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USB工业相机实力与魅力的诠释 工业相机的应用技术和接口发展趋势

来源:加一伟业 发布日期:2019-08-20

  在机器视觉系统组件中,工业相机可谓是系统的“心脏”。纵观行业发展,数字相机早已横行天下,USB2.0工业相机,1394工业相机和GigE工业相机已逐步取代了模拟相机的主体地位,成为工业相机市场的三大主流数字相机。而在行业应用中,USB工业相机也渐现其应用实力与产品魅力,将成为工业相机市场上的新霸主。

  1.USB工业相机的成本优势:

  USB接口作为世界上应用最广泛的接口,其接口驱动芯片和驱动电路的成本极为便宜,而相机的成本主要由成像芯片和电路,接口驱动芯片和电路以及外壳等三部分构成。USB接口驱动的成本远比1394和GigE接口的驱动低,因此USB工业相机的价格不仅比原来模拟相机配模拟采集卡的价格便宜,而且也比1394和GigE接口的相机更便宜。USB工业相机的整体成本(相机自身及配套线缆)比其它数字相机低出15%-30%。

  2.USB工业相机的易用性:

  USB接口作为世界上应用最广泛的接口,各种电脑上都自带2-4个USB接口,USB工业相机可以被直接连接在这些电脑的USB接口上稳定工作,而1394相机则需要单独在电脑中安插1394采集卡才能工作。此外USB接口可以直接为USB工业相机供电,不需要为相机准备单独的电源,而GigE相机则需要独立电源为相机单独供电。因此,USB工业相机的易用性是三种数字相机中最好的。

  3.USB工业相机的未来持续升级性:

  USB接口作为世界上应用最广泛的接口,有世界级的协会在不断推动升级USB接口协议,USB3.0正在成为新一代电脑和电子产品的标准接口。目前USB3.0工业相机已经问世,传输速度比USB2.0提升了5X,达到2.5Gbit/s,是1394B传输速度的3倍,是GigE传输速度的2.5倍,未来2-3年将会成为高速工业应用的主要接口。

  4.USB工业相机稳定性:

  USB工业相机非常适合于1台电脑带1-2台相机的应用,稳定性很好。USB工业相机是大多数中低速工业应用的最佳选择,可以大大节省用户成本。

  同时,伴随着USB3.0接口不断的推广普及,USB工业相机将解决高带宽传输实现高帧率、高分辨率、远距离的实时进行,将工业相机带向更高端的阶段。而业界USB3.0工业相机的阵容也在不断强大,维视图像推出的MV-VDM小型USB3.0接口高速高清工业相机也渐其现应用优势,助力行业新征程。

  工业相机的应用、技术和接口发展趋势

  通过与《Vision Systems Design》和《Inspect》 杂志合作, 德国FRAMOS 公司针对工业相机技术的发展趋势、接口和未来发展做了一份市场调查。在该项调查研究中,有 52 家用户和 8 家制造商接受了调查访问,其中 55% 的受访公司来自欧洲,23%来自北美和南美,22%来自亚洲/中东,并在斯图加特举办的 VISION 2016 大会上公布了调研结果。欧洲在采购和生产方面均排名第一,分别为占据62% 和 43% 的市场份额。制造商还在亚洲(13%)和美国(6%)生产。排在欧洲之后,亚洲和美国拥有同样强劲的采购市场,各占据了 28% 的市场份额。与2015年相比,美国在产量方面的市场份额下降到 28%,这可能也受到了北美和南美参与调查的厂商数量较少的影响。

  相机厂商表示,从销售额的角度来看,测量和物流分别占据 50% 和 13% 的市场份额 ;生产自动化和质量保证应用各自占据了 63% 的市场份额 ;医疗诊断和科学应用也分别占据了 38%的市场份额。来自工业相机用户的调查数据,也显示了类似的结果 :48% 的相机用于自动化领域,46% 用于质量保证应用,40% 用于测量领域,29% 用于科学应用。医疗诊断应用占用户相机部署的10%。交通应用(包括车辆辅助系统)对于制造商来说也是一个重要市场,但是对于用户而言,这个市场的重要性并不强。

  与往年一样,相机制造商和系统开发商都看到了图像处理和机器视觉行业的持续增长,90% 的用户打算在未来两年内推出或替换现有设备。

  相机定价

  对于150-650 美元之间的中等价位工业相机的生产比例,在制造商的生产路线图中,已经从 2014 年的高达 70% 稳步下降到了 44%,这表明价格在经过前几年的连续下滑后,已经相对稳定。150 美元以下的低成本相机,制造商的生产比例和用户的采购比例分别为 26% 和 11%,重要性相对较低。与 2015 年相比,高价相机从 650 美元 /1000 美元 /3000 美元下降了 12 个百分点(见图 1)。因此,对于一下小型相机制造商而言,针对特定应用生产定制化相机,似乎是一个强劲卖点和市场优势。

  图1:事实上,价格超过1000美元的相机的销量,差不多占相机总销售量的20%,这表明了许多应用领域对高端相机的强劲需求。

  CMOS与CCD相比

  由于索尼停止生产 CCD 图像传感器,使得用户见证了安森美半导体公司等公司业绩的巨大增长,目前安森美在这个市场的占有率为 29%。在去年的研究中,索尼用户和制造商预期中的衰落并未成真,目前仍然有 32% 的相机制造商依赖于索尼。在未来的两年中,索尼有望重返其宣布停产CCD之前的市场份额水平:37%。相比于2015年,2016年有更多的用户选择了索尼,用户比例从 2015 年的 35% 提升到了 2016 年的 53%。

  相机厂商指出,CMOS 技术占相机销售额的 85%。相机用户有望在未来两年达到这个采购水平。今天,有51%的用户采用CMOS,但是预计这一比例将很快增长到 83%。随着 CCD 技术的逐渐被替代,e2v 将从相机制造商(从 3%~12%)和定制传感器(从4%~19%)这两方面受益,这两个市场都显示出了同样积极的预测。

  2015 年,大约有 30% 的用户使用 100 万像素以下的传感器,然而2016 年这个比例下降到了只有 10%。100 万像素传感器使用量的显著下降,导致 100~300 万像素产品(增长10%)、300~500 万像素产品(增长2%)和 500~1000 万像素产品(增长3%)的用量增长。在未来两年,制造商和用户有望将应用重点放在帧率在25~60fps之间的应用上。与此同时,相比于 2015 年,帧率超过 100fps(面向用户 :增长 13%)和 200fps(面向制造商 :增长 14%)的应用开始显著增加。

  标准接口

  来自相机制造商的调查数据显示,GigE Vision 是目前最受欢迎的接口标准(33%),其次是 Ethernet(15%)。与 2015 年相比,基于美国参与比例较低的原因,以往高占比的Ethernet 接口标准的使用比例在下降。相机制造商和用户都预计,USB 3.0和 GigE Vision 将会迎来最快速的增长,市场增长率分别以 8% 和 10%。如 今, 超 过 75% 的 制 造 商 和60% 的用户认为,5GB 甚至更高的带宽变得至关重要。对于高速应用的接口选择,先从相机制造商的反馈 :50% 的制造商认为,USB 3.1 是高速应用所需的最重要接口 ;38% 的制造商认为是 10GigE 是高速应用的理想选择。再来看看来自用户的反馈 :44% 的用户支持通过 10GigE 实现高速传输 ;而支持通过 USB 3.1 实现高速传输的用户比例为 37%。

  图2:在系统集成商中,GigE Vision标准最受欢迎,其次是Camera Link和USB 3。

  以下是相关网友的提问:

  1、工业相机是做做什么用的,跟普通的照相机有区别吗?

  工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件,其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节,相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直接相关。

  工业相机和普通相机的区别:

  1、工业相机的性能稳定可靠易于安装,相机结构紧凑结实不易损坏,连续工作时间长,可在较差的环境下使用,一般的数码相机是做不到这些的。例如:让民用数码相机一天工作24小时或连续工作几天肯定会受不了的。

  2、工业相机的快门时间非常短,可以抓拍高速运动的物体。

  例如,把名片贴在电风扇扇叶上,以最大速度旋转,设置合适的快门时间,用工业相机抓拍一张图像,仍能够清晰辨别名片上的字体。用普通的相机来抓拍,是不可能达到同样效果的。

  3、工业相机的图像传感器是逐行扫描的,而普通的相机的图像传感器是隔行扫描的, 逐行扫描的图像传感器生产工艺比较复杂,成品率低,出货量少,世界上只有少数公司能够提供这类产品,例如Dalsa、Sony,而且价格昂贵。

  4、工业相机的帧率远远高于普通相机。

  工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅图片,而普通相机只能拍摄2-3幅图像,相差较大。

  5、工业相机输出的是裸数据(raw data),其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,例如机器视觉(Machine Vision)应用。而普通相机拍摄的图片,其光谱范围只适合人眼视觉,并且经过了mjpeg压缩,图像质量较差,不利于分析处理。

  6、工业相机(Industrial Camera)相对普通相机(DSC)来说价格较贵。

  2、怎么量化的比较两个工业相机的好坏?

  工业相机有许多项参数,选择合适的工业相机既要考虑工业相机的参数,也要考虑到项目的精度要求,那么如何选择一个合适的工业相机呢?下面介绍一下选择工业相机的相关知识。

  1、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。

  2、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;

  3、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。