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工业相机视觉检测的基础知识及参数详情

来源:加一伟业 发布日期:2019-08-02

  相机都有哪些种类?我们常说的CCD就是相机么?除了2D平面相机,是否还有其他种类的相机,原理又是什么?下面这篇文章给您一一道来。

  一、相机就是CCD么?

  通常,我们把所有相机都叫作CCD,CCD已经成了相机的代名词。其实很可能正在使用的是CMOS。CCD以及CMOS都称为感光元件,都是将光学图像转换为电子信号的半导体元件。他们在检测光时都采用光电二极管,但是在信号的读取和制造方法上存在不同。两者的区别如下:

  CCDCMOS

  制造技术比较困难比较容易

  (可以转而使用通用半导体制造装置)

  制造成本高价低价

  消耗电力多少

  干扰比较少比较高

  对光的敏感度高不如CCD

  二、像素

  所谓像素,是指图像的最小构成单位。电脑中的图像,是通过像素(或者称为PIXEL)这一规则排列的点的集合进行表现的。每一个点都拥有色调和阶调等色彩信息,由此就可以描绘出彩色的图像。

  例如:液晶显示器上会显示「分辨率 :1280×1024」等。这表示横向的像素数为1280,纵向的像素数为1024。这样的显示器的像素总数即为1280×1024=1,310,720。由于像素数越多,则越可以表现出图像的细节,因此也可以说「清晰度更高」。

工业视觉检测的基础知识:相机

三、像素直径

  所谓像素直径,是指每个CCD元件的大小,通常使用μm作为单位。

  严谨的说,这个大小中包含了受光元件与信号传送通路。(=像素间距,即某个像素的中心到邻近一个像素的中心的距离)。也就是说,像素直径与像素间距的值是一样的。如果像素直径较小,则图像将通过较小的像素进行描绘,因此可以获得更加精细的图像。可以通过像素直径和有效像素数,求出CCD元件的受光部的大小。

  假设某个CCD元件的条件如下所示:

  有效像素数…768 × 484

  像素直径…8.4μm × 9.8μm

  则受光部的大小为:

  横向 768 × 8.4μm = 6.4512mm

  纵向 484 × 9.8μm = 4.7432mm

  四、CCD的大小

  CCD感光元件的大小,一般分为采用英寸单位表示和采用APS-C大小等规格表示这2种方式。

  采用英寸表示时,该尺寸并不是拍摄的实际尺寸,而是相当于摄像管的对角长度。

  【例】1/2英寸的CCD表示「拥有相当于1/2英寸的摄像管的拍摄范围」。

  为什么如此计算呢?这是由于当初制造CCD的目的就是用来代替电视机录像机的摄像管的。当时,由于想要继续使用镜头等光学用品的需求比较强烈,由此就诞生了这种奇怪的规格。主要的英寸规格的尺寸如下表所示。

工业视觉检测的基础知识:相机

尺寸对角长度拍摄区域

  2/3英寸11mmW8.8×H6.6mm

  1/2英寸8mmW6.4×H4.8mm

  1/3英寸6mmW4.8×H3.6mm

  1/4英寸4.5mmW3.6×H2.0mm

  五、快门速度

  快门速度,表示CCD或CMOS感光元件中蓄积电荷的时间。

  如果快门速度为1/250,则蓄积光的时间为1/250秒。快门速度越快,则元件的受光量越少,相反如果快门速度越慢,则元件的受光量越多。

  也可以说,快门速度将起到了调整光量的作用。

  关于快门速度和受光量(正确来说应该称为蓄积的电荷量),存在以下的关系:

  【例】如果将快门速度基准定为 1/1000秒(1ms),则

  快门速度变为 1/500秒(2ms),则受光量变为2倍。

  快门速度变为 1/2000秒(0.5ms),则受光量变为1/2。

  六、增益

  所谓增益,是指将图像信号进行电子增幅的过程。用于图像处理的CCD中,配备了可以通过在暗处拍摄时增幅信号,从而看上去变得明亮的功能。另外,还配有根据拍摄对象的亮度自动进行调整的增益控制功能等。

  【例】在1/10000快门速度下拍摄,增加增益前后的对比如下:

工业视觉检测的基础知识:相机

七、1D相机(线扫描相机)

  面型相机

  前面所有我们提到的像素呈矩阵排列的CCD,即为覆盖视觉检测中99%应用的面阵相机。

工业视觉检测的基础知识:相机

线型相机

  而线阵相机在长度方向目前最多有16K像素,但是宽度方向只有一个像素。通过移动来获取图像。

工业视觉检测的基础知识:相机

相比于平面相机,线扫相机主要优势体现在两个方面:

  更高的分辨率。

  成像质量更高。(反光产品,柱状体产品)

工业视觉检测的基础知识:相机

  另外,对于布匹装的连续监测的产品,线扫描相机也非常方便。

工业视觉检测的基础知识:相机

  但是,相比于面阵相机,线扫描相机成本更高,安装架设难度更高。同时,需要配合编码器来配合触发拍照,需要有这方面的Know-how。

  最后,线扫描相机需要使用特殊的镜头和光源。

工业视觉检测的基础知识:相机

八、3D相机

  目前市面的3D相机根据成像原理不同,主要分为三种。

  激光类(Laser)

  多目类(Binocular Vision)

  光栅类(Strip Pattern)

  1. 激光类(Laser)

  主要是通过三角反射原理,激光发生器投出激光束照在物体表面,反射回来的光线被CCD接受,然后建模成3D图像。

工业视觉检测的基础知识:相机

激光扫描成像

工业视觉检测的基础知识:相机

2. 双目类(Binocular Vision)

  双目立体视觉是指用两台性能相当、位置固定的CCD摄像机, 获取同一景物的两幅图像,通过两个摄像头所获取的二维图像,来计算出景物的三维信息。

  在原理上比较类似人类的双目视觉。组建一个完整的双目立体视觉系统一般需要经过摄像机标定,图像匹配,深度计算等步骤。

  九、2.5D相机

  (详细介绍请参考之前历史文章)通过控制光源从不同角度照明,得到图像凹凸信息产生的阴影图像,而最后合成计算得到3D信息的图像(注:高度“Z”方向不能定量测量,所以叫2.5D)。

工业视觉检测的基础知识:相机

原图 -- 合成图像

工业视觉检测的基础知识:相机

  工业相机参数详情【详细介绍】

  相机是我们生活中使用非常广泛的电子产品,它可以帮助人们记录一切美好的食物。相机也是工业制造中非常重要的设备,它的存在可以采集各种各样的图像,我们通常称这类相机为工业相机。今天我们要来了解的是工业相机的参数。

工业相机参数

  1. 分辨率(Resolution):相机每次采集图像的像素点数(Pixels),对于数字相机一般是直接与光电 传感器 的像元数对应的,对于模拟相机机则是取决于视频制式,PAL制为768*576,NTSC制为640*480,模拟相机已经逐步被数字相机代替,且分辨率已经达到6576*4384。

  2. 像素深度(Pixel Depth):即每像素数据的位数,一般常用的是8Bit,对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit、14Bit等。

  3. 最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate):相机采集传输图像的速率,对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec.),对于线阵相机为每秒采集的行数(Lines/Sec.)。

  4. 曝光方式(Exposure)和快 门 速度(Shutter):对于线阵相机都是逐行曝光的方式,可以选择固定行频和外触发同步的采集方式,曝光时间可以与行周期一致,也可以设定一个固定的时间;面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式,数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒,高速相机还可以更快。

  5. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小。数字相机像元尺寸为3μm~10μm,一般像元尺寸越小,制造难度越大,图像质量也越不容易提高。

  6. 光谱响应特性(Spectral Range):是指该像元传感器对不同光波的敏感特性,一般响应范围是350nm-1000nm,一些相机在靶面前加了一个滤镜,滤除红外光线,如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。[1]

  7.接口类型:有Camera Link接口太网接口,1394接口、USB接口输出,目前最新的接口有CoaXPress接口。

 

  工业相机的参数决定了工业相机的性能高低,而工业相机的性能决定着工业相机采集图像的分辨率和质量,所以工业相机的参数是非常重要的,也是非常值得大家去认识和学习的。所以,小编希望上面的内容大家都可以仔细的去阅读。

  以下是相关网友的提问:

  1、常用的工业相机的接口类型有哪些?

  图像采集设备的前端是相机接口,常用的工业相机接口有USB,GIGE,Camera Link, 1394等.

  1 USB接口

  USB接口是4针,直接输出数字图像信号。USB是串行接口,支持热插拔,连接方便。USB2.0的传输速度达到120Mbps-480Mbps.但是对于工业应用,USB接口并不是最佳选择。其一,没有工业图像传输标准;丢包率严重;传输距离短;稳定性也差。

  2 1394接口

  1394接口又称火线,最早是由美国苹果公司开发的用于计算机网络互联的接口。该接口一度为很多相机厂商所热捧,但是由于其推出初期是收费的,影响了其应用的广泛性。支持的厂商越来越少,普通计算机已经不预留1394接口了,只有在专业的工控机上才会有该接口。预计未来必然被淘汰的一种接口。

  3 Gige接口

  千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术,给用户带来了提高核心网络效率的有效解决方案,这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的特点。

  千兆以太网技术仍然是以太技术,它采用了与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于该技术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统,因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作。升级到千兆以太网不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统,能够最大程度地节约成本。

  以下是相关网友的提问:

  1、常用的工业相机的接口类型有哪些?

  图像采集设备的前端是相机接口,常用的工业相机接口有USB,GIGE,Camera Link, 1394等.

  1 USB接口

  USB接口是4针,直接输出数字图像信号。USB是串行接口,支持热插拔,连接方便。USB2.0的传输速度达到120Mbps-480Mbps.但是对于工业应用,USB接口并不是最佳选择。其一,没有工业图像传输标准;丢包率严重;传输距离短;稳定性也差。

  2 1394接口

  1394接口又称火线,最早是由美国苹果公司开发的用于计算机网络互联的接口。该接口一度为很多相机厂商所热捧,但是由于其推出初期是收费的,影响了其应用的广泛性。支持的厂商越来越少,普通计算机已经不预留1394接口了,只有在专业的工控机上才会有该接口。预计未来必然被淘汰的一种接口。

  3 Gige接口

  千兆以太网技术作为最新的高速以太网技术,给用户带来了提高核心网络效率的有效解决方案,这种解决方案的最大优点是继承了传统以太技术价格便宜的特点。

  千兆以太网技术仍然是以太技术,它采用了与10M以太网相同的帧格式、帧结构、网络协议、全/半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于该技术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统,因此可与10M或100M的以太网很好地配合工作。升级到千兆以太网不必改变网络应用程序、网管部件和网络操作系统,能够最大程度地节约成本。

  2、工业镜头的分辨率重要吗

  为您解答:工业镜头中的百万像素,二百万像素和五百万像素同样是指工业镜头的空间分辨率,因为工业镜头必须配合工业相机使用,为了方便记忆镜头与工业相机的匹配关系,人们常采用对应工业相机的分辨率来命名工业镜头。这种命名方式其实并不科学,同时给新接触视觉系统的人带来了很多误解,经常会机械的套用百万像素分辨率工业相机对应百万像素工业镜头,二百万像素分辨率工业相机对应二百万像素工业镜头,而五百万像素分辨率工业相机则对应五百万像素工业镜头。

  其实工业镜头与工业相机对应的并不是工业相机自身的像素分辨率(像素数),而是各自的极限空间分辨率。按目前公开的性能指标来说,百万像素工业镜头对应的极限空间分辨率是90线对/mm,二百万像素工业镜头对应的空间分辨率是110线对/mm,五百万像素工业镜头对应的空间分辨率是160线对/mm,因此百万像素工业镜头配合相机的极限空间分辨率必须低于90线对/mm,二百万像素工业镜头和五百万像素工业镜头配合相机的原理也相同,而决定相机极限空间分辨率的并不是工业相机自身的像素分辨率,而是工业相机的单个像元尺寸大小。

  3、千万像素工业相机怎么选型?

  选择千万像素工业相机前,首先要清楚自己的检测任务,是静态拍照还是动态拍照,拍照的频率是多少,是做缺陷检测还是尺寸测量,或者是定位,产品的大小(视野)是多少,需要达到多少精度,所用软件的性能,现场环境情况如何,有没有其它的特殊要求等