新机器视觉:线阵相机和面阵相机的区别及应用

In: 行业资讯 On: Monday, December 3, 2018 Hit: 91

导读:随着全球工业4.0概念的兴起和智能制造的发展,机器视觉技术正快速应用于工业领域,工业视觉应用逐步有引领智能制造的势头。众所周知,视觉应用最核心的硬件就是工业相机,而一般工业相机按照像元排列方式分为线阵相机和面阵相机,这两者在功能和应用上具体有什么区别呢,下面给大家做一个简单的介绍。

      随着全球工业4.0概念的兴起和智能制造的发展,机器视觉技术正快速应用于工业领域,工业视觉应用逐步有引领智能制造的势头。众所周知,视觉应用最核心的硬件就是工业相机,而一般工业相机按照像元排列方式分为线阵相机和面阵相机,这两者在功能和应用上具体有什么区别呢,下面给大家做一个简单的介绍。

  一、了解线阵相机与面阵相机的基本区别:

  工业相机按照传感器的结构特性可分为面阵相机和线阵相机,面阵、线阵相机都有各自的优点和缺点,在用途不同的情况下选择合适的传感器的结构工业相机,至关重要。

  1、类型区分

  面阵相机:实现的是像素矩阵拍摄。相机拍摄图像中,表现图像细节不是由像素多少决定的,是由分辨率决定的。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。?像素的多少不决定图像的分辨率(清晰度),那么大像素相机有何好处呢?答案只有一个:减少拍摄次数,提高测试速度。

  线阵相机:顾名思义是呈“线”状的。虽然也是二维图像,但极长。几K的长度,而宽度却只有几个象素的而已。一般上只在两种情况下使用这种相机:

  1)被测视野为细长的带状,多用于滚筒上检测的问题。

  2)需要极大的视野或极高的精度。

  在第二种情况下(需要极大的视野或极高的精度),就需要用激发装置多次激发相机,进行多次拍照,再将所拍下的多幅“条”形图象,合并成一张巨大的图。因此,用线阵型相机,必须用可以支持线阵型相机的采集卡。?

  线阵型相机价格贵,而且在大的视野或高的精度检测情况下,其检测速度也慢--一般相机的图象是?400K~1M,而合并后的图象有几个M这么大,速度自然就慢了。慢功出细活嘛。

  由于以上这两个原因,线阵相机只用在极特殊的情况下。?

  2、应用对比:

  面阵相机:应用面较广,如面积、形状、尺寸、位置,甚至温度等的测量。

  线阵相机:主要应用于工业、医疗、科研与安全领域的图象处理。典型应用领域是检测连续的材料,例如金属、塑料、纸和纤维等。被检测的物体通常匀速运动?,?利用一台或多台相机对其逐行连续扫描?,?以达到对其整个表面均匀检测。可以对其图象一行一行进行处理?,?或者对由多行组成的面阵图象进行处理。另外线阵相机非常适合测量场合,这要归功于传感器的高分辨率,它可以准确测量到微米。

  3、优点对比:

  面阵相机:可以获取二维图像信息,测量图像直观。

  线阵相机:一维像元数可以做得很多,而总像元素较面阵相机少,而且像元尺寸比较灵活,帧幅数高,特别适用于一维动态目标的测量。而且线阵分辨率高,价格低廉,可满足大多数测量现场要求。

  4、缺点对比:

  面阵相机:像元总数多,而每行的像元数一般较线阵少,帧幅率受到限制,因此其应用面较广,如面积、形状、尺寸、位置,甚至温度等的测量。由于生产技术的制约,单个面阵的面积很难达到一般工业测量现场的需求。

  线阵相机:要用线阵获取二维图像,必须配以扫描运动,而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位置,还必须配以光栅等器件以记录线阵每一扫描行的坐标。一般看来,这两方面的要求导致用线阵获取图像有以下不足:图像获取时间长,测量效率低;由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在,增加了系统复杂性和成本;图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低,最终影响测量精度。

  二、另:线阵相机与面阵相机的选型:

  首先了解一下线扫描系统,这个系统一般可用于被测物体和相机之间有相对运动的场合,通过线扫描相机高速采集,每次采集完一条线后正好运动到下一个单位长度,继续下一条线的采集,这样一段时间下来就拼成了一张二维的图片,也就类似于面阵相机采集到的图片,不同之处是高度可以无限长。接下来通过软件把这幅“无限长”的图片截成一定高度的图片,进行实时处理或放入缓存稍后进行处理。

  视觉部分,包括线扫描相机,镜头,光源,图象采集卡和视觉软件;

  运动控制部分,包括马达, 马达驱动器, 运动控制卡或PLC,为了保证采集的图象与输送带同步,有时还会需要编码器。

  由于线扫描信息量大,所以需要一台高性能的工控机,配置大容量的内存和硬盘,主板要提供PCI、PCI-E或PCI-X插槽。

  一般来说,一个面阵视觉系统的配置选型是按照这样的顺序进行的。:

  相机+采集卡->镜头->光源

  线阵项目也类似,根据系统的检测精度和速度要求,确定线阵CCD相机分辨率和行扫描速度,同时确定对应的采集卡,只是需要选线阵相机镜头接口(mount)时同时考虑镜头的选型,最后确定光源的选型。

  三、线阵摄像机(线阵工业相机)的选型:

  计算分辩率:幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素

  选定相机:幅宽除以像素数得出实际检测精度

  每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数

  根据以上数值选定相机

  如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s

  相机:1600/1=1600像素

  最少2000像素,选定为2k相机

  1600/2048=0.8实际精度

  22000mm/0.8mm=27.5KHz

  应选定相机为2048像素28kHz相机

  四、线阵镜头的选型:

  为什么在选相机时要考虑镜头的选型呢?常见的线阵相机分辨率目前有1K,2K,4K,6K,7K,8K,12K几种,象素大小有5um,7um,10um,14um几种,这样芯片的大小从 10.240mm (1Kx10um) 到 86.016mm (12Kx7um)不等。很显然,C接口远远不能满足要求,因为C接口最大只能接 22 mm 的芯片,也就是1.3inch。而很多相机的接口为F,M42X1,M72X0.75等,不同的镜头接口对应不同的后背焦(Flange distance),也就决定了镜头的工作距离不一样。

  1、光学放大倍率(β,Magnification)

  确定了相机分辨率和像素大小,就可以计算出芯片尺寸(Sensor size);芯片尺寸除以视野范围(FOV)就等于光学放大倍率。β=CCD/FOV

  2、接口(Mount):

  主要有C、M42x1 、F、T2、Leica、M72x0.75等几种,确定了之后,就可知道对应接口的长度。

  3、后背焦(Flange Distance)

  后背焦指相机接口平面到芯片的距离,是一个非常重要的参数,由相机厂家根据自己的光路设计确定。不同厂家的相机,哪怕是接口一样,也可能有不同的后背焦。

  有了光学放大倍率、接口、后背焦,就能计算出工作距离和节圈长度。选好这些之后,还有一个重要的环节,就是看MTF值是否足够好?很多视觉工程师不了解MTF,而对高端镜头来说就必须用MTF来衡量光学品质。MTF涵盖了对比度、分辨率、空间频率、色差等相当丰富的信息,并且非常详细地表达了镜头中心和边缘各处的光学质量。不仅只是工作距离、视野范围满足要求,边缘的对比度不够好,也要重新考虑是否选择更高分辨率的镜头。

  五、线扫描线阵光源的选型:

  线扫描项目中,常用的光源有LED光源、卤素灯(光纤光源)、高频荧光灯。

  卤素灯也叫光纤光源,特点是亮度特别高,但缺点也很明显--寿命短,只有1000-2000小时左右,需要经常更换灯泡。发光源是卤素灯泡,通过一个专门的光学透镜和分光系统,最后通过光纤输出,光源功率很大,可高达250瓦。卤素灯还有一个名字叫冷光源,因为通过光纤传输之后,出光的这一头是不热的且色温稳定,适合用于对环境温度比较敏感的场合,比如二次元量测仪的照明。用于线扫描的卤素灯,常常在出光口加上玻璃聚光镜头,进一步聚焦提高光源亮度。对于较长的线光源,还用几组卤素光源同时为一根光纤提供照明。

  高频荧光灯,发光原理和日光灯类似,只是灯管是工业级产品,特点是适合大面积照明,亮度较高,成本低,但荧光灯最大的缺点是有闪烁、衰减速度快。荧光灯一定需要高频电源,也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象的频率(对线扫描相机来说就是行扫描频率),消除图像的闪烁。专用的高频电源可做到60KHz。

  LED光源是目前主流的机器视觉光源。特点是寿命长,稳定性好,功耗非常小。

  1,直流供电,无频闪。

  2,专业的LED光源寿命非常长。(如美国AI的寿命50000小时亮度不小于50%)

  3,亮度也非常高,接近卤素灯的亮度,并且随着LED工艺的改善不断提高。(目前美国AI线光源亮度高达90000LUX)

  3,可以灵活地设计成不同结构的线光源,如直射、带聚光透镜、背光、同轴以及类似于碗状的漫反射线光源。

  4,有多种颜色可选,包括红、绿、蓝、白,还有红外、紫外。针对不同被测物体的表面特征和材质,选用不同颜色也就是不同波长的光源,获得更佳的图像。

  六、线扫描相机、光源与被测物体之间的角度分析:

  以玻璃检测为例,需要检测的缺陷有:脏点、结石、杂质、气泡、刮伤,裂纹,破损等,其大致可以分成两类,一类在玻璃表面的,一类是玻璃内部的。不同的缺陷,在图象中表现的出的灰度不一样,有黑的,有白的,也有灰的,并且在不同的光源照射角度或者相机接受角度,缺陷的对比度会变化,如在一个角度时,某一种缺陷的对比度最好,但其他缺陷可能比较次,甚至根本看不到。这样也就需要大量的分析、组合,才能确定最后的光源选型和相机、光源和被测物体之间的相对角度。如下图所示,相机、光源在不同角度安装,分别测试。

  结果发现:

  脏点,正面光源或背光都较容易凸现;

  结石和杂质,需要正面接近法线的照明或背面穿透照明;

  气泡,形状不固定,且要分析形成的原因以及方向,采用背面照明;

  刮伤和破损,正面低角度照明容易凸现。

  裂纹,需要背面侧照

  而且,以上缺陷并不是独立的,而是互相影响。统计、分析如下。

  综合以上因素,最后选用背光斜射和正面照射结合,相机接近法线方向安装。

  七、光源、镜头的调试:

  线扫描系统,对光源和相机来说,有效的工作区域都是一个窄条。也就是保证光源照在这个最亮的窄条与相机芯片要完全平行,否则只能拍到相交叉的一个亮点。所以机械安装、调试是比较费工夫的。同时由于幅宽比较宽,对于线光源有两个特别的要求,就是均匀性和直线性。因为线光源不同位置的亮暗差异,会直接影响图象的亮度高低,这一点LED比卤素灯更好控制。出光部分的直线性,取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。

  由于现场环境比较复杂,客户总是希望花多一些时间去现场调试。但如我们前面讲到的相机、光源、被测物体的相对角度测试、分析,许多因素会直接影响到检测效果。所以我们建议先做实验室测试,有了方案之后,再去现场调试,这样会最有把握,也能提高调试效率。毕竟服务也是一种成本。 线扫描系统除了机械结构之外, 其主要组成部分还包括机器视觉和运动控制。

  八、面阵相机和镜头选型:

  已知:被检测物体大小为A*B,要求能够分辨小于C,工作距为D 解答:

  1. 计算短边对应的像素数 E = B/C,相机长边和短边的像素数都要大于E;

  2. 像元尺寸 = 物体短边尺寸B / 所选相机的短边像素数;

  3. 放大倍率 = 所选相机芯片短边尺寸 / 相机短边的视野范围;

  4. 可分辨的物体精度 = 像元尺寸 / 放大倍率 (判断是否小于C);

  5. 物镜的焦距 = 工作距离 / (1+1 / 放大倍率) 单位:mm;

  6. 像面的分辨率要大于 1 / (2*0.1*放大倍率) 单位:lpmm ;

  以上只针对镜头的主要参数进行计算选择,其他如畸变、景深环境等,可根据实际要求进行选择。

  *针对速度和曝光时间的影响,物体是否有拖影。

  已知:确定每次检测的范围为80mm*60mm,200万像素 CCD 相机(1600*1200),相机或物体的运动速度为12m/min = 200mm/s 。

  曝光时间计算:

      1. 曝光时间 < 长边视野范围 / (长边像素值 * 产品运动速度);

  2. 曝光时间 < 80 mm / (1600 * 250 mm/s);

      3. 曝光时间 < 0.00025s ;

  总结:故曝光时间要小于 0.00025s ,图像才不会产生拖影。

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