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青島永鑫誠介紹關于視覺檢測的入門知識

http://www.0769xfcz.com  發表時間: 2022-11-08  來源: 青島永鑫誠

工業相機類型:按照輸出信號類型的不同分為模擬相機和數字相機兩種。而數字相機按照接口標準不同,可以分為1394相機、USB相機、CameraLink相機以及Gige相機四種。其中CameraLink接口相機能夠解決大數據量傳送問題;Gige接口相機能夠解決長距離、快速傳輸問題;而1394相機和USB接口相機具有簡單易用、性價比高等特點; ​

        一、機器視覺系統  

          工業相機類型:按照輸出信號類型的不同分為模擬相機和數字相機兩種。而數字相機按照接口標準不同,可以分為1394相機、USB相機、CameraLink相機以及Gige相機四種。其中CameraLink接口相機能夠解決大數據量傳送問題;Gige接口相機能夠解決長距離、快速傳輸問題;而1394相機和USB接口相機具有簡單易用、性價比高等特點;

           

    

    

        

             鏡頭接口類型:C接口、CS接口、U接口等;

             光源類型:環形光源、背光源、同軸光源、條形光源、點光源、球積分光源等;

        二、如何選擇相機?

        1、根據應用的不同分別選用CCD或CMOS相機

        CCD工業相機主要應用在運動物體的圖像提取,當然隨著CMOS技術的發展,很多貼片機也在選用CMOS工業相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD工業相機比較多。CMOS工業相機由成本低,功耗低也應用越來越廣泛。

        2、分辨率的選擇

          根據系統需求來選擇分辨率大小。首先考慮待觀察或待測量物體的精度,根據精度選擇分辨率。相機像素精度=單方向視野范圍大小/相機單方向分辨率。則相機單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。若單視野為5mm長,理論精度為0.02mm,則單方向分辨率=5/0.02=250。然而為增加系統穩定性,不會只用一個像素單位對應一個測量/觀察精度值,一般可以選擇倍數4或更高。這樣該相機需求單方向分辨率為1000,選用130萬像素已經足夠。

          其次看工業相機的輸出,若是體式觀察或機器軟件分析識別,分辨率高是有幫助的;若是VGA輸出或USB輸出,在顯示器上觀察,則還依賴于顯示器的分辨率,工業相機的分辨率再高,顯示器分辨率不夠,也是沒有意義的;利用存儲卡或拍照功能,工業相機的分辨率高也是有幫助的。

        應用案例:假設檢測一個物體的表面劃痕,要求拍攝的物體大小為10*8mm,要求的檢測精度是0.01mm。首先假設我們要拍攝的視野范圍在12*10mm,那么相機的最低分辨率應該選擇在:(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,約為120萬像素的相機,也就是說一個像素對應一個檢測的缺陷的話,那么最低分辨率必須不少于120萬像素,但市面上常見的是130萬像素的相機,因此一般而言是選用130萬像素的相機。但實際問題是,如果一個像素對應一個缺陷的話,那么這樣的系統一定會極不穩定,因為隨便的一個干擾像素點都可能被誤認為缺陷,所以我們為了提高系統的精準度和穩定性,最好取缺陷的面積在3到4個像素以上,這樣我們選擇的相機也就在130萬乘3以上,即最低不能少于300萬像素,通常采用300萬像素的相機為最佳(我見過最多的人抱著亞像素不放說要做到零點幾的亞像素,那么就不用這么高分辨率的相機了。比如他們說如果做到0.1個像素,就是一個缺陷對應0.1個像素,缺陷的大小是由像素點個數來計算的,試問0.1個像素的面積怎么來表示?這些人以亞像素來忽悠人,往往說明了他們的沒有常識性)。換言之,我們僅僅是用來做測量用,那么采用亞像素算法,130萬像素的相機也能基本上滿足需求,但有時因為邊緣清晰度的影響,在提取邊緣的時候,隨便偏移一個像素,那么精度就受到了極大的影響。故我們選擇300萬的相機的話,還可以允許提取的邊緣偏離3個像素左右,這就很好的保證了測量的精度。

        3、相機幀數選擇

          當被測物體有運動要求時,要選擇幀數高的工業相機。但一般來說分辨率越高,幀數越低;

        4、與鏡頭的匹配

          傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸,C或CS安裝座也要匹配。

        C與CS接口的區別在于鏡頭與攝像機接觸面至鏡頭焦平面(攝像機 CCD光電感應器應處的位置)的距離不同:
        C型接口此距離為17.5mm 
        CS型接口此距離為12.5mm
        C型鏡頭與C型攝像機,CS型鏡頭與CS型攝像機可以配合使用。
        C型鏡頭與CS型攝像機之間增加一個 5mm的C/CS轉接環可以配合使用。
        CS型鏡頭與C型攝像機無法配合使用。

        三、如何選擇鏡頭?

          工業攝像頭在分辨率,幀率,對光線的要求,曝光方式等都有高可比性,其中主要部件為CCD感光芯片。

          1.分辨率(Resolution):相機每次采集圖像的像素點數(Pixels),對于數字工業相機一般是直接與光電傳感器的像元數對應的,對于模擬相機則是取決于視頻制式,PAL制為768*576,NTSC制為640*480。

          2.像素深度(Pixel Depth):即每像素數據的位數,一般常用的是8Bit,對于數字工業相機一般還會有10Bit、12Bit等。

               3.最大幀率(Frame Rate)/行頻(LineRate):相機采集傳輸圖像的速率,對于面陣相機一般為每秒采集的幀數(Frames/Sec.),對于線陣相機為每秒采集的行數。

          4.像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元數(分辨率)共同決定了相機靶面的大小。目前數字工業相機像元尺寸一般為3μm-10μm,一般像元尺寸越小,制造難度越大,圖像質量也越不容易提高。

          5.曝光方式(Exposure)和快門速度(Shutter):對于線陣相機都是逐行曝光的方式,可以選擇固定行頻和外觸發同步的采集方式,曝光時間可以與行周期一致,也可以設定一個固定的時間;面陣工業相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式,數字工業相機一般都提供外觸發采圖的功能?扉T速度一般可到10微秒,高速工業相機還可以更快。

          6.光譜響應特性(Spectral Range):是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性,一般響應范圍是350nm-1000nm,一些相機在靶面前加了一個濾鏡,濾除紅外光線,如果系統需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

        四、如何選擇光源?
        

           光源是影響機器視覺系統輸入的重要因素,其直接影響輸入數據的質量和至少30%的應用效果。由于沒有通用的機器視覺照明設備,所以針對每個特定的應用實例,要選擇相應的照明裝置,以達到最佳效果。下面介紹幾種常見的照明方式。

          直接照明:光直接射向物體,得到清楚的影像。當需要得到高對比度物體圖像的時候,這種類型的光很有效。但是當用它照在光亮或反射的材料上時,會引起像鏡面的反光。通用照明一般采用環狀或點狀照明。環燈是一種常用的通用照明方式,其很容易安裝在鏡頭上,可給漫反射表面提供足夠的照明。

          同軸照明:同軸光的形成即通過垂直墻壁出來的變化發散光,射到一個使光向下的分光鏡上,相機從上面通過分光鏡看物體。這種類型的光源對檢測高反射的物體特別有幫助,還適合受周圍環境產生陰影的影響,檢測面積不明顯的物體。

          暗場照明:暗場照明是相對于物體表面提供低角度照明。使用相機拍攝鏡子使其在其視野內,如果在視野內能看見光源就認為使亮場照明,相反的在視野中看不到光源就是暗場照明。因此光源是亮場照明還是暗場照明與光源的位置有關。典型的,暗場照明應用于對表面部分有突起的部分的照明或表面紋理變化的照明。

          漫射照明:連續漫反射照明應用于物體表面的反射性或者表面有復雜的角度。連續漫反射照明應用半球形的均勻照明,以減小影子及鏡面反射。這種照明方式對于完全組裝的電路板照明非常有用。這種光源可以達到170立體角范圍的均勻照明。

          背光照明:從物體背面射過來均勻視場的光。通過相機可以看到物面的側面輪廓。背光照明常用于測量物休的尺寸和定物體的方向。背光照明產生了很強的對比度。應用背光技術時候,物體表面特征可能會丟失。例如,可以應用背光技術測量硬幣的直徑,但是卻無法判斷硬幣的正反面。除了以上介紹的幾種常用照明技術,還有些特殊場合所使用的照明技術,比如在線陣相機中需要亮度集中的條形光照明;比如在精密尺寸測量中與遠心鏡頭配合使用的平行光照明技術;比如在高速在線測量中減小被測物模糊的頻閃光照明技術;又比如可以主動測量相機到光源的距離結構光照明技術和減少雜光干擾的偏振照明技術等。

          此外,很多復雜的被測環境需要兩種或兩種以上照明技術共同配合完成。因而豐富的照明技術可以解決視覺系統中圖像獲取的很多問題,光源照明技術的選擇可能對一個視覺系統的成功與否至關重要。

         

        

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