机器视觉_工业相机及相关配件选型

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了机器视觉_工业相机及相关配件选型。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。


工业相机

一、 概述

凭我的经验,一般能带上工业两字的,和日常版最大的区别就是更稳定、抗干扰能力更强(高温、高压、防尘、防水、防爆、抗电磁干扰等;列举这么多,并不意味着必须带有这些功能,这些功能通常是可定制的),当然还有其他特点,比如接口可扩展、定制性比较强等。

为什么需要这些功能?
因为工业环境比日常环境更复杂,设备可能运行在极端环境下。

那是不是环境简单些,工业级就退化成了民用级了呢?
也未必,工业级设备有一个比较突出的点就是需要长时间稳定运转。同样是电脑,工控机可能得全年无休开着。而民用PC,或许每天都会关机。(至于为何工控机就能长时间稳定运行,与软硬件都有一定关系,涉及方面比较多)。

扯远了,回到工业相机。
有了上面对工业两字的了解后,可以知道工业相机相比于传统民用相机,它具有更高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力(事实上,这句话是百度上的原话)。

在进一步学习工业相机前,来聊聊工业相机的应用场景。

工业相机的使用场景,
如果平时有拍照需求会特意去搜工业相机吗?一般不会,直接去电子产品店里找个单反或者拿手机拍不就行了(也不是说工业相机就比民用的高级、昂贵,人家玩单反的一个镜头几万的也有,工业相机便宜的也就几百千把块,所以它们是两条分支)。

工业相机通常用在机器视觉系统中,是其中关键的一环。本质功能就是将光信号转变成有序的电信号,说人话就是在机器视觉系统中用来拍照(摄像)的(采集图像)(这边的工业相机指机体+镜头,如果细分的话,镜头(透镜平行光入射成像)是成像,机体(内部是感光芯片)是感光并且转化为电信号传输出去)。
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二、 相机参数

分类依据 类1 类2
按芯片类型 CCD相机 CMOS相机
传感器结构特征 线阵相机 面阵相机

1. 传感器芯片

1.1. CCD&CMOS

图像采集和处理的过程,最基本的就是要把实物尽量真实地反映到虚拟的图像中。
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感光芯片设计思想:就是分割被描述的区域,用相应的灰度填充。

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而CCD和CMOS是两种不同的芯片,它们都能在相机中记录光线变化。

1.2. CCD

CCD(Charge Coupled Device)是电荷耦合器件的简称。

  • 它将大量独立的光敏元件排列在一起
  • 每个光敏元件称为像素

像素,是图像的基本单位,也是最小的视觉显示单位。

目前主要有两种类型的CCD光敏元件,分别是线性CCD和矩阵性CCD。线性CCD用于高分辨率的静态照相机,它每次只拍摄图象的一条线,这与平板扫描仪扫描照片的方法相同。这种CCD精度高,速度慢,无法用来拍摄移动的物体,也无法使用闪光灯。矩阵式CCD,它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素,当快门打开时,整个图象一次同时曝光。

1.3. CMOS

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor),中文学名为互补金属氧化物半导体。它的制造技术和一般计算机芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N(带–电) 和 P(带+电)级的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。于是,CMOS图像传感器被应用于工业图像处理。

1.4. 靶面

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靶面,其实从字面意思比较好理解。
光线透过镜头后,成像打在感光芯片(传感器)上。所以感光芯片是个靶子。
从靶面这个参数的单位是"(英寸),可以知道它指的是靶子(感光芯片)的大小(是靶子的对角线长度)。

💡提示:
与靶面相关的一个参数是像面,像面就是镜头成像的像的大小,单位也是 " (英寸)。
光线穿过镜头成像后打在感光芯片上。
如果像面小于靶面,那么图像周围会出现黑色(黑角、暗角)的情况;
若像面大于靶面,那么像面的多余部分会被浪费。
当然,这并不意味着实际选型时,一定要像面等于靶面,一般来讲像面大于等于靶面都可以。

1.5. 传感器芯片选型

虽然从原理来讲CCD和CMOS是不一样的,且需要较专业的知识才能去深度认识。
但对于工业相机选型来说,并不需要做太多区分。
因为它们两者要做的事情是一样的。
就现在来讲(2022年),国内市面上比较多见的是CMOS相机,其特点是帧率高、速度快、功耗低,成本相对较低。

靶面的话,是芯片尺寸,其实你也不需要太多关心。
反而是分辨率这种直观的参数,你是需要去了解的。分辨率的长宽直接反映了图像的比例以及清晰度。

所以选型时在相机传感器芯片这块,一般不需要去深度了解,实际选型的不太会去关心,你的相机是CCD的还是CMOS的,能达到效果即可(事实上,我和几家供应商交流时也没有说到这个参数)。

2. 黑白or彩色

同样分辨率的相机,黑白的精度往往比彩色高,尤其是在看图像边缘时,黑白效果更好。做图像处理,黑白工业相机得到的是灰度信息,可直接处理。

一般相机厂商的型号中,M是黑白(Mono),C是彩色(Color)。

3. 帧数

当被测物体有速度要求时,就需要选择帧数高的工业相机,一般分辨率越高,帧数就越低;

⭐4. 接口类型

类型 传输速率 有效工作距离 其他
USB 3.0 5Gbps 625MB/s 5m
GigE(千兆网) 1Gbps 125MB/s 100m 相机没有工控机能拍照吗,机器视觉,机器视觉
Camera Link 6.4Gbps 800MB/s 15m
CoaXPress1.0 6.25Gbps 50m
CoaXPress2.0 12.5Gbps

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在项目和实验中,对于低中速,常规的工业场景,常使用USB3.0、GigE接口的相机。所能带动的帧率在30FPS-500FPS不等。

而在超高速领域,如:子弹发射、爆炸瞬间;或细胞微粒流动等微米纳米尺度下的运动场景,一般采用高速相机来进行图像的捕捉采集和分析。由于需要达到超高速采集1000FPS、2000FPS、10000FPS,需要Camera Link或CoaXPress来连接高速相机和主机。

4.1. POE供电

POE,(Power Over Ethernet),指的是在现有的以太网Cat.5布线基础架构不作任何改动的情况下,在为一些基于IP的终端(如IP电话机、无线局域网接入点AP、网络摄像机等)传输数据信号的同时,还能为此类设备提供直流供电的技术

现在大部分相机都支持POE供电(网口供电)。
如果您不知道自己是否需要POE,我还是建议选择带POE的。
因为工业场景繁杂,未必有插座给你插电源。而且工业相机有时候是装工厂天花板上的,那种场景要给它单独供电很麻烦,线得拉很长。

POE供电所需要的线是超5类、6类线,并且连接的网口是要支持POE供电的。
一般的台式机、笔记本是不支持的,但工控机的网口一般都支持(保险起见还是向供应商说清楚支持POE供电)。


三、相关硬件

⭐1. 镜头

镜头选型是在相机选型之后,往往只需要告诉镜头供应商物距&视野&相机参数,他们就能为你选出合适型号。

1.1. 焦距

焦距是镜头上一个重要的参数,以“mm”为单位。
焦距,是光学系统中衡量光的聚集或发散的度量方式。
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指平行光入射时从透镜光心(上图中的光学中心)到光聚集之焦点的距离。
很显然,具有短焦距的光学系统比长焦距的光学系统有更佳的聚光能力(焦距短,说明平行光通过透镜能更好地聚集起来)。
照相机中 焦距f<像距2f才能成像。
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⭐1.2. 视野

这是一个很重要的参数,指的是您想要拍摄的区域范围(放在镜头标题下可能不是很合适)。
即使您对硬件的参数一点都不了解,也必须知道想要拍摄的目标区域,联系供应商咨询工业相机时,销售肯定会问你的。通常只需要告诉他们,区域大概多大就行了,比如区域是3m*1m的大小(由于应用场景的问题,单位通常会是mm,3000mm*1000mm)。

⭐1.3. 物距

物距,顾名思义,就是要拍摄的目标物体与镜头之间的距离(在物理学中,物距就是指物体到透镜光心的距离,这边可以看作与镜头间距离)。

这个参数和视野差不多,没有太多专业性,但是需要您根据实际情况而定。

1.4. 景深

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我们拍摄物体时,需要对/调焦,当您看到的图像是清晰时,便认为是对上焦了。
理论上来说,真正能合焦的只有一个平面;但实际上,在对上焦后,前后稍微转动调焦环,看到的图像都还是清晰的(这是因为各种误差,包括人眼识别度的问题导致的)。而这一段清晰的距离就是景深。

⭐1.5. 调焦

调焦或叫对焦、聚焦—指改变像距v,也就是改变镜头光心到底片平面的距离,以获得本物体清晰像的调节过程。

我们知道透镜成像的原理,像在屏上(相机的底片或者感光元件)总有一个最清晰的位置,这是光线汇聚的位置,无数个点构成了一个平面,这里就叫做焦平面。调焦也就是改变焦点的前后位置(改变焦点的位置不代表改变焦距,只是移动了镜片,让焦点位置发生移动)。
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为什么需要调焦?
在一次调焦后,让物体清晰成像不就代表像正确地落在了感光芯片上吗?
因为您几次拍摄的物体远近不同,角度不同,物距是在变化的;您拍一米距离的物体调清晰了不代表五米十米的也会清晰。

但工业场景下,如果你拍摄的物距基本固定,那通常调一次就好了。

1.6. 镜头的一些理论小知识

只是选型的话,注意物距&视野这两个参数就可以了。
感兴趣的小伙伴可以继续往下看,有了上面三个参数之后,再结合高斯成像公式和下表的初中物理知识,

高 斯 成 像 公 式 : 高斯成像公式:
1 / u + 1 / v = 1 / f 1/u + 1/v = 1/f 1/u+1/v=1/f

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工业相机实际使用,物距u 肯定是远远大于 焦距f 的,u > 2f 会生成倒立缩小的像,这就是透镜成像应用在相机中的原理。

正如前面所说,倒立缩小的像会打在感光芯片上,光信号转化为电信号,通过工业相机的输出端口输出到外部系统。而您得到的图像精度,与感光芯片上的元件有关,感光芯片的颗粒越小,往往越精细。

再如前面所说,
若像面 等于 靶面,则通过透镜成像的大小正好完完全全打在整个感光芯片上,那有效利用整个芯片,非常好;如果像面大于靶面,最终得到的图像只是像面的一部分,就像图片裁剪了一样;反之,图像会出现暗角。

工业镜头选型中,焦距往往是固定的(定焦)。

不过最终选型时,您只需要确定物距。供应商会根据情况为您选镜头。

2. 光源

光源就是发光的物体,比如灯泡。
工业相机的配件中往往有它。
因为工业场景可能光线不好,这时就需要配光源。
光源的选择因实际情况而定,如果现场光线不好,最好配光源,增强成像效果;
如果光线不错,不配也没事。
还有的情况,为了突出目标物体,需要打特殊的光。

3. 控制器

控制器其实就是一台PC,只是它专用于去控制视觉硬件(相机、光源)且一般会进行一定的图像处理。

可以说它是视觉子系统,会接一定数量的相机。然后将相机的图像做一定处理后,输出到外部系统汇总起来。它几乎不做图像处理之外的事。

但控制器不是必须的,您完全可以将相机的图像直接输出到您的PC上,然后做您的处理。

4. 工控机

工控机的选型上注意几点:

  1. 性能:是否能满足处理需求,比如我要接100个相机,就用一台机器,那一般是拖不过来的(事实上,在网络传输这块就很容易出问题)。
  2. 接口:工控机上往往运行着汇总的上位机,那要接的设备非常多,接口上一定得够且有一定预留。
  3. 存储空间:看与服务器分体还是一体。

5. 线缆

涉及的线缆无非是电源线和网线。
如果是POE供电,电源线就不需要了。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-535962.html

6. 交换机


四、参考

  • 工业相机原理及选型指导

到了这里,关于机器视觉_工业相机及相关配件选型的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

原文地址:https://blog.csdn.net/BadAyase/article/details/127887970

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