如何選擇合適工業(yè)相機(jī)完成機(jī)器視覺圖像采集-趙旭

選擇合適工業(yè)相機(jī)完成機(jī)器視覺圖像采集

摘要：在一個(gè)完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像采集的意義非常大，因?yàn)橥ㄟ^圖像采集后，視頻信號(hào)就可以轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)使用的數(shù)字格式。為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇工業(yè)相機(jī)時(shí)需要注意幾個(gè)方面。

　　在一個(gè)完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像采集的意義非常大，因?yàn)橥ㄟ^圖像采集后，視頻信號(hào)就可以轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)使用的數(shù)字格式。以下是為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇工業(yè)相機(jī)時(shí)需要注意的幾個(gè)方面：
　　1. 提高分辨率的優(yōu)缺點(diǎn)
　　雖然高分辨率工業(yè)相機(jī)有助于提高度，但是通過分析更清晰的，更精細(xì)的圖像，就會(huì)降低了速度。工業(yè)數(shù)字相機(jī)傳輸圖像數(shù)據(jù)是由一系列代表像素值的數(shù)字組成的。一個(gè)分辨率為200×100的相機(jī)具有20000個(gè)像素，因此，20000個(gè)數(shù)字值會(huì)被發(fā)送到采集系統(tǒng)。如果工業(yè)相機(jī)工作在25MHz的數(shù)據(jù)速率下，它每40納秒傳送一個(gè)值。這造成一幅整個(gè)圖像需要大約0.0008秒，相當(dāng)于1250幀/秒。而當(dāng)分辨率提高到640×480會(huì)有307200個(gè)像素，大約是上面的15倍。使用同樣的25MHz數(shù)據(jù)速率，采集整幅圖像需要0.012288秒，或相當(dāng)于81.4幀/秒。這些值都是期望值，實(shí)際的相機(jī)幀率會(huì)較低，因?yàn)槲覀儾坏貌惶砑悠毓夂驼{(diào)整次數(shù)，但是工業(yè)相機(jī)分辨率的增加會(huì)導(dǎo)致工業(yè)相機(jī)幀率成比例的下降。雖然各種工業(yè)相機(jī)輸出配置會(huì)在不犧牲幀率的情況下提高工業(yè)相機(jī)分辨率，但是這也需要增加復(fù)雜性和更高的成本。
　　2. 速度和曝光
　　在選擇一款工業(yè)數(shù)字相機(jī)時(shí)，物體成像的速度必須充分考慮好。例如，假設(shè)在拍攝過程中，物體在曝光中沒有移動(dòng)，可用相對(duì)簡(jiǎn)單和便宜的工業(yè)相機(jī)；對(duì)于靜止或緩慢移動(dòng)的物體，面陣工業(yè)相機(jī)于對(duì)靜止或移動(dòng)緩慢的物體成像。因?yàn)檎麄€(gè)面陣區(qū)域必須一次曝光，在曝光時(shí)間當(dāng)中任何的移動(dòng)會(huì)導(dǎo)致圖像的模糊，但是，運(yùn)動(dòng)模糊可以通過減少曝光時(shí)間或使用閃光燈來控制；對(duì)于快速移動(dòng)的物體，當(dāng)對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體使用一個(gè)面陣工業(yè)相機(jī)時(shí)，需要考慮在曝光時(shí)間當(dāng)中處于工業(yè)相機(jī)當(dāng)中的運(yùn)動(dòng)對(duì)象數(shù)量，還需要考慮物體上能用一個(gè)像素表征的zui小特征，也就是對(duì)象分辨率，在采集運(yùn)動(dòng)物體的圖像的拇指規(guī)則就是曝光必須發(fā)生在采集物體移動(dòng)量小于一個(gè)像素的時(shí)間內(nèi)。如果你采集的物體是在以1厘米/秒的速度勻速移動(dòng)，而且物體分辨率已經(jīng)設(shè)置為1 pixel/mm，那么需要的zui大曝光時(shí)間是1/10每秒。因?yàn)槲矬w移動(dòng)一個(gè)距離恰好等于相機(jī)傳感器中的一個(gè)像素，當(dāng)使用zui大曝光時(shí)間時(shí)這里會(huì)有一定數(shù)量的模糊。在這種情況下，一般傾向于將曝光時(shí)間設(shè)置的比zui大值要快，比如1/20每秒，就能保持物體在移動(dòng)半個(gè)像素內(nèi)成像。如果同樣的物體以1厘米/秒的速度移動(dòng)，物體分辨率為1 pixel/微米，那么一秒中所需要的zui大曝光是1/10000.曝光設(shè)置的對(duì)快取決于所采用的相機(jī)，還有你是否能夠給物體足夠的光來獲得一幅好的圖像。
　　3. 幀率
　　工業(yè)相機(jī)的幀率即工業(yè)相機(jī)在一個(gè)預(yù)定周期內(nèi)發(fā)送給采集系統(tǒng)的完整幀的個(gè)數(shù)，它通常也稱作為每秒鐘的幀數(shù)。舉個(gè)例子，分辨率為640×480的一款工業(yè)相機(jī)zui大的幀率為每秒鐘50幀。因此，這個(gè)工業(yè)相機(jī)需要在一個(gè)曝光之后用20毫秒來發(fā)送一幀。一些工業(yè)相機(jī)在當(dāng)前曝光被讀取的時(shí)候不能采用后來的曝光，因此它們需要在沒有圖像時(shí)的一個(gè)固定時(shí)間間隔。而另外一些類型的相機(jī)能在讀取一幅圖像中同時(shí)采集下一個(gè)曝光。因此，在對(duì)移動(dòng)物體成像時(shí)必須考慮相機(jī)的讀取時(shí)間和方法。當(dāng)沒有曝光時(shí)候還要進(jìn)一步考慮幀間時(shí)間間隔。
　　4. 頻譜響應(yīng)和靈敏度
　　所有工業(yè)數(shù)字相機(jī)都配置對(duì)光能量敏感的電子傳感器。相機(jī)對(duì)光能量敏感的光能量波長(zhǎng)一般在400納米到1000多納米之間。除此之外，在低于400納米就進(jìn)入到紫外光譜，而其它高于1000納米就進(jìn)入到紅外光譜。這里還有對(duì)物體發(fā)出某個(gè)光的特定波長(zhǎng)進(jìn)行成像的需求，而且按這種波長(zhǎng)定義的工業(yè)相機(jī)特征也需要被定義。濾波器也應(yīng)用來阻擋不想要的波長(zhǎng)的光，但是仍然需要了解工業(yè)相機(jī)對(duì)需求的波長(zhǎng)的光如何很好的響應(yīng)。
　　5. 比特深度
　　工業(yè)數(shù)字相機(jī)生產(chǎn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或像素值。要成為數(shù)字的，這個(gè)數(shù)據(jù)就要有一個(gè)每個(gè)像素的位數(shù)，稱之為像素比特深度。這個(gè)深度通常從8到16比特。在單色工業(yè)相機(jī)中，比特深度定義從暗到亮的灰度級(jí)別的數(shù)量，這里0代表*暗，255（8比特深度）代表*亮。在0到255之間的值就代表灰度陰影，接近0的為暗灰度，接近255的幾乎為白。10比特?cái)?shù)據(jù)提供1024個(gè)灰度級(jí)別，而12比特?cái)?shù)據(jù)提供4096個(gè)灰度級(jí)別。每個(gè)應(yīng)用都應(yīng)該謹(jǐn)慎地來確定使用精細(xì)的灰度級(jí)，還是使用粗糙的灰度級(jí)。機(jī)器視覺系統(tǒng)通常使用8比特像素，使用10比特或12比特就意味著使得數(shù)據(jù)量增倍，作為傳送數(shù)據(jù)的另一種類型。這樣導(dǎo)致系統(tǒng)在速度上的降低，因?yàn)槭褂脙煞N類型的像素比特，但是并不是所有的比特都是有意義的。較高位深度還增加了系統(tǒng)集成的復(fù)雜性，因?yàn)楦弑忍厣疃刃枰鼘挼膸?，特別是在工業(yè)相機(jī)有多個(gè)輸出的情況下。
　　以上幾個(gè)關(guān)鍵因素決定著機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像采集部分，也對(duì)整個(gè)機(jī)器視覺系統(tǒng)的定位以及后面的圖像分析有著很大的影響。如果用戶想在圖像采集上做出正確的決定，同時(shí)便于其它硬件的選型與成本控制，就可以針對(duì)自己的需求，充分考慮這幾個(gè)因素。