機器視覺集成：在攝影機后面

機器視覺檢測解決方案的體系結(jié)構(gòu)和配置中可用的組件比以往任何時候都多。從智能傳感器到智能相機到復雜的自動化應用特定的設(shè)備，機器視覺市場提供了多種選擇。雖然沒有一個單一的檢查系統(tǒng)，組件，或工具，將適用于每一個應用程序，實現(xiàn)數(shù)碼相機接口與PC（有時被稱為“繩系”相機和“PC為基礎(chǔ)的”系統(tǒng)）可能使一個最靈活，功能強大，高速系統(tǒng)提供給機器視覺集成。本文將討論選擇和使用數(shù)碼相機的基本知識，并會揭示一些有用的提示在工業(yè)在線應用中的現(xiàn)實世界的集成問題。

 

背景

一些工程師和最終用戶可能只熟悉機器視覺智能相機組件，重要的是要注意，基于PC的或拴系相機系統(tǒng)是絕不是一個新的架構(gòu)，它實際上是原來的機器視覺系統(tǒng)架構(gòu)，雖然早期的計算平臺是一臺個人電腦以外的東西，和拴相機是模擬不數(shù)字。模擬攝像機需要專用的圖像采集卡，并可能難以整合。盡管如此，處理器為基礎(chǔ)的，繩系相機系統(tǒng)一直是廣泛的檢查應用的核心選項，在過去的八至十年，一個關(guān)鍵技術(shù)驅(qū)動程序，幫助使這個系統(tǒng)架構(gòu)更方便，比以往任何時候都可行的：數(shù)字機器視覺相機的發(fā)展。機器視覺中的數(shù)碼相機現(xiàn)在大大超過了模擬的使用，隨著接口的選擇逐年增加。對于這篇文章的其余部分，術(shù)語相機將指向一個數(shù)碼相機，是拴在一個PC型處理器（而不是一個智能相機）。

 

接口，互連和編程標準

機器視覺應用的攝像機連接到使用不同物理接口的上位機。該接口表示的硬件（電子，布線，連接器），固件和數(shù)據(jù)傳輸（圖像和控制）協(xié)議，相機正在使用。早期的數(shù)字接口是專有的或有時是應用程序或設(shè)備特定的。然而，在本世紀初，通用標準出現(xiàn)在相機行業(yè)被廠商廣泛采用。可能最熟悉的是視覺，攝像機連接，火線（1394碼）和USB。最近的接口標準包括CoaXPress，usb3vision，Camera Link HS 10 GigE Vision。通過采用這些協(xié)議，制造商可以提供用戶大多是標準化的選擇相機接口的選擇與一個更簡單的和可預測的集成相機與PC和兼容的機器視覺軟件的總體期望。

一個重要的相關(guān)標準的相機是genicam，指定為工業(yè)數(shù)字攝像機覆蓋相機配置、編程接口的圖像采集、數(shù)據(jù)和事件通訊和相機界面。這個有價值的標準有助于提供不同制造商提供的數(shù)碼相機之間的互操作性的程度。

 

選擇和實現(xiàn)正確的相機接口

接口選擇是高度應用程序特定的，對于一個給定的應用程序可能有一個以上的可行的協(xié)議。界面選擇的技術(shù)性因素包括速度（圖像數(shù)據(jù)吞吐量和帶寬），物理互連（連接器的使用，獨立的卡或圖像采集的要求，在布線可用功率）、電纜類型和最大傳輸長度、CPU使用率和負載，軟件觸發(fā)延遲和抖動的水平，I / O的支持，和軟件接口的靈活性和控制功能。其他重要的，但更多的主觀標準可以包括相機的形式因素和大小，產(chǎn)品可用性（特別是在一個所需的傳感器格式，分辨率，和/或幀速率），和成本。

每個接口協(xié)議都有著名的技術(shù)能力和局限性，并在本文以外的各種來源提供詳細的比較。最終，決策過程在很大程度上取決于主觀上的考慮，但這應該是只有一次技術(shù)要求得到滿足。

 

流行的標準接口

Camera Link，GigE Vision和火線（IEEE 1394 /同/ IIDC）是最成熟的標準，并能很好地支持。Camera Link是一個非常高速和確定性幾乎沒有CPU加載界面，盡管它僅提供一個短電纜的最大長度（無填料），需要一個專用的圖像采集卡。相機鏈路是優(yōu)秀的行掃描或其他應用程序，可能需要低延遲和高幀速率的外部觸發(fā)。這是一個更高的成本解決方案，但很好地表示，在專用的速度和圖像傳遞是必需的。Camera Link相機是最小的標準化方面的信號和命令結(jié)構(gòu)，這會增加應用程序的復雜性，特別是如果它是必要的以編程方式操作相機操作通過直接串行通信。因此，它是非常重要的相機鏈接，以確保選定的相機是完全兼容的有針對性的軟件包或庫。

視覺相機已經(jīng)成為非常受歡迎，被許多人認為是去通用的機器視覺應用組件。實施視覺一般很容易如果你認真遵循尋址和設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）參數(shù)的建議。很小心的任意軟件如網(wǎng)絡(luò)防火墻和殺毒工具，它可以阻止或者破壞帶攝像頭的吉比特因特網(wǎng)接口。視覺允許最長的本土的電纜，和互連是常見的因特網(wǎng)rs45插頭，電源在布線如果網(wǎng)卡提供了它。GigE相機相對便宜，而且不需要圖像采集卡，盡管它是強烈建議每個相機有一個單獨的專用因特網(wǎng)連接到PC（沒有開關(guān)除了最慢的應用）。

該協(xié)議的性質(zhì)需要顯著的處理器負載的圖像采集和內(nèi)存存儲，因此指定一個計算設(shè)備，因此。視覺有所差軟件觸發(fā)延遲和抖動，但這可以通過使用一個硬件觸發(fā)通過攝像頭的I / O代替軟件觸發(fā)主要解決。視覺不會被認為是“確定性”，但對于許多應用是合理的。批評者指出，視覺，不像相機鏈接或火線，沒有保證圖像數(shù)據(jù)包傳輸。再次，真的，但在實踐中，不是許多應用程序的問題。

火線是一個專用的機器視覺標準，但IEEE1394標準的背景下，工業(yè)和儀器儀表的數(shù)碼相機的規(guī)格（IIDC）定義了相機的控制，使FireWire相機在使用基本的PC連接的機器視覺應用更合適的能力（不同于基本的USB攝像頭，沒有基本的規(guī)范或觸發(fā)和控制不適合機器視覺）?；鹁€接口，具有較低的帶寬和速度相比，視覺，和很短的電纜的最大長度，但是也有類似的特征?；鹁€比視覺圖像采集使用較少的CPU，和協(xié)議很不規(guī)范，甚至“即插即用”。

新加coaxpress，usb3：視覺，視覺10gige CameraLink HS，

一些新興的相機接口協(xié)議的特殊編碼的熊。coaxpress和usb3視覺攝像頭是可用的和似乎是擴張的基礎(chǔ)。10 gigevision CameraLink和HS有沒有widely implemented格局?！禼oaxpress辨別同軸電纜接口協(xié)議的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘柡碗娫?。“潛在的冰通量率為大于任何其他協(xié)議，我10gige視覺和提供額外的垢多用電纜。“成本有效的cabling可能會允許一coaxpress相機的兩個老的模擬攝像機replace函數(shù)使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。不需要專用coaxpress一幀采集卡，但總體上可能是個選項，要求關(guān)閉編碼作為娛樂設(shè)備變得可用。

USB3 Vision利用USB 3端口，將對所有新的個人電腦的速度比舊的協(xié)議實現(xiàn)的更快，甚至可能高于新CameraLink HS。電纜是標準的，可以有權(quán)力，但仍然受到很短的最大長度。低成本和系統(tǒng)的復雜性，USB3視覺可以為特定的應用程序是有用的。

 

其他實用相機集成的考慮

傳感器的分辨率

在考慮任何機器視覺應用的成像源時，分辨率仍然是最重要的選擇標準之一。像素的需要是由應用程序的要求，并最終，并從根本上決定了成像組件選擇的范圍。有可能是權(quán)衡考慮接口的選擇，但這些必須采取一個后座的正確和適當?shù)南袼胤直媛实膶崿F(xiàn)在所需的領(lǐng)域的看法。

請記住，不是所有的相機都是平等的。在市場中，人們可以找到基于相同的精確傳感器的數(shù)碼相機，但組件和固件的其余部分可能不會在所有類似。如果必要的話，選擇一個合適的傳感器，但仍然知道其他功能和問題，可能會影響最終交付高品質(zhì)的圖像從一個易于集成的組件。

具有更高的分辨率來較小的像素大小或更大的傳感器的大小或兩者都。較小的像素尺寸的結(jié)果在較少的光收集能力（需要更多的照明），并增加了潛在的噪聲和降低動態(tài)范圍。非常小的像素也可能由于衍射分辨率損失、違反直覺的意圖有更多的像素。

軟件和圖像采集

相機功能可以是高度靈活的，可編程的，通過參數(shù)設(shè)置。經(jīng)常相機有能力做各種圖像處理任務的內(nèi)部，并可以提供數(shù)據(jù)以及圖像信息。前面提到的細節(jié)的genicam標準通用編程接口簡化設(shè)計的相機應用程序編程接口（API），使相機的控制標準，無論制造商。許多相機genicam“符合”或“兼容”。

然而，在商業(yè)實踐中genicam就像“海盜的代碼”是指在一個熟悉的電影是在說“代碼[標準]是你所說的“準則”不是實際的規(guī)則?！霸S多相機制造商不完全實施genicam，或修改它，實現(xiàn)自己的具體產(chǎn)品的獨特。這不是一個缺點，可能會導致一個更好的產(chǎn)品。最終的結(jié)果，雖然從一個集成的角度來看是，用戶偶爾（或經(jīng)常）可能需要手動訪問相機參數(shù)，使用明確的寄存器地址或命令字符串，以操縱先進的或有時甚至基本的相機功能控制。

機器視覺軟件庫通常表明genicam兼容性，但即使圖像采集本地命令可能并不總是正確的或想要的相機配置啟動。對于某些應用程序，它可能是至關(guān)重要的，積分是非常熟悉的相機控制設(shè)置或寄存器結(jié)構(gòu)，并能夠在需要的操作參數(shù)，而不是只是為基本功能，但要獲得最佳的性能的相機和應用程序。

所有機器視覺應用的出發(fā)點是圖像的獲取。在工業(yè)環(huán)境中，本次采集通常必須是事件驅(qū)動的，也就是說，一個圖像必須被捕獲時，要檢查的一部分或功能是在相機前的位置。捕獲是由外部信號“觸發(fā)”的。在某些應用中，這個觸發(fā)器可能由PC或處理器接收，然后發(fā)送到一個或多個相機的軟件命令啟動收購。如果這種架構(gòu)是使用一個必須意識到軟件觸發(fā)延遲和抖動（非確定性）的圖像采集，一個關(guān)鍵的重要點，如果部分是移動或檢查涉及到高速度或同時成像。往往是一個更好的方法是使用相機的能力，直接觸發(fā)相機使用可用的板上的I / O。這產(chǎn)生零延遲（除了觸發(fā)信號），并允許多個相機的精確同步。

最后，一個字的檢查軟件。機器視覺市場的交鑰匙方案基于PC的檢測產(chǎn)品，以及圖書館必須用在一個編程環(huán)境，像VB.NET，C或C++ #。在一般情況下，這些工具提供了一個高層次的靈活性，往往比其他平臺上提供更多的處理和分析選項。當然有能力有一定程度的復雜性，但這不應該是。包是非常用戶友好，仍然非常強大的提供訪問這里討論的相機的類型。

機器視覺中的數(shù)碼相機的一個光明的未來

 

 

技術(shù)提示

機器視覺應用的攝像機連接到使用不同物理接口的上位機。

該接口表示相機正在使用的硬件、固件和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

Camera Link，GigE Vision和火線（IEEE 1394 /同/ IIDC）是最成熟的標準，并能很好地支持。