機(jī)器視覺基礎(chǔ)知識(shí)

中國(guó)大恒（集團(tuán)）有限公司北京圖像視覺技術(shù)分公司主講人：陳欣機(jī)器視覺系統(tǒng)概述提綱機(jī)器視覺系統(tǒng)概述照明光源鏡頭工業(yè)攝像機(jī)機(jī)器視覺系統(tǒng)機(jī)器視覺是一門技術(shù)，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)制造等行業(yè)。可用來保證產(chǎn)品質(zhì)量、控制生產(chǎn)流程、感知環(huán)境等。機(jī)器視覺系統(tǒng)是基于機(jī)器視覺技術(shù)為機(jī)器或自動(dòng)化生產(chǎn)線建立的一套視覺系統(tǒng)。機(jī)器視覺vs人類視覺人類視覺機(jī)器視覺適應(yīng)性適應(yīng)性強(qiáng)，可在復(fù)雜及變化的環(huán)境中識(shí)別目標(biāo)適應(yīng)性差，容易受復(fù)雜背景及環(huán)境變化的影響智能具有高級(jí)智能，可運(yùn)用邏輯分析及推理能力識(shí)別變化的目標(biāo)，并能總結(jié)規(guī)律雖然可利用人工智能及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但智能很差，不能很好地識(shí)別變化的目標(biāo)彩色識(shí)別能力對(duì)色彩的分辨能力強(qiáng)，但容易受人的心理影響，不能量化受硬件條件的制約，目前一般的圖像采集系統(tǒng)對(duì)色彩的分辨能力較差，但具有可量化的優(yōu)點(diǎn)灰度分辨力差，一般只能分辨64個(gè)灰度級(jí)強(qiáng)，目前一般使用256灰度級(jí)，采集系統(tǒng)可具有10bit、12bit、16bit等灰度級(jí)機(jī)器視覺vs人類視覺人類視覺機(jī)器視覺空間分辨力分辨率較差，不能觀看微小的目標(biāo)目前有4K×4K的面陣攝像機(jī)和12K的線陣攝像機(jī)，通過備置各種光學(xué)鏡頭，可以觀測(cè)小到微米大到天體的目標(biāo)速度0.1秒的視覺暫留使人眼無法看清較快速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)快門時(shí)間可達(dá)到10微妙左右，高速像機(jī)幀率可達(dá)到1000以上，處理器的速度越來越快感光范圍400nm-750nm范圍的可見光從紫外到紅外的較寬光譜范圍，另外有X光等特殊攝像機(jī)環(huán)境要求對(duì)環(huán)境溫度、濕度的適應(yīng)性差，另外有許多場(chǎng)合對(duì)人有損害對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，另外可加防護(hù)裝置機(jī)器視覺系統(tǒng)作用機(jī)器視覺技術(shù)功能縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間100%檢測(cè)100%質(zhì)量保證提高產(chǎn)量集成化生產(chǎn)精確測(cè)量改進(jìn)生產(chǎn)流程及時(shí)過程監(jiān)控機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域高速檢測(cè)精確機(jī)器人導(dǎo)航定位及配準(zhǔn)裝配檢測(cè)PCB檢測(cè)表面檢測(cè)紋理分析遙感醫(yī)學(xué)圖像分析測(cè)量一維碼讀取OCR&OCV匹配印刷檢測(cè)Blob分析機(jī)器視覺應(yīng)用領(lǐng)域光學(xué)行業(yè)紙制品藥物照相學(xué)和遙感印刷鐵路運(yùn)輸監(jiān)控航空宇航造船無線通信交通木材等等半導(dǎo)體汽車制造制陶業(yè)化學(xué)業(yè)電子部件及設(shè)備食品業(yè)玻璃業(yè)生命科學(xué)醫(yī)學(xué)鋼鐵礦業(yè)機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成——模擬相機(jī)光源CCD/CMOS圖像傳感器鏡頭被測(cè)物體模擬視頻流攝像機(jī)圖像采集卡圖像內(nèi)存中數(shù)字圖像應(yīng)用結(jié)果孔半徑1233.147mm3.052mm2.785mm機(jī)器視覺軟件FGI/O機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成——數(shù)字?jǐn)z像機(jī)光源CCD/CMOS圖像傳感器鏡頭被測(cè)物體圖像數(shù)據(jù)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)（USB/1394a/1394b/GigE/CameraLink）圖像內(nèi)存中數(shù)字圖像應(yīng)用結(jié)果孔半徑1233.147mm3.052mm2.785mm機(jī)器視覺軟件FGI/O機(jī)器視覺系統(tǒng)構(gòu)成——智能攝像機(jī)光源CCD/CMOS圖像傳感器鏡頭被測(cè)物體模擬圖像數(shù)據(jù)智能攝像機(jī)圖像內(nèi)存中數(shù)字圖像應(yīng)用結(jié)果孔半徑1233.147mm3.052mm2.785mm機(jī)器視覺軟件FGI/O機(jī)器視覺市場(chǎng)機(jī)器視覺系統(tǒng)中部件包括：光源、工業(yè)攝像機(jī)、圖像采集卡、鏡頭、圖像處理設(shè)備等。機(jī)器視覺市場(chǎng)包括:部件生產(chǎn)商代理商系統(tǒng)集成商機(jī)器視覺系統(tǒng)組件——照明光源照明光源機(jī)器視覺系統(tǒng)——照明光源分類高頻熒光燈鹵素?zé)鬖ED燈機(jī)器視覺系統(tǒng)——照明光源對(duì)比LED光源特點(diǎn)可制成各種形狀、尺寸及各種照射角度；可根據(jù)需要制成各種顏色，并可以隨時(shí)調(diào)節(jié)亮度；通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩(wěn)定；使用壽命長(zhǎng)（約3萬小時(shí)，間斷使用壽命更長(zhǎng)）；反應(yīng)快捷，可在10us或更短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大亮度；電源帶有外觸發(fā)，可以通過計(jì)算機(jī)控制，起動(dòng)速度快，可以用作頻閃燈；運(yùn)行成本低、壽命長(zhǎng)的LED，會(huì)在綜合成本和性能方面體現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)；可根據(jù)客戶的需要，進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。光源選型對(duì)成像影響實(shí)例照明技術(shù)：亮視野與暗視野暗視野亮視野雜散光雜散光直射光直射光照明技術(shù)：低角度照明常應(yīng)用于檢測(cè)平滑表面上變化的部分

如：劃痕、刀痕、邊緣低角度照明應(yīng)用實(shí)例照明技術(shù)：前向光直射照明前向光直射照明示例照明技術(shù)：前向光漫射照明前向光漫射照明示例前向光漫射照明示例照明技術(shù)：背光照明背光照明示例TCLTCLTCI照明技術(shù)：顏色與補(bǔ)色照射物白色光(混合色)藍(lán)色其它顏色被吸收顏色與補(bǔ)色示例白光紅光藍(lán)光綠光照明技術(shù)：偏光技術(shù)應(yīng)用偏光板偏光鏡片光源A光源B偏光技術(shù)應(yīng)用實(shí)例照明技術(shù)：防外亂光技術(shù)應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)組件——鏡頭鏡頭成像尺寸焦距與視場(chǎng)角焦距與視場(chǎng)角例如：使用HV1303UM拍攝視野為440mm*330mm拍攝距離為2500mm常用公式放大率物距像距焦距物高像高鏡頭分辨率分辨率單位：lp/mm影響因素：

鏡頭結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、加工精度

鏡頭的相對(duì)孔徑越大，分辨率越高

光波長(zhǎng)度，波長(zhǎng)越短分辨率越高

視場(chǎng)中心較邊緣分辨率高

同檔次的固定焦距鏡頭較變焦鏡頭分辨率高

短焦鏡頭一般邊緣分辨率較中心低，長(zhǎng)焦鏡頭一般中

心較邊緣分辨率低。理想光學(xué)系統(tǒng)的最小分辨距離b=(0.61λ)/nsinωmax其中，λ為光的波長(zhǎng)n為像空間介質(zhì)折射率ωmax為像方孔徑角當(dāng)鏡頭對(duì)無限遠(yuǎn)成像，且像方為空氣時(shí)（近似計(jì)算公式）

b=1.22λF其中，F(xiàn)為光圈數(shù)遠(yuǎn)心鏡頭鏡頭選型分辨率焦距光圈景深成像尺寸視場(chǎng)角遠(yuǎn)心畸變機(jī)器視覺系統(tǒng)組件——工業(yè)攝像機(jī)工業(yè)攝像機(jī)工業(yè)攝像機(jī)分類按不同芯片類型劃分：1、CCD攝像機(jī)2、CMOS攝像機(jī)CCDSensor—FullFrameArraySensorOutput(Amplifier)Serialreadoutregister優(yōu)點(diǎn)：填充因子(fillfactor)可以達(dá)到非常高，甚至達(dá)到100%。這樣Sensor靈敏度非常大。缺點(diǎn)：由于傳輸和讀出使用的時(shí)鐘相同，因此Sensor上面的部分曝光時(shí)間比下面的長(zhǎng)，這會(huì)造成Smear現(xiàn)象。為了解決這個(gè)問題，必須使用機(jī)械快門或閃光燈。CCDSensor—FrameTransferSensor解決了FullFrameArraySensor發(fā)生Smear現(xiàn)象的問題從感光部分轉(zhuǎn)移到屏蔽存儲(chǔ)區(qū)域的時(shí)間約為500us優(yōu)點(diǎn)：在曝光時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，Smear現(xiàn)象比FullFrameArraySensor小很多缺點(diǎn)：由于需要兩個(gè)Sensor，因此成本非常高LightsensitiveCCD-sensorShieldedmemoryareaReadoutregister...............................CCDSensor—InterlineTransferSensors轉(zhuǎn)移時(shí)間約為1us，因此完全不存在Smear現(xiàn)象。優(yōu)點(diǎn)：由于轉(zhuǎn)移時(shí)間非常短，因此不需要使用機(jī)械快門或閃光燈缺點(diǎn)：由于屏蔽區(qū)占用了Sensor的部分面積，因此使得此種傳感器填充因子只能在20%~70%添加微鏡頭可以增加填充因子HorizontalshiftregistersverticalshiftregisterShielded(Photodiodes)SensorelementsOutput(Amplifier)Electronicshutter&MicroLensesOverflowDrain主要用來消除CCDSensor的Blooming現(xiàn)象它也被用來實(shí)現(xiàn)電子快門通過MicroLenses可以將傳感器的填充因子提高。CCD可以從80%提高到約100%CMOS可以從30%提高到約80%CMOSSensorAOI由于CMOS可直接訪問單個(gè)像素，因此在AOI非常小的情況下，CMOS與CCD相比，幀率上有較大的優(yōu)勢(shì)。CMOS

Sensor甚至可以將A/D轉(zhuǎn)換集成到每個(gè)像素中去，在不使用AOI時(shí)幀率上也有優(yōu)勢(shì)CCDvsCMOSCCDCMOS優(yōu)1.圖像質(zhì)量高2.靈敏度高3.對(duì)比度高1.體積小2.片上數(shù)字化3.很多片上處理功能4.低功耗5.沒有Blooming現(xiàn)象6.直接訪問單個(gè)像素7.高動(dòng)態(tài)范圍（120dB）8.幀率可以更高劣1.Blooming2.不能直接訪問每個(gè)像素3.沒有片上處理功能1.一致性較差2.光靈敏度差3.噪聲大CCDvsCMOSCCDCMOS串行處理并行處理，可直接訪問單像素線性度好高動(dòng)態(tài)范圍低噪聲存在固定模式噪聲功耗一般功耗較低集成度較低高集成度，芯片上集成了很多功能InterlacedScanvsProgressiveScanInterlacedScanProgressiveScanRollingShuttervsGlobalShutterRollingShutterGlobalShutter

彩色攝像機(jī)1.Bayer2.3CCD3.3Lines4.…………

彩色攝像機(jī)效果對(duì)比3CCDRawImageBayerDifference工業(yè)攝像機(jī)接口類型模擬接口CameraLink1394a1394bUsb2.0GigEEthernet……工業(yè)攝像機(jī)接口類型CameraLinkUsb2.01394a1394bGigEEthernet速度Base:1.5GbpsMedium:3.8GbpsFull:5.1Gbps480Mbps400Mbps800Mbps1000Gbps100Mbps距離10m5m4.5m4.5m100m100m優(yōu)勢(shì)1.帶寬高2.有帶預(yù)處理功能的采集設(shè)備3.抗干擾能力強(qiáng)1.易用2.價(jià)格低3.多相機(jī)1.易用，價(jià)格低，多相機(jī)2.傳輸距離遠(yuǎn)，實(shí)際線纜可達(dá)到17.5m，光纖傳輸可達(dá)100m3.有標(biāo)準(zhǔn)DCAM協(xié)議4.CPU占用最低1.易用，價(jià)格低，多相機(jī)2.傳輸距離遠(yuǎn)，線纜價(jià)格低3.標(biāo)準(zhǔn)GigEVision協(xié)議1.易用，價(jià)格低2.傳輸距離遠(yuǎn)，線纜價(jià)格低缺點(diǎn)1.價(jià)格高2.線中不帶供電1.無標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議2.CPU占用高1.長(zhǎng)距離傳輸線纜價(jià)格稍貴1.CPU占用高2.對(duì)主機(jī)配置要求高3.有時(shí)存在丟包現(xiàn)象1.無標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議2.帶寬過低3.CPU占用過高PCIvsPCI-EPCI-32PCI-64PCI-Express速度133MBps266MBps1x266MBps2x266*2MBps4x266*4MBps8x16x32x8.25GBpsPCIExpress采用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信機(jī)制，各個(gè)插槽都將通過各自獨(dú)享的通道發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，這樣就可以避免出現(xiàn)不同設(shè)備同時(shí)爭(zhēng)搶系統(tǒng)和CPU資源的情況。同步采集vs異步采集工業(yè)攝像機(jī)選型1.根據(jù)攝像機(jī)拍攝的視野以及系統(tǒng)需要達(dá)到的精度選擇分辨率2.根據(jù)拍攝對(duì)象運(yùn)動(dòng)與否選擇合適相機(jī)3.根據(jù)生產(chǎn)線速度選擇合適幀率4.根據(jù)相機(jī)接口類型以及相機(jī)數(shù)量選擇合適的采集卡例如：某視覺檢測(cè)系統(tǒng)需要兩個(gè)檢測(cè)工位拍攝過程中工件不停止。兩個(gè)工位視野相同，均為400mm*300mm。要求檢測(cè)精度達(dá)到0.4mm以上。檢測(cè)速度大于每分鐘1000工件?；仡櫤?jiǎn)單介紹了機(jī)器視覺系統(tǒng)以及機(jī)器視覺系統(tǒng)中幾個(gè)重要的組成部分，包括光源、鏡頭和攝像機(jī)。后面的培訓(xùn)中將按照產(chǎn)品類型進(jìn)行詳細(xì)介紹。并且將細(xì)致地介紹與某產(chǎn)品類型相關(guān)的技術(shù)細(xì)節(jié)。如模擬相機(jī)、1394傳輸協(xié)議、GigE傳輸協(xié)議、各種光源選型、HALCON功能介紹等等。ThankYouForYourAttention!附錄資料：不需要的可以自行刪除節(jié)能與新能源汽車

--純電動(dòng)汽車目錄1概述2新能源汽車現(xiàn)狀

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純電動(dòng)汽車技術(shù)原理及優(yōu)勢(shì)4純電動(dòng)汽車商業(yè)模式簡(jiǎn)介5遠(yuǎn)期展望概述基本概念以內(nèi)燃機(jī)為主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)，綜合利用各種技術(shù)降低油耗的叫節(jié)能汽車。

“新能源汽車”是指采用新型動(dòng)力系統(tǒng)，使用非石油燃料的汽車。規(guī)劃中的新能源汽車主要是指純電動(dòng)汽車、插電式混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車。純電動(dòng)汽車是以電池為儲(chǔ)能單元，以電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的車輛。純電動(dòng)汽車的特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝相對(duì)成熟。新能源汽車現(xiàn)狀國(guó)外政策世界各國(guó)普遍將發(fā)展電動(dòng)汽車確立為節(jié)能減排的重要途徑和政府戰(zhàn)略性計(jì)劃，出臺(tái)各類發(fā)展鼓勵(lì)政策和行動(dòng)計(jì)劃。序號(hào)國(guó)家/區(qū)域鼓勵(lì)政策行動(dòng)計(jì)劃1美國(guó)《2001年美國(guó)未來能源保證法案》《美國(guó)新的綜合性能源計(jì)劃》《美國(guó)下一代電動(dòng)汽車協(xié)議》未來10年投入10億美元，至2015年普及100萬輛插電式混合動(dòng)力汽車2歐盟歐洲汽車制造商協(xié)會(huì)《2010稅收導(dǎo)則》，除意大利和盧森堡，所有西歐國(guó)家出臺(tái)了對(duì)電動(dòng)車的減稅、免稅或補(bǔ)貼政策奧地利：25萬輛推廣計(jì)劃丹麥：2020年，電動(dòng)汽車占新售車輛1/10西班牙：2014年普及100萬輛3德國(guó)《國(guó)家電動(dòng)車發(fā)展計(jì)劃》，2009-2012年投入5億歐元用于純電動(dòng)和插電式混合動(dòng)力汽車的研發(fā)產(chǎn)業(yè)化到2020年、2030年分別普及100萬輛和500萬輛純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車4法國(guó)《新車置換金》《法國(guó)清潔汽車購買獎(jiǎng)勵(lì)體系》2015年推廣電動(dòng)汽車10萬輛5英國(guó)《私人購買新能源汽車補(bǔ)貼細(xì)則》低碳汽車示范運(yùn)行與研發(fā)資助政策2015年推廣電動(dòng)汽車24萬輛6日本《下一代汽車的補(bǔ)助金制度》《日本電動(dòng)汽車購買補(bǔ)助手冊(cè)》到2020年普及以電動(dòng)汽車為主體的“下一代汽車”達(dá)到1350萬輛新能源汽車現(xiàn)狀電動(dòng)汽車科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃 形成“三橫三縱三大平臺(tái)”（三縱：混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池汽車；三橫：電池、電機(jī)、電控;三大平臺(tái)：標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)、能源供給、集成

示范戰(zhàn)略重點(diǎn)與任務(wù)布局）

國(guó)內(nèi)政策新能源汽車已經(jīng)成為我國(guó)七大戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)之一《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020）》

汽車工業(yè)轉(zhuǎn)型的主要戰(zhàn)略取向——純電驅(qū)動(dòng)當(dāng)前重點(diǎn)推進(jìn)——純電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車產(chǎn)業(yè)化推廣普及：非插電式混合動(dòng)力汽車、節(jié)能內(nèi)燃機(jī)汽車

新能源汽車現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r經(jīng)過多年的醞釀，國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車日趨成熟，有多款電動(dòng)車已取得國(guó)家公告吉利熊貓EK電動(dòng)汽車系列動(dòng)力源：鉛酸電池最高車速：80km/h北汽福田迷迪純電動(dòng)轎車動(dòng)力源：鋰電池組續(xù)航：100—150公里

東風(fēng)風(fēng)神，EJ02純電動(dòng)汽車動(dòng)力源：磷酸鐵鋰電池，電機(jī)類型：風(fēng)神采用永磁同步電機(jī)長(zhǎng)安奔奔MINI純電動(dòng)汽車動(dòng)力源：磷酸鐵鋰電池組電機(jī)類型：永磁直流無刷電機(jī)

比亞迪E6純電動(dòng)汽車動(dòng)力源：鐵電池續(xù)航：200—300公里

眾泰2008EV純電動(dòng)汽車動(dòng)力源：鋰離子電池續(xù)航：300公里純電動(dòng)汽車純電動(dòng)汽車技術(shù)原理分類和領(lǐng)域分類領(lǐng)域整車共性技術(shù)

整車和系統(tǒng)集成網(wǎng)絡(luò)通訊和控制技術(shù)強(qiáng)電安全技術(shù)電磁兼容性技術(shù)整車輕量化技術(shù)整車匹配標(biāo)定和試驗(yàn)技術(shù)系統(tǒng)標(biāo)定和優(yōu)化技術(shù)智能感應(yīng)及顯示技術(shù)故障診斷和容錯(cuò)控制技術(shù)熱管理技術(shù)純電動(dòng)汽車核心技術(shù)分類領(lǐng)域控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)電制動(dòng)技術(shù)安全技術(shù)控制軟件開發(fā)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)診斷技術(shù)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制技術(shù)系統(tǒng)集成系統(tǒng)熱管理位置/轉(zhuǎn)速傳感器高性能絕緣材料高性能永磁材料電力電子元器件IGBT車用動(dòng)力電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

動(dòng)力電池及成組技術(shù)系統(tǒng)集成電池管理系統(tǒng)正負(fù)極材料鋰離子電池隔膜純電動(dòng)汽車核心技術(shù)分類領(lǐng)域電動(dòng)輔助系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)電空調(diào)電轉(zhuǎn)向電制動(dòng)電動(dòng)汽車的主要組成和核心部件“三大件”驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電動(dòng)汽車的心臟驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功用是將存儲(chǔ)在蓄電池中的電能高效地轉(zhuǎn)化為車輪的動(dòng)能，并能夠在汽車減速制動(dòng)時(shí)，將車輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能充入蓄電池中。實(shí)現(xiàn)一種“再生”效應(yīng)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括：電子控制器、功率轉(zhuǎn)換器、電動(dòng)機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)裝置和驅(qū)動(dòng)車輪等。常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)：

1、直流有刷電動(dòng)機(jī)、

2、交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、

3、開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)、

4、無刷直流電動(dòng)機(jī)及永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)的控制

主要功能是根據(jù)駕駛員的操作和當(dāng)前的工況，在保證安全和動(dòng)力性要求的前提下選擇盡可能優(yōu)化的工作模式。動(dòng)力源電池管理系統(tǒng)電池組鋰離子電池鉛酸蓄電池鎳氫蓄電池鎳鎘蓄電池鈉硫蓄電池重量輕、儲(chǔ)能大、無污染、無記憶效應(yīng)、使用壽命長(zhǎng)；它是一種真正的綠色節(jié)能環(huán)保電池可靠性好、原材料易得，價(jià)格便宜；性能差，使用壽命短屬