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這個(gè)智能工廠里的關(guān)鍵組件，究竟有何作用？

發(fā)表時(shí)間：2018-05-22　次數(shù)：592　作者：維舟

原創(chuàng)：維舟榮格傳感器

我國(guó)現(xiàn)已進(jìn)入轉(zhuǎn)型發(fā)展、提質(zhì)增效的關(guān)鍵階段。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈、勞動(dòng)力成本上升、資源環(huán)境約束加劇等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)下，智能制造的水平急需提高，如大幅度采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，一種用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬人的視覺(jué)功能、具有人腦的一部分功能。通過(guò)視覺(jué)技術(shù)，控制器可以從客觀事物的圖像中提取信息，進(jìn)行處理并加以理解，最終用于智能工廠的實(shí)際檢測(cè)、測(cè)量和控制。

工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。選擇合適的相機(jī)也是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，相機(jī)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(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。

工業(yè)相機(jī)又俗稱攝像機(jī)，相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)（攝像機(jī)）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(jī)大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機(jī)。

圖1所示的CCD是目前機(jī)器視覺(jué)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(hào)讀取于一體，是典型的固體成像器件。其突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號(hào)。這類成像器件通過(guò)光電轉(zhuǎn)換形成電荷包，而后在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下轉(zhuǎn)移、放大輸出圖像信號(hào)。典型的CCD相機(jī)由光學(xué)鏡頭、時(shí)序及同步信號(hào)發(fā)生器、垂直驅(qū)動(dòng)器、模擬/數(shù)字信號(hào)處理電路組成。

圖1

CMOS圖像傳感器的是上世紀(jì)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(hào)放大器、信號(hào)讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號(hào)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(jī)訪問(wèn)的優(yōu)點(diǎn)。CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)在高分辨率和高速場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用。

1.智能工廠選擇工業(yè)相機(jī)的參數(shù)

在智能工廠中，選擇工業(yè)相機(jī)會(huì)考慮以下參數(shù)：

（1）分辨率：相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)，對(duì)于數(shù)字相機(jī)一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對(duì)應(yīng)的，對(duì)于模擬相機(jī)則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480，模擬相機(jī)已經(jīng)逐步被數(shù)字相機(jī)代替，且分辨率已經(jīng)達(dá)到6576*4384。

（2）像素深度：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit、14Bit等。

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

（4）曝光方式和快門(mén)速度：對(duì)于線陣相機(jī)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(shí)間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間；面陣相機(jī)有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見(jiàn)方式，數(shù)字相機(jī)一般都提供外觸發(fā)采圖的功能?？扉T(mén)速度一般可到10微秒，高速相機(jī)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(jī)靶面的大小。數(shù)字相機(jī)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(duì)不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm，一些相機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對(duì)紅外感光時(shí)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(shuō)明：如某檢測(cè)任務(wù)是尺寸測(cè)量，產(chǎn)品大小是18mm*10mm，精度要求是0.01mm，流水線作業(yè)，檢測(cè)速度是10件/秒，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是普通工業(yè)環(huán)境，不考慮干擾問(wèn)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(jī)；視野大小可以設(shè)定為20mm*12mm（考慮每次機(jī)械定位的誤差，將視野比物體適當(dāng)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(cè)量精度可以考慮1/2亞像素精度，那么需要的相機(jī)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(shuō)相機(jī)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(jī)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(jī)參數(shù)的調(diào)整對(duì)工廠實(shí)際生產(chǎn)的影響

（1）相機(jī)曝光參數(shù)

如圖2、圖3所示，分別相機(jī)的曝光參數(shù)來(lái)說(shuō)，模擬增益、曝光時(shí)間的值之間的關(guān)系非常密切。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模擬增益、曝光時(shí)間的值越高大，曝光越強(qiáng)。

圖2

圖3

（2）相機(jī)白平衡參數(shù)

如圖4所示，先啟用白平衡的自動(dòng)模式，再將白平衡設(shè)置為手動(dòng)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(jī)白尺寸、對(duì)比度、亮度等參數(shù)

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

總之，在智能制造中，工業(yè)相機(jī)可以快速獲取大量信息，易于自動(dòng)生產(chǎn)，也易于同設(shè)計(jì)信息以及加工控制信息集成。同時(shí)，應(yīng)用工業(yè)相機(jī)能夠大幅降低人工檢驗(yàn)的成本，嚴(yán)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(jìng)爭(zhēng)力。

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來(lái)源 / 榮格《傳感器》5月號(hào)

作者 / 維舟

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這個(gè)智能工廠里的關(guān)鍵組件，究竟有何作用？

這個(gè)智能工廠里的關(guān)鍵組件，究竟有何作用？