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视觉工程师必须知道的选型知识
2017.11.20
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视觉工程师必须知道选型知识

1、工业相机的丢帧的问题是由什么原因引起的?

经常会有一些机器视觉工程师认为USB接口的工业相机会造成丢帧现象。一般而言,工业相机丢帧与工业相机所采用的传输接口是没有关系的,无论是USB,还是1394、GigE、或者是CameraLink。设计不良的驱动程序或工业相机硬件才是造成丢帧的真正原因:设计不良的工业相机之所以会发生丢帧的现象,其实就是传输通道的堵塞,无法及时处理,所以新的图像进来时,前一张可能被迫丢弃,或是新的图像被迫丢弃。要解决这问题,需要设计者针对驱动程序与工业相机硬件资料传输的每个环节进行精密的设计。

2、工业相机的分辨率是如何定义的?

分辨率是相机最基本的参数,由相机所采用的芯片分辨率决定,是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示,如:1920(H)x 1080(V),前面的数字表示每行的像元数量,即共有1920个像元,后面的数字表示像元的行数,即1080 行。现在相机的分辨率通常表示多少K,如1K(1024),2K(2048),3K(4096)等。在采集图像时,相机的分辨率对图像质量有很大的影响。在对同样大的视场(景物范围)成像时,分辨率越高,对细节的展示越明显。

3、工业相机的帧频和行频是什么意思?

相机的帧频/行频表示相机采集图像的频率,通常面阵相机用帧频表示,单位fps(Frame Per second),如30fps,表示相机再1 秒钟内最多能采集30 帧图像;线阵相机通常用行频便是单位KHz,如12KHz 表示相机再1 秒钟内最多能采集12000 行图像数据。速度是相机的重要参数,在实际应用中很多时候需要对运动物体成像。相机的速度需要满足一定要求,才能清晰准确的对物体成像。相机的帧频和行频首先受到芯片的帧频和行频的影响,芯片的设计最高速度则主要是由芯片所能承受的最高时钟决定。

4、工业相机的噪声是什么意思?

工业相机的噪声是指成像过程中不希望被采集到的,噪声从总体上可分为两类:一类是由有效信号带来的符合泊松分布的统计涨落噪声,也叫散粒噪声(shot noise),这种噪声对任何相机都是相同的,不可避免,尤其确定的计算公式。(就是:噪声的平方= 信号的均值)。第二类是相机自身固有的与信号无关的噪声,它是由图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路等带来的噪声,每台相机的固有噪声都不一样。另外,对数字相机来说,对视频信号进行模拟转换时会产生量化噪声,量化位数越高,噪声越低。

5、工业相机的信噪比什么意思?

相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值(有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值),代表了图像的质量,图像信噪比越高,图像质量越好。

6、工业相机中动态范围是什么意思?

相机的动态范围表明相机探测光信号的范围,动态范围可用两种方法来界定,一种是光学动态范围,指饱和时最大光强与等价于噪声输出的光强的比值,由芯片的特性决定。另一种是电子动态范围,他指饱和电压和噪声电压之间的比值。对于固定相机其动态范围是一个定值,不随外界条件变化而变化。在线性响应去,相机的动态范围定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值:动态范围=光敏元的满阱容量/等效噪声信号动态范围可用倍数、dB 或Bit 等方式来表示。动态范围大,则相机对不同的光照强度有更强的适应能力。

7、工业相机里的像元深度是什么意思?

数字相机输出的数字信号,即像元灰度值,具有特殊的比特位数,称为像元深度。对于黑白相机这个值的方位通常是8-16bit。像元深度定义了灰度由暗道亮的灰阶数。例如,对于8bit的相机0 代表全暗而255 代表全亮。介于0 和25 之间的数字代表一定的亮度指标。10bit 数据就有1024个灰阶而12bit有4096个灰阶。每一个应用我们都要仔细考虑是否需要非常细腻的灰度等级。从8bit上升到10bit 或者12bit 的确可以增强测量的精度,但是也同时降低了系统的速度,并且提高了系统集成的难度(线缆增加,尺寸变大),因此我们也要慎重选择。

8、工业相机与普通数码相机的区别在哪里?

1.工业相机的快门时间特别短,能清晰地抓拍快速运动的物体,而普通相机抓拍快速运动的物体非常模糊;

2.工业相机的图像传感器是逐行扫描的,而普通相机的图像传感器是隔行扫描的,甚至是隔三行扫描;

3.工业相机的拍摄速度远远高于普通的相机;工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅的图片,而普通相机只能拍摄2-3 幅图像;

4.工业相机输出的是裸数据,它的光谱范围也往往比较宽,比较适合进行高质量的图像处理算法,普遍应用于机器视觉系统中。而普通相机拍摄的图片,它的光谱范围只适合人眼视觉,并且经过了MPEG 压缩,图像质量也较差;

9、如何选择线阵相机?

1.计算分辨率:幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素。

2.检测精度:幅宽除以像素得出实际检测精度。

3.扫描行数:每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数。

根据以上计算结果选择线阵相机举例如下:

如幅宽为1600 毫米、精度1 毫米、运动速度22000mm/s 相机:1600/1=1600 像素 最少2000像素,选定为2k 相机 1600/2048=0.8 实际精度22000mm/0.8mm=27.5KHz 应选定相机为2048 像素28kHz 相机

10、线阵相机有哪些特点?

1.线阵相机使用的线扫描传感器通常只有一行感光单元(少数彩色线阵使用三行感光单元的传感器);

2.线阵相机每次只采集一行图像;

3.线阵相机每次只输出一行图像;

4.与传统的面阵相机相比,面阵扫描每次采集若干行的图像并以帧方式输出。

11、线阵相机与面阵相机的区别在哪里?

线阵CCD 工业相机主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。在机器视觉领域中,线阵工业相机是一类特殊的视觉机器。与面阵工业相机相比,它的传感器只有一行感光元素,因此使高扫描频率和高分辨率成为可能。线阵工业相机的典型应用领域是检测连续的材料,例如金属、塑料、纸和纤维等。被检测的物体通常匀速运动 , 利用一台或多台工业相机对其逐行连续扫描 , 以达到对其整个表面均匀检测。可以对其图像逐行进行处理 , 或者对由多行组成的面阵图像进行处理。另外线阵工业相机非常适合测量场合,这要归功于传感器的高分辨率 , 它可以准确测量到微米。

对于面阵CCD 来说,应用面较广,如面积、形状、尺寸、位置,甚至温度等的测量。面阵CCD 的优点是可以获取二维图像信息,测量图像直观。缺点是像元总数多,而每行的像元数一般较线阵少,帧幅率受到限制,而线阵CCD 的优点是一维像元数可以做得很多,而总像元数角较面阵CCD 工业相机少,而且像元尺寸比较灵活,帧幅数高,特别适用于一维动态目标的测量。

12、什么是线阵相机?

线阵工业相机,机顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图像,但极长,几K 的长度,而宽度却只有几个像素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机:

1、被测视野为细长的带状,多用于滚筒上检测的问题。

2、需要极大的视野或极高的精度。

13、选择工业相机的一般步骤是什么?

第一步:首先需要知道系统精度要求和工业相机分辨率;

第二步:需要知道系统速度要求与工业相机成像速度;

第三步:需要将工业相机与图像采集卡一并考虑,因为这涉及到两者的匹配;

第四步:价格的比较。

14、如何用机器视觉系统要求的精度来计算出需要选用相机的分辨率(像素)?

知道实际检测精度来反推该选用多大像素的工业相机可以通过公式来计算得出:X 方向系统精度(X 方向像素值)=视野范围(X 方向)/CCD 芯片像素数量( X 方向);Y 方向系统精度(Y 方向像素值)=视野范围(Y方向)/CCD 芯片像素数量( Y 方向)来获得。当然理论像素值的得出,要由系统精度及亚像素方法综合考虑;

15、如何根据实际要求的检测速度来推导出该选用什么速度的工业相机?

系统单次运行速度=系统成像(包括传输)速度+系统检测速度,虽然系统成像(包括传输)速度可以根据工业相机异步触发功能、快门速度等进行理论计算,最好的方法还是通过软件进行实际测试;

16、工业相机需要与图像采集卡匹配哪些才能正常使用?

工业相机需要与图像采集卡匹配好才能正常使用,一般需要匹配以下几个:

a、视频信号的匹配,对于黑白模拟信号相机来说有两种格式,CCIR和RS170(EIA),通常采集卡都同时支持这两种工业相机;

b、分辨率的匹配,每款板卡都只支持某一分辨率范围内的相机;

c、特殊功能的匹配,如要是用相机的特殊功能,先确定所用板卡是否支持此功能,比如,要多部相机同时拍照,这个采集卡就必须支持多通道,如果相机是逐行扫描的,那么采集卡就必须支持逐行扫描;

d、接口的匹配,确定相机与板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、Firewire1394 等。

17、智能工业相机中图像处理单元起什么作用?

在智能工业相机中,图像处理单元类似于图像采集、处理卡。它可对图像采集单元的图像数据进行实时的存储,并在图像处理软件的支持下进行图像处理。

18、智能工业相机中图像处理软件的主要作用是什么?

图像处理软件主要在图像处理单元硬件环境的支持下,完成图像处理功能。如几何边缘的提取、Blob、灰度直方图、OCV/OVR、简单的定位和搜索等。在智能相机中,以上算法都封装成固定的模块,用户可直接应用而无需编程。

19、如何设置工业相机中的“自动增益控制”功能?

工业相机内有一个将来自 CCD 的信号放大到可以使用水准的视频放大器,其放大即增益,等效于有较高的灵敏度,然而在亮光照的环境下放大器将过载,使视频信号畸变。当开关在 ON 时,在低亮度条件下完全打开镜头光圈,自动增加增益以获得清晰的图像。开关在 OFF时,在低亮度下可获得自然而低噪声的图像。

20、高速工业相机与一般工业相机相比有哪些优势?

1. 高速实时无压缩图像记录,实时显示,设定速度回显;

2. 系统采用直接将数据写入硬盘的记录方式,解决了传统内存记录方式记录时间短的问题,同时解决了传统采集;

系统传输速度受PCI 总线带宽限制的问题;

3. 保证100%不丢帧,解决了传统内存记录方式易丢帧、缺乏断电保护等问题;

4. 系统独立工作,几乎不占用计算机资源,可靠性高;

5. 一套系统中可支持多块板卡和相机,同时对多个目标进行跟踪记录;

6. 支持多种外部信号的叠加融合;

7. 支持多种图像格式,有多种软硬件外触发功能;

8. 软件接口简单,便于二次开发和实时处理。

21、工业相机的白平衡是什么?

白平衡(White Balance)是彩色相机中采用的技术,白平衡是对红、绿、蓝三个分量的平衡,以使相机能反映实际景物真实颜色。由于光敏元件在不同的光照条件下RGB 三个分量的输出是不平衡的,从而会差生图像在色彩上的失真,偏蓝或者偏红,因此需要白平衡来还原图像的色彩。通常相机完成白平衡可以分为自动和手动白平衡两种方式,此外还可以通过软件实现白平衡。

22、如何提高图像的信噪比?

信噪比SNR(Signal to NoiseRatio)反应相机成像的抗干扰能力,反应在画质上就是画面是否干净无噪点。以下技术可提高图像的信噪比使采集的图像更清晰干净。

23、工业相机的机械快门与电子快门有什么区别?

机械快门:用弹簧或是电磁手段,控制几片叶片的开闭,或是两层帘幕像舞台“拉幕”一样左右或上下以一定宽度的缝隙“划过”成像像场窗口,让窗口获得指定时间长短的“见光机会”——这就使通常的机械快门概念。

电子快门:通过电路直接操作CCD/CMOS 控制快门曝光,被称为电子快门。利用了CCD/CMOS 不通电不工作的原理,在CCD 不通电的情况下,尽管窗口“大敞开”,但是并不能产生图像。如果在按下快门钮时,使用电子时间电路,使CCD/CMOS 只通电“一个指定的时间长短”,就也能获得像有快门“瞬间打开”一样的效果。

一般而言,机械快门的好处是不用电即可工作,缺点是高速和低速档比较会不准确。电子快门比纯机械快门更精确,性能更高(最短曝光时间可以更短等等),可靠性更高,寿命更长。

24、数字工业相机与模拟工业相机的区别是什么?

从概念上来讲,这两种相机只在输出信号上有区别,模拟工业相机输出的是模拟信号,数字工业相机输出的是数字信号。也就是说模拟工业相机的A/D 转换是在工业相机之外进行的,数字工业相机的A/D 转换是在工业相机内完成的。

25、如何来保养工业相机?

1.尽量避免将摄像头被阳光直接照射,以免损害摄像头的图像感应器件;

2.避免将摄像头和油、蒸汽、水汽、湿气和灰尘等物质接触,避免和水直接接触;

3.不要使用刺激的清洁剂或者有机溶剂擦拭摄像头;

4.不要拉扯和扭转连接线;

5.非必要情况下,自己不要随意拆卸摄像头,试图碰触其内部零件,这容易对摄像头造成损伤,人为的原因一般情况下经销商是不保修的;

6.仓储时,应当将摄像头存放到干净、干燥的地方。

26、什么是图像采集卡?

图像采集卡又称为图像卡,它将相机的图像视频信号,以帧为单位传送到计算机的内存和VGA帧存,供计算机处理,存储,显示和传输等使用。在机器视觉系统中,图像采集卡采集到的图像供处理器做出工件是否合格、运动物体的运动偏差量、缺陷所在位置等的处理。


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