機(jī)器視覺應(yīng)用的攝像頭設(shè)計(jì)

1、機(jī)器視覺應(yīng)用的攝像頭設(shè)計(jì)本文將探討應(yīng)用的 圖像感應(yīng)器技術(shù)及架構(gòu)要求。此外，還將具體分析機(jī)器視覺的基本組件，攝像頭為滿足應(yīng)用需求需要哪些條件，以及如何設(shè)計(jì)出可滿足各種機(jī)器視覺應(yīng)用需求、同時(shí)又能在圖像質(zhì)量與成本之間獲得平衡的攝像頭?？傮w上說，機(jī)器視覺就是讓光學(xué)系統(tǒng)（攝像頭）銜接至如計(jì)算機(jī)等處理單元，以舉行圖像處理并對(duì)相關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。換言之，機(jī)器視覺系統(tǒng)就是指能夠看到目標(biāo)對(duì)象的系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)。受計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)可包括生產(chǎn)單元、產(chǎn)品質(zhì)量控制以及抓放設(shè)備等。機(jī)器視覺要求什么？機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)該包括圖像感應(yīng)器與透鏡系統(tǒng)，這通常整體稱作攝像系統(tǒng)，可需要通過火線、或以太網(wǎng)等電氣接口銜接到計(jì)算機(jī)，而計(jì)算機(jī)則銜接至

2、控制設(shè)備。a) 攝像頭b) 計(jì)算機(jī)（主機(jī)）c) 幀接收器d) 應(yīng)用軟件機(jī)器視覺應(yīng)用需要結(jié)合軟、硬件才干確保勝利工作。挑選適當(dāng)?shù)挠布?dāng)然重要，但視覺檢查軟件則形成了全部機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心。通常由像素時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的感應(yīng)器將由用戶通過spi 或 i2c接口設(shè)置寄存器來配置辨別率、工作速度、增益控制、曝光時(shí)光以及集成時(shí)光。感應(yīng)器可輸出幀同步和線路同步脈沖以及待處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。感應(yīng)器的電氣接口為cmos，可支持高達(dá) 200 mhz 的頻率。假如速度更高，則需要 lvds 接口來實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性。機(jī)器視覺攝像頭的典型系統(tǒng)架構(gòu)為：1 離線處理功能的攝像頭在機(jī)器視覺系統(tǒng)的上述配置中，包含自立的攝像頭，它采納業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)

3、的電氣接口，如火線、usb或千兆以太網(wǎng)等?？蓡为?dú)對(duì)攝像頭供電，并可通過電氣接口將原始數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)。視頻傳輸既可以是延續(xù)幀，也可以是單幀數(shù)據(jù)，詳細(xì)取決于應(yīng)用的需要。單幀捕捉與視頻傳輸被稱作觸發(fā)模式，需要外部系統(tǒng)通常以 cmos級(jí)向攝像頭系統(tǒng)發(fā)送電子脈沖。攝像頭規(guī)律將啟動(dòng)一個(gè)幀集成，并通過電氣接口將掃描的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)。在某些狀況下，原始數(shù)據(jù)通過與同步信號(hào)、時(shí)鐘和數(shù)據(jù)一起發(fā)送給幀接收器等終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。幀接收器在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，隨后可由主機(jī)應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)舉行存取以處理和控制。攝像頭銜接到主機(jī)的電氣接口包括：1 火線 ieee 1394 接口2 usb 接口3 圖像協(xié)會(huì)定義的千兆以太網(wǎng)視覺接口

4、 (gige vision interface)4 合成模擬視頻接口5 lvds離線處理的一大優(yōu)勢(shì)在于，單靠一個(gè)主機(jī)就能滿足攝像頭操控與系統(tǒng)控制兩者之需。不過，因?yàn)橐曨l數(shù)據(jù)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于實(shí)時(shí)處理的應(yīng)用，比如器件生產(chǎn)過程中傳送帶上的產(chǎn)品檢查。2 在線處理功能的攝像頭近期， 處理器進(jìn)展十分快，已經(jīng)具備實(shí)時(shí)執(zhí)行復(fù)雜算法的計(jì)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(yīng)器與 dsp處理器，二者可通過非粘接規(guī)律、也可通過某種粘接規(guī)律銜接。dma 將感應(yīng)器掃描的視頻挺直發(fā)送至 dsp存儲(chǔ)器，并舉行逐幀處理?？刂坪瘮?shù)的終于結(jié)果由處理器在被控制的系統(tǒng)中

5、挺直啟動(dòng)，或在主機(jī)上作為指令啟動(dòng)。在攝像頭中舉行視頻處理的優(yōu)勢(shì)在于，數(shù)據(jù)處理可實(shí)時(shí)舉行，而且在火線、usb 或千兆以太網(wǎng)接口上沒有分組處理的負(fù)擔(dān)。我們可采納字節(jié)優(yōu)化型匯編代碼，在時(shí)鐘頻率超過 300 mhz 的 dsp 處理器上加快實(shí)時(shí)處理速度。圖像算法的實(shí)時(shí)處理對(duì)檢查應(yīng)用至關(guān)重要，例如，能夠檢查出傳送帶上移動(dòng)過快的的器件。一個(gè)幀圖像的計(jì)算完成并實(shí)行相應(yīng)行動(dòng)后，才可以繼續(xù)向系統(tǒng)傳輸下一個(gè)圖像幀。至關(guān)重要的規(guī)范：對(duì)于機(jī)器視覺系統(tǒng)來說，圖像質(zhì)量是挺直影響終于圖像處理結(jié)果的關(guān)鍵因素。特殊是在自然光照條件下，圖像質(zhì)量隨著光源條件的變幻會(huì)有顯然的不同。對(duì)諸如“增益”和“曝光時(shí)光”等攝像頭設(shè)置作出相應(yīng)調(diào)解

6、可對(duì)不穩(wěn)定的環(huán)境光狀況作出補(bǔ)償，從而提高圖像質(zhì)量。按照終于應(yīng)用的狀況和感應(yīng)器與掃描對(duì)象的距離，光源可由單獨(dú)的設(shè)備提供，也可以是攝像頭透鏡周邊的一部分。假如光源在攝像頭周邊，那么攝像頭可與光源一起移動(dòng)。常用的光源包括鹵素?zé)襞?、熒光燈泡以及發(fā)光 () 等。影響圖像質(zhì)量的因素包括：1 光照強(qiáng)度2 光照方向3 目標(biāo)距離4 焦距5 采樣率6 曝光時(shí)光和增益7 暗漏8 辨別率（像素?cái)?shù)量）透鏡的挑選與要求：高質(zhì)量透鏡與感應(yīng)器質(zhì)量同等重要。攝像頭是一種電子光學(xué)系統(tǒng)，需要光學(xué)元件和電子元件配合生成圖像。圖像含糊問題通常是由透鏡挑選不當(dāng)造成的。最佳透鏡尺寸和外形取決于焦距，不過對(duì)較小的對(duì)象距離來說，普通用法c座透

7、鏡。假如攝像頭需要在高反射環(huán)境條件下工作，那么最好選用抗反射膜透鏡。整體攝像頭的視野籠罩面取決于所需視野的區(qū)域、工作距離和透鏡。透鏡設(shè)計(jì)挑選的另一關(guān)鍵參數(shù)就是終于對(duì)象辨別率（單位為毫米或密耳，即千分之一英寸）。假如攝像頭用于測(cè)量生產(chǎn)環(huán)境下的對(duì)象尺寸，需考慮以下幾個(gè)重要參數(shù)：1 視野2 感應(yīng)器辨別率（像素?cái)?shù)量）3 圖像質(zhì)量4 視覺工具精確度例如，假如采納 ibis5-1300 感應(yīng)器（130 萬像素，辨別率為1280(h) x 1024 (v)），工具的精確度為非常之一像素，那么 5 英寸寬、4 英寸高的對(duì)象在6英寸 fov 水平方向上精確度可達(dá)到 0.0004 英寸。辨別率：按照視野和終于掃描

8、對(duì)象的圖像粒度，普通用法 vga 到百萬像素陣列標(biāo)準(zhǔn)。敏捷度：?jiǎn)紊虿噬捍蠖鄶?shù)檢查應(yīng)用可采納單色感應(yīng)器生成灰度級(jí)。典型的應(yīng)用包括條形碼閱讀器、指紋掃描儀、創(chuàng)造設(shè)備的尺寸測(cè)量等。假如質(zhì)量和生產(chǎn)控制中需要把握對(duì)象的顏色信息，則用法彩色感應(yīng)器，如辣椒或蘋果的分級(jí)和分類等。感應(yīng)器的24位彩色數(shù)據(jù)可捕捉 1740 萬種不同的顏色。感應(yīng)器的參數(shù)和挑選：就機(jī)器視覺應(yīng)用而言，感應(yīng)器和攝像頭需要支持多種不同的辨別率和幀速率。假如感應(yīng)器支持可編程特性，那么就能針對(duì)各種機(jī)器視覺應(yīng)用增強(qiáng)更多通用攝像頭設(shè)計(jì)。通常支持的特性包括：* 窗口和辨別率挑選* 用戶可對(duì)高幀速率舉行編程* 標(biāo)準(zhǔn)電氣 cmos 接口* 低感應(yīng)器暗漏電流* 寬動(dòng)態(tài)范圍必需在工業(yè)操作環(huán)境內(nèi)確保牢靠性和感應(yīng)器性能。設(shè)備應(yīng)該是工業(yè)級(jí)的，通常在 0 至 80 攝氏度之間操作。應(yīng)用：* 引導(dǎo)：采納抓放技術(shù)的設(shè)備系統(tǒng)* 檢查：紋理、表面、商標(biāo)、組裝* 測(cè)量：產(chǎn)品部件的物理尺寸、組裝部件尺寸* 識(shí)