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這個智能工廠里的關(guān)鍵組件，究竟有何作用？

發(fā)表時間：2018-05-22　次數(shù)：587　作者：維舟

原創(chuàng)： 維舟 榮格傳感器 

我國現(xiàn)已進入轉(zhuǎn)型發(fā)展、提質(zhì)增效的關(guān)鍵階段。在市場競爭激烈、勞動力成本上升、資源環(huán)境約束加劇等嚴峻挑戰(zhàn)下，智能制造的水平急需提高，如大幅度采用機器視覺技術(shù)，一種用計算機來模擬人的視覺功能、具有人腦的一部分功能。通過視覺技術(shù)，控制器可以從客觀事物的圖像中提取信息，進行處理并加以理解，最終用于智能工廠的實際檢測、測量和控制。

工業(yè)相機是機器視覺系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成有序的電信號。選擇合適的相機也是機器視覺系統(tǒng)設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，相機的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時也與整個系統(tǒng)的運行模式直接相關(guān)。

         

工業(yè)相機又俗稱攝像機，相比于傳統(tǒng)的民用相機（攝像機）而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，市面上工業(yè)相機大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機。

         

圖1所示的CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器，它集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。其突出特點是以電荷作為信號，而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號。典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步信號發(fā)生器、垂直驅(qū)動器、模擬/數(shù)字信號處理電路組成。

圖1

         

CMOS圖像傳感器的是上世紀末隨著超大規(guī)模集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展才得以迅速發(fā)展。它將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，具有局部像素的編程隨機訪問的優(yōu)點。CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態(tài)范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應(yīng)用。

1.智能工廠選擇工業(yè)相機的參數(shù)

         

在智能工廠中，選擇工業(yè)相機會考慮以下參數(shù)：

         

（1）分辨率：相機每次采集圖像的像素點數(shù)，對于數(shù)字相機一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對應(yīng)的，對于模擬相機則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480，模擬相機已經(jīng)逐步被數(shù)字相機代替，且分辨率已經(jīng)達到6576*4384。

         

（2）像素深度：即每像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對于數(shù)字相機機一般還會有10Bit、12Bit、14Bit等。

         

（3）最大幀率/行頻：相機采集傳輸圖像的速率，對于面陣相機一般為每秒采集的幀數(shù)，對于線陣相機為每秒采集的行數(shù)。

         

（4）曝光方式和快門速度：對于線陣相機都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發(fā)同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個固定的時間；面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數(shù)字相機一般都提供外觸發(fā)采圖的功能。快門速度一般可到10微秒，高速相機還可以更快。

         

（5）像元尺寸：像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機靶面的大小。數(shù)字相機像元尺寸為3μm~10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。

         

（6）光譜響應(yīng)特性：是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm，一些相機在靶面前加了一個濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

         

（7）接口類型：有CameraLink接口，以太網(wǎng)接口，1394接口、USB接口輸出，目前最新的接口有CoaXPress接口。

         

舉例說明：如某檢測任務(wù)是尺寸測量，產(chǎn)品大小是18mm*10mm，精度要求是0.01mm，流水線作業(yè)，檢測速度是10件/秒，現(xiàn)場環(huán)境是普通工業(yè)環(huán)境，不考慮干擾問題。

        

首先知道是流水線作業(yè)，速度比較快，因此選用逐行掃描相機；視野大小可以設(shè)定為20mm*12mm（考慮每次機械定位的誤差，將視野比物體適當放大），假如能夠取到很好的圖像（比如可以打背光），而且軟件的測量精度可以考慮1/2亞像素精度，那么需要的相機分辨率就是20/0.01/2=1000pixcel（像素），另一方向是12/0.01/2=600pixcel，也就是說相機的分辨率至少需要1000*600pixcel，幀率在10幀/秒，因此選擇1024*768像素（軟件性能和機械精度不能精確的情況下也可以考慮1280*1024pixcel），幀率在10幀/秒以上的即可。

         

2. 工業(yè)相機參數(shù)的調(diào)整對工廠實際生產(chǎn)的影響

         

（1）相機曝光參數(shù)

         

如圖2、圖3所示，分別相機的曝光參數(shù)來說，模擬增益、曝光時間的值之間的關(guān)系非常密切。通過實驗發(fā)現(xiàn)，模擬增益、曝光時間的值越高大，曝光越強。

圖2

圖3

         

（2）相機白平衡參數(shù)

         

如圖4所示，先啟用白平衡的自動模式，再將白平衡設(shè)置為手動檔模式，并分別調(diào)節(jié)其紅色、綠色增益，觀察其效果變換。

                                             圖4

如圖5所示調(diào)大紅色增益。

圖5

如圖6所示調(diào)大綠色增益。

圖6

         

（3）相機白尺寸、對比度、亮度等參數(shù)

通過白尺寸的調(diào)節(jié)可控制鏡頭下想要截取的部分。通過移動對比度條塊控制對比度的大小，觀察成像發(fā)生如下變化：相機對比度的值越小時，成像色彩越弱；對比度的值越大，成像的色彩越飽滿。應(yīng)將其調(diào)至適當?shù)闹?，以避免太小導致成像模糊或太大導致顏色太過厚重。

         

總之，在智能制造中，工業(yè)相機可以快速獲取大量信息，易于自動生產(chǎn)，也易于同設(shè)計信息以及加工控制信息集成。同時，應(yīng)用工業(yè)相機能夠大幅降低人工檢驗的成本，嚴控產(chǎn)品質(zhì)量，加快生產(chǎn)速度和效率，極大地提升企業(yè)競爭力。

來源 / 榮格《傳感器》5月號

作者 / 維舟

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