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机器视觉工业相机的50个常用术语你知道多少及丢帧的原因

来源:加一伟业 发布日期:2019-10-24

  【机器视觉工业相机的50个常用术语你知道多少】

  1.像素大小(Pixel Size):

  指个别感应像素的实际尺寸大小,不论是长或宽,都以μm(Micrometer)为计量单位。像素愈大,则所需曝光成像时间较短,但却会牺牲些许空间分辨率。反之,像素愈小,则需较久的曝光成像时间,成像之后的影像分辨率,则较好。

  2.AE(AutoExposure):

  结合AGC及IRIS马达控制的使用,使工业相机能在很宽广的光线条件下使用。AGC能在很低亮度的条件下放大视讯信号,而IRIS能在高亮度下降低光线进入工业相机,马达光圈控制能被CCD IRIS控制所取代。

  3.AGC(Automatic Gain Control) :

  一种电路能自动地调整视讯信号的电子放大,来补偿因照明亮度位阶的改变。

  4.AspectRatio:

  表示影像的长宽比例,标准TV影像是4:3,宽视野是16:9。

  5.ATW(Auto Tracking White Balance) :

  在ATW模式下,白平衡会依被照体的色温不同一直被连续调整。

  6.Backlight Compensation:

  在AE模式下的一种特别补偿功能。当背景太亮或是物体太暗时背光补偿功能就会去修改自动曝光的动作使得物体更清晰。

7.BayonetMount:

  一种工业相机的mount,介于镜头后面mounting面和工业相机的CCD面的距离: 有38mm 或 48mm。

  8.C-mount:

  一种工业相机的mount,在镜头后面mounting面到工业相机的CCD面距离为17.526mm是聚焦清楚的。

  9.CCD(Charge Coupled Devices) :

  个别光感应组件(称为Pixels)组合成矩阵或线形式的半导体装置,光学镜头把影像聚在此Sensor上,每一个Pixels累积和光成正比的电荷,然后传送读出。输出矩阵大小是感光元矩阵的一半就是interlace模式CCD,如是相同大小就是Progressive Scan CCD。

  10.CCDIRIS:

  CCD Camera的电子快门的特别操作模式。快门Timing自动调整来维持相同视讯输出准位会降低工业相机Sensitivity。可使固定光圈镜头应用在光线变化环境下,常会和AGC功能一起使用。

  11.EIA(Electronics Industries Association) :

  黑白视讯标准,每个Frame有525条线及2个交错图场,每秒有30 Frames。NTSC的黑白版本常以RS-170 表示。

  12.CCIR:

  欧规黑白标准视讯信号,每个Frame有625条扫描线及2个交错图场,每秒有25Frames,PAL的黑白版本。

  13.NTSC(National Television System Committee):

  彩色信号标准,主要使用在美国、日本 。NTSC每张影像使用525条扫描线,每秒30个Frames,每个Frame是由2个图场以Interlace方式构成。

  14.PAL(Phase Alternation Line) :

  彩色讯号标准,欧洲是先驱使用者,也被使用在世界其它地方。PAL每张影像有625条扫描线,每秒有25Frames,每个Frame是由2个图场以Interlace方式构成。

  15.Composite Sync:

  把HD及VD组合成一个信号,常用在黑白系统中作同步或Genlock之用。

  16.景深 (Depth of Field) :

  最近和最远点之间的距离能聚焦清楚,受镜头焦距长及光圈大小影响。降低焦距长及光圈缩小,景深就会增加。

  17.数字讯号处理 (DSP) :

  工业相机内的动作,感光Sensor输出讯号在被显示及传送前必须被处理。一般处理的步骤有讯号放大,Gamma校正,Black Level校正,边缘加强,彩色处理,彩色平衡,彩色校正,输出讯号编码。影像质量是非常依赖这些处理器的精确性及稳定性。

  18.电子快门(ElectronicShutter) :

  CCD Camera操作模式,积分时间可以缩短,不需任何机械装置被用来降低抓取快速移动物体产生的模糊现象。

  19.图场 (Field) :

  TV影像的一半,由奇数线或偶数线组成。NTSC/EIA讯号规格是每秒60个262.5扫描线的图场。PAL/CCIR讯号规格是每秒50个312.5扫描线的图场。奇/偶图场对再合组成Frame。

  20.Frame:

  一个完全的TV影像,由两个交错扫描的图场所构成。NTSC/EIA规格每秒有30张Frame,每个Frame有525扫描线。PAL/CCIR规格每秒有25张Frame,每个Frame有625扫描线。

  21.Field/ Frame Integration:

  在CCD交错扫描输出中两种不同画素(Pixels)读出的技术以积分时间说明,Field积分时间(16.6ms NTSC / EIA或20ms PAL / CCIR) ,Frame积分时间(33.3ms NTSC / EIA 或40ms PAL / CCIR) 。在Field Integration 2条相邻的Pixels同时以一个Pixel输出。所以全部CCD是以图场(Field)输出,达到更高影像输出,但降低了垂直分辨率。现在此模式大部份应用在抓取高速移动影像。在FrameIntegration Pixels是个别读出的,在2 个图场(Field)后,全部CCD读出,全部垂直分辨率可以达到。Progressive Scan CCD 只能在Frame Integration下操作。

  22.Gain:

  讯号的电子放大功能。

  23.Gamma:

  为补偿Video Monitor CRT非线性问题面对工业相机输出讯号所作的校正法则。典型的Gamma值是0.45,它会使CRT的影像亮度呈现线性。

  24.Genlock:

  同步一组讯号和另外一组讯号的电路称之为Genlock。有3种形式Genlock:V-lock,HV-lock及Full-color。V-lock是用在从一台B/W或Color电源切换到另一台。HV-lock是用在B/W工业相机的全同步,需要HD+VD输入,同步输入或复合VS视讯讯号输入。Full Color Genlock 是用在影像要混合但色彩不衰减情形下,它需要VBS复合视讯输入。

  25.HD(Horizontal Drive) :

  用在由外部Source来同步工业相机线扫描速率的讯号,大部分和VD一起用在黑白工业相机应用。

  26.IEEE 1394:

  一种为高速数据传输的数字网络接口。目前速度频宽有200Mb/s及400Mb/s,800Mb/s正在规划中。IEEE 1394是一种介于计算机及Audio / Video产品的理想接口,因为它具备以低价位传送及时数据的能力,稳定及使用方便的特色。

  27.Interlace Scanning:

  一种扫描方法。半数的扫描线被扫成一个图场 (奇数线) ,另外一半扫描线被扫成另一个图场 (偶数线) 。当影像RefreshRate高于25/30 frame/sec时,交错扫描并不适用。

  28.IT(Interline Transfer) :

  是CCD传送的一种方法,把被感光画素的电荷立刻传送到旁边的不曝光垂直读出区。IT装置是容易制造且比FT (Frame Transfer)便宜,常用在工业及消费用的工业相机上。

  29.Long-term Integration:

  特殊工业相机模式,类似照相机上B快门设计,CCD积分一段长的(可自己定义) 周期,达到高的Sensitivity。物体必须静止不动,外部工业相机控制及Frame Memory是必须一起配合使用。

  30.Minimum Illumination:

  指工业相机调到最大的Gain,镜头光圈全开下能达到视讯输出准位的50%或100%的最小光量。

  31.暗电流(Dark Noise Current):

  在某特定工作温度的条件下,遮蔽CCD的感应器,使其避免任何光源的照射或感光,而经由感测组件本身产生的电荷数(Electrons)。噪声值的大小,以特定温度,每秒产生的电荷数为主要单位。

  32.输出噪声(Readout Noise) :

  CCD正常工作时,除了真正有效的输出讯号外,因其它因素造成而随之输出的电荷数,皆称之。

  33.量子效益(QuantumEfficiency) :

  直接进入或投射在感测组件上的光子总数(Photons) ,与被传感器换成电荷数的比率,通常用百分比(%)来表示。

  34.电位井容量(Fall-wellCapacity) :

  每个图素所有容纳的电荷总数量。数目愈多,影像的动态范围(Dynamic Range)愈大;更能表现影像上,任何微小明暗度的变化。

  35.MTF(Modulation Transfer Function) :

  定义镜头的分辨率能力。大部分镜头在光圈开口中间位置时MTF是最佳的。

  36.NDFilter (Neutral Density Filter) :

  加在镜头前面来降低进入光线量的滤镜,它对彩色没有影响。

  37.NFMount:

  一种工业相机Mount,从镜头后面Mounting面到工业相机的CCD面有12mm聚焦距离。

  38.Progressive Scan:

  一种新的CCD设计,能同时抓取奇﹑偶图场。Progressive Scan在高速应用下能提供全部垂直分辨率输出。

  39.Restart / Reset:

  一种特殊模式,当CCD在读出周期时,由外面触发讯号终止,然后重新开始同步读出。

  40.RS-232C:

  计算机上顺序的(Serial)数据传输,可用来控制工业相机功能。

  41.S/N(Signal To Noise Ratio) :

  常以dB为单位表示,是正常讯号输出和电子讯号内的噪声比。

  42.SquarePixel:

  用来判定CCDSensor的Pixel中心和中心是否有水平和垂直等距离。当影像由Non-square pixel sensor抓取时,需要作软件校正才能达到正确影像几何。

  43.模拟数字化(Analog ToDigital) :

  是CCD工业相机输出影像讯号的格式。早期所制定的标准型的CCD,多采用模拟讯号输出。目前各厂商,则陆续推出内建模拟转数字(ADC)电路的数字化工业相机。工业相机所能提供的影像灰阶度,则取决于A/D转换电路的位数。譬如,8位工业相机,可提供28=256灰阶影像输出,而10位,则代表1024灰阶度表现力,依此类推。

  44.频谱特性(SpectralCharacteristics) :

  CCD传感器对外界不同波长的光,对应的响应系数(Responsibility)或感应强度。一般常见的工业相机最佳频谱特性,多半座落于可见光范围,即400~800nm。

  45.StrobeSynchronization :

  此功能设计来抓取快速移动物体,在黑暗的环境下打闪光以获得全Frame影像。此项功能需和影像卡搭配使用。

  46.VBS(Video+Burst+Sync) :

  复合视讯讯号,包括彩色信息。

  47.VS (Video+Sync):

  复合黑白视讯讯号,常用作在黑白系统的Genlock信号。

  48.VD(Vertical Drive) :

  经由外部来源来同步工业相机图场速率的信号,经常和HD一起应用在黑白系统中。

  49.WB(White Balance) :

  在彩色工业相机,白平衡是调整CCD彩色差别数值讯号的手续,所以影像中由特殊光源所照明白色物体,显示成白色或灰色 (即没彩度)。工业相机不像是人的眼睛会自动寻找,它是绝对量测装置,它的彩色平衡必须调整去适应反射光源的色温。

  50.Y / C (Also Called S-Video):

  视讯讯号分离成Luminance及Chrominance 2部分输出的讯号,可以得到较高影像分辨率,接头是4pin Mini-DIN。

  【工业相机丢帧的原因】

  在机器视觉系统中,许多视觉应用遇到了工业相机引起的帧丢失,严重影响了后续的图像处理。这是什么原因?如何解决这个问题?主要原因有三:

  首先,可视化软件的原因

  主要查看图像空间等待可视化软件进行计算,是否存在缓冲机制,以增加图像缓存的缓冲时间,从而可以处理程序的操作。如果图像在稳定操作下比CPU的整体处理速度更快地进入,则当缓存过载时,将发生帧丢失。

  第二,工业相机本身

  图像传感器首先将图像传送到工业相机的芯片,然后传送到PC。如果PC系统太忙而不能及时处理接收到的图像,并且图像传感器继续传送新图像,则工业相机必须有足够的存储器缓存,否则它将导致帧丢失。

  第三、PC系统硬件原因

  这里,PC硬件驱动程序有偏差。对于PC机来说,最重要的事情是驱动程序的效率和CPU中内核模式的线程数。接收效率不高,工业相机没有足够的缓冲存储器。帧丢失也会发生。

  工业相机出现掉帧现象的原因是数据通道被阻塞,无法进行技术处理。因此,当捕获新图像时,可以强制丢弃先前图像,或者强制丢弃新图像。为了解决这个问题,设计者需要精确地设计驱动和工业相机硬件数据传输的每个部分

  工业相机出现掉帧现象的原因是数据通道被阻塞,无法进行技术处理。因此,当收集新图像时,可以强制丢弃先前的图像,或者强制丢弃新图像。一般来说,工业相机的帧丢失与工业相机所使用的传输接口无关。无论是USB、1394、GigE还是相机链接,设计不当的驱动程序或工业相机硬件都是帧丢失的真正原因。

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  何解决帧丢失问题?

  为了解决这个问题,设计者需要精确地设计驱动和工业相机硬件数据传输的每个部分。有三个地方阻止图像数据:

  1、工业相机的一部分

  图像传感器将图像传输到相机上的USB芯片,将USB传输到PC,如果PC系统忙于处理接收到的图像,并且图像传感器继续传输新的图像数据,则工业相机必须有足够的存储器缓冲区,反之亦然。

  2、可视化软件程序部分

  该可视化软件具有用于等待所计算的图像空间的缓冲机制,以便增加图像的缓冲以获得缓冲时间,从而可以处理程序的操作,但是如果操作稳定,则CPU的整体处理速度更快。比图像。速度很慢,当缓存总是超载时,就会出现帧丢失。

  3、硬件PC系统部分

  这部分偏向PC硬件驱动程序,与可视化软件程序无关。PC机接收的关键是驱动程序的效率,在内核模式下有多少线程处于CPU时间,接收效率不高,工业相机没有足够的缓冲存储器会导致帧丢失。

  工业相机具有非常快的帧速率。事实上,只要有足够的容量来调整系统的“临时”忙碌,工业相机缓存就不会像PC程序那样扩大规模。USB工业相机将丢弃帧。只有一种情况,机器视觉软件比工业相机图像慢。软件缓存已满,无法存储新图像。但这是系统数据,而不是工业相机掉数据。在这种情况下,不管使用1394接口、USB接口或GigE接口的工业相机,任何接口的工业相机都将得到相同的结果。

  因此,在购买工业相机时,必须详细检查其参数,并选择项目的实际要求,以避免发生掉帧事件。

  以下是相关网友的提问:

  1、工业相机里的像元深度是什么意思?

  表示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。

  2、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,其实就是资料通道的堵塞,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。