD:

用一排像素扫描过图片,做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜,正如名称所表示的,线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像,线性阵列,处理高分辨率的图像时,受局限于非移动的连续光照的物体。

三、三线传感器CCD:

在三线传感器中,三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜,当捕捉彩色图片时,完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机,以产生高的分辨率和光谱色阶。

四、交织传输CCD:

这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化,允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。

五、全幅面CCD:

此种CCD具有更多电量处理能力,更好动态范围,低噪音和传输光学分辨率,全幅面CCD允许即时拍摄全彩图片。全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像,并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行,直到所有的信息传输完毕。接着,系统进行精确的图像重组。

工业相机(Industrial Camera)与普通相机(DSC)的区别:

1、工业相机的快门时间非常短,可以抓拍快速运动的物体:例如,把名片贴在电风扇扇叶上,以最大速度旋转,然后用工业相机抓拍一张图像,仍能够清晰辨别名片上的字体。用一般的相机来拍摄,是不可能达到这样效果的。

2、工业相机的图像传感器是逐行扫描的,而一般摄像机的图像传感器是隔行扫描的,甚至是隔三行扫描的。逐行扫描的图像传感器生产比较困难,成品率低,出货量也少,世界上只有少数几个公司能够提供这类产品,例如Dalsa、Sony,而且价格昂贵。百万级逐行扫描ccd的价格,从人民币4000元到3万元不等,其中的技术参数繁多,只有采用逐行扫描的图像传感器,才有可能清晰抓拍快速运动物体。

3、工业相机的拍摄速度远远高于一般相机:工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅图片,而一般相机只能拍摄2-3幅图像,相差太多了。

4、工业相机输出的是裸数据(raw data),其光谱范围也往往比较宽,比较适合进行高质量的图像处理算法,例如机器视觉(Machine Vision)应用。而一般的相机(DSC)拍摄的图片,其光谱范围只适合人眼视觉,并且经过了mjpeg压缩,图像质量较差。

数码相机曝光的整个流程:

1. 机械快门打开,CCD曝光

2. 在CCD内部光信号转为电信号

3. 快门关闭,阻塞光线。

4. 电量传送到CCD输出口转化为信号。

5. 信号被数字化,数字资料输入内存。

6. 图像资料被进行处理,显示在LCD或电脑上。

 

面阵数码相机如何解决彩色图像的曝光? 

1.三块CCD同时曝光的方法 

第一种方法是采取了三块CCD芯片同时曝光的方法,它可以在一次曝光拍摄的同时,捕捉到所有的彩色信息。当光线通过镜头射向CCD表面的时候,由一个特制的棱镜式分光镜,将影像的成像光速成分射到三个不同的CCD平面。每一个CCD只记录红绿蓝色光中一种色光的彩色信息,并且只再现一种色彩,然后通过软件的对准处理,合成为一幅完整的全彩色画面。 
 由于人类的眼睛对于光谱绿色波段的光色最为敏感,有些数码相机在安排滤色片的时候使用两排绿滤色片来记录绿光信息,而使用第三排红色和蓝色的马赛克滤色片来分别记录红光和蓝光的信息。由于红色和蓝色信息存在间隙,这里需要由计算机采取的插值计算方法来增加附加它的彩色信息。

 

2、单一芯片三次曝光的拍摄方式 

面阵排列数码相机捕捉彩色信息的第二种方法是“单一芯片三次曝光的拍摄方式”。采取这样的方法时,数码相机镜头的前方需要安装一个滤色片转轮,拍照时必须通过转轮中的红绿蓝三块滤色片,分别做三次单独的曝光,分别记录下红绿蓝光的彩色信息。最后照相机的软件将三次曝光的影像信息结合在一起,构成为全彩色的影像。
 使用这样的方法时,由于是用三次曝光来记录彩色信息,显然,摄影者使用这样一台面阵的数码相机,就只能局限于拍摄静态物体。此外,由于三次拍摄条件可能出现的差异,很可能产生数码相机的软件不能适当重新组合影像的问题。特别是曝光过程中,光源发生的波动也都会改变影像的彩色平衡。三次曝光的数码相机可以用来拍摄动态的单色影像(包括黑白照片),这是因为在滤色片转轮上,除了三块红绿蓝滤色之外,还有一块透明的滤色片,它是用来黑白影像做单次曝光拍摄时使用的。由于只需要一次曝光,因而它可以拍摄动态物体。 
 

3、单芯片一次曝光的拍摄方式 

第三种方式是“单芯片一次曝光的拍摄方式”。在这一方式中,每一单个的像素都以两种方式覆盖着不同的红,绿,蓝色滤色片,一种是条纹覆盖法,另一种是马赛马克图案交错覆盖法。有些芯片上的绿滤色片多于红色和蓝色滤色片,这是因为需要去适应人眼视觉在可见光谱中对绿色更为敏感的特点。这样,较多地使用绿色滤色片可以改善影像的分辨率。 

每一个感光的像素只能捕获一种彩色,它需要从相邻的像素那里获得更多的彩色信息,这是采取插值的计算方法实现的。如果不正确的彩色信息被赋值于像素之中,那么插值的效果也会出现问题,这通常在高反差影像的边缘部分表现得最为明显,比如黑色的文字,常常会出现彩色的镶边。

 

CCD在图像运作的三大角色:

1.曝光,通过离散的像素将光信号变为电信号。

当入射光以光子的形式落在像素阵列上时,就获得一个图像。每一个光子相对应的能量被硅吸收就发生反应产生一个(电子孔)电量组,每一个像素所能收集到的电子数,线性地取决于光亮的程度和曝光的时间,非线性的取决于波长。

 

2.电量转移,在CCD内部进行电量转移。

一旦电量被集中并保持在像素的结构中,就一定会使在物理上与像素分离的侦测放大器得到电量,当一个像素的电量移动时,同时相对应的像素的电量都会移动。电量对电压的转换并输出放大。

机器视觉进驻中国市场时间较晚,尽管近几年来,机器视觉系统在我国得到了稳步的发展,但是相较于国外的产品,还是存在一定差距的。工业相机是机器视觉系统的核心组成部分,随着机器视觉系统的发展,不管从技术上,还是在市场上,也得到了一定的进步。那么在未来的发展过程中,什么样的工业相机更适合中国机器视觉市场呢?

一、价格方面 在国内,目前机器视觉的主要应用大部分还是聚集在大规模的自动化生产领域,而一般情况下,这些领域对于成本是非常敏感的,资金投入方面还存在一定的局限性。现在的工业相机市场,从国外购进,价格只增不减;国内自行生产,因为技术的不断升级,成本不断增加,价格也出现了相应的升高。因此,在未来的发展过程中,国内机器视觉市场需要的是低成本的工业相机。

二、质量方面 价格是前提的话,质量就是基础,中国想要赶超国际水平,就万万不能在质量上出现问题。未来需要更自动化、智能化的工业相机来适应机器视觉市场发展的需要,那么想要打造质量过硬的产品,我们应该从哪些方面入手呢?首先,我国要拥有核心技术,当然,目前来说,这个过程还是很漫长的,我国与世界顶级水平的差距不是短时间就可以拉平的。其次,不断研发创新,这是促进我国科技水平进步的基本保障,为了能够满足不断发展的市场需求。最后,很好的加工制造能力,这一点对于中国来说,还是比较占用优势的,中国的制造能力在世界上都是被认同的,但是,中国想要发展,就不应只是局限在中国制造的阶段,而应逐步走上中国创造的舞台。稳定可靠的质量,是未来发展中,工业相机所需要具备的特性。 综上所述,在我国大步赶超国际先进水平这段过程中,高性价比的工业相机是更适合中国机器视觉市场。



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