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工业相机根据不同的标准可以有多种分类,例如按照输出信号的方式,可以分为模拟相机、数字相机;根据芯片类型的不同可以分为CCD相机与CMOS相机两种,这种分类方式也是我们为常见的。这里面,CCD全称电荷耦合元件,CMOS全称互补金属氧化物半导体,两者都是图像传感器,都是工业相机的精髓。
选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节,相机的不仅是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。
在国内,目前机器视觉的主要应用大部分还是聚集在大规模的自动化生产领域,而一般情况下,这些领域对于成本是非常敏感的,资金投入方面还存在一定的局限性。现在的工业相机市场,从国外购进,价格只增不减;国内自行生产,因为技术的不断升级,成本不断增加,价格也出现了相应的升高。因此,在未来的发展过程中,国内机器视觉市场需要的是低成本的工业相机。在赶超国际水平这段过程中,高性价比的工业相机是更适合中国机器视觉市场的。
工业相机在使用时有哪些需要注意地小细节:
1、拍摄时,工业相机要拿稳:否则会使影像出现双影或模糊不清。持之以按快门不要用力过猛,特别是在1/30秒以下更要注意稳定。要像射击时扣一样,先轻轻地按下道簧,抓住时机再及时按第二道簧。1/15秒以下好用三脚架,或将工业相机依托在固定物上拍摄;
2、拍摄时,工业相机要拿正。在拍摄人像、建筑物时,工业相机镜头不能过仰、过俯或左右倾斜,否则会使拍摄对象上大下小或上小下大,或使景物的水平向偏离地平线,使景物有东倒西歪的感觉;
3、使用器时,要轻轻地拨。在没按下快门之前,切勿硬拨回原位,否则容易损坏器的弹簧和齿轮;
4、在使用帘式,小型工业相机时,特别要注意保护布帘,切勿用手指使劲摸触,尤其不能让尖的东西弄破布帘;
5、工业相机镜头不能长时间对着太阳,防止漏光。尤其是布帘快门的工业相机,因为太阳光聚焦的作用,容易烧坏布帘;
6、在使用小型工业相机时,好要养成先上胶卷后调速度盘的习惯,有的小型工业相机在上胶卷前是定不准速度的;
7、定快门速度时,不能定在相邻的两级速度中间。工业相机调速盘的每个刻度上,都有个或小槽,拨定到位,才能正常运行,指在两级速度之间,不但得不到准确的速度,而且容易损坏快门。光圈的级数,可以指在两级光圈系数之间;
8、使用工业相机后,检查快门和设备是否放松,因快门结构的核心机件是弹簧,弹簧紧张的时间过长,易使弹力减弱,影响快门速度的准确性;
总之,工业相机的种类很多,使用工业相机的方法也不尽同。使用工业相机时,先要查看工业相机的型号、镜头的规格、使用的方法等。新的工业相机都有说明书,要仔细阅读,熟悉各部件的性能和操作方法。没有说明书而以不清楚的,一定要问清,切勿强行拨弄。在拍照前,还要检查一下工业相机的附件带全了没有,甚至连胶片卷轴这类小件都要考虑周到,稍有疏忽便会影响摄影的顺利进行。
典型的机器视觉系统主要由光源、镜头、工业相机、图像采集卡或图像处理器,以及控制输出单元等硬件构成。其中,工业相机是机器视觉系统核心的组件,其本质的功能就是将光信号转变成为有序的电信号,再将该信号模数转换并送到处理器后以完成图像的处理、分析和识别。选择合适的工业相机是机器视觉系统设计的重要环节,工业相机类型不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量,同时也与整个系统的运行模式直接相关。
工业相机有多种分类方法,比较常见有:按感光芯片的类型分CCD工业相机(电荷耦合器件)和CMOS工业相机(互补金属氧化物半导体);根据输出色彩分为黑白相机和彩色相机;按像元的排列方式可分为线阵相机和面阵相机,按成像维度可为二维(2D相机)和三维(3D相机)等。
往后在设备上使用CMOS传感器的工业相机会取代使用CCD传感器的工业相机吗?
随着CCD与CMOS图像传感器制造技术的不断进步,两者的差异正在逐渐缩小,例如CCD图像传感器不断降低耗电量,以期应用于移动通讯市场,例如近年来基于CCD的ToF图像传感器进入市场;CMOS图像传感器则持续提升分辨率与灵敏度,以期应用于更的影像产品市场。虽然业界普遍认为CMOS取代CCD是必然趋势,在2015年CCD图像传感器的主要制造商索尼公司(Sony)甚至发布了其终止量产CCD的时间表。不过目前来看,很多工业或应用领域基于CCD图像传感器技术仍占据重要地位,在相当长的一段时间内,两者应该是共存的关系。其实,CMOS图像传感器的的优势是能够与图像采集和信号处理等功能集成实现片上系统(SoC),随着机器视觉系统从基于PC的板级式视觉系统向能嵌入更多功能、更小型的智能相机系统发展,CMOS图像传感器必将成为后的赢家。
线阵相机和面阵相机
工业相机根据像元的排列方式可分为线阵相机和面阵相机,线阵、面阵相机都有各自的优点和缺点,适用于不同应用环境。
一文了解“工业相机”
图5 面阵相机(左)与线阵相机(右)
线阵相机,顾名思义是被测视野呈“线”状,它的传感器通常只有一行感光元素,以“线”扫描的方式连续拍照,再合成一张的二维图像。在某些应用中,如高频扫描和高分辨率的场合,相比面阵相机,线阵相机具有特定的优势。举例来说,如图6,检测圆形或柱形物品时,可能需要使用多台面阵相机,才能覆盖到物品的整个表面。但如果我们将物品置于一台线阵相机前面,然后旋转物品,通过这种方式将图像展开,我们可以采集到整个表面的图像。而且,线阵相机也更容易安装到狭小的应用空间,比如在相机通过输送带上的滚轴来查看物品底部的情况。另外,相比传统面阵相机,线阵相机通常也能够提供更高的分辨率。由于线阵相机需要物品进行运动来创建图像,它们通常非常适合用于检测处于连续运动状态的产品。
一文了解“工业相机”
图6 线阵相机能够:(a)展开柱形物品以进行检测;(b)将视觉系统安装到空间狭小的应用环境中;(c)满足高分辨率检测要求;(d)检测处于连续运动状态的物品
相比线阵相机,面阵相机是以“面”为单位来进行图像采集,面阵相机的传感器拥有更多的感光像素,以矩阵排列。面阵相机可以一次性获取完整的目标图像,比线阵相机具有更快的检测速度。大多数常见的检测相机都基于面阵扫描,包括测量面积、形状、尺寸、位置,甚至温度,不过面阵相机每行的信息没有线阵多,帧幅率有限。相机像素通常用万为单位表示,以矩阵排列,比如1百万像素相机的像素矩阵为W x H(宽 x 高)=1000 x 1000。相机的分辨率是指一个像素表示实际物体的大小,用um x um表示,数值越小,分辨率越高。分辨率是由选择的镜头焦距决定的,同一种相机,选用不同焦距的镜头,分辨率就不同,如图7。在表现图像细节方面,不是由相机的像素多少来决定的,而是由分辨率决定的。同等分辨率条件下,像素越多,可以成像的区域面积越大。虽然清晰度并不是由像素决定,但是像素大的相机,可以减少拍照次数,从而提高了速度。