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一.工業(yè)CCD的組成:
典型的機器視覺系統(tǒng)可以分為:圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分?;赑C的視覺系統(tǒng)具體由如下圖所示的幾部分組成:
①工業(yè)相機與工業(yè)鏡頭——這部分屬于成像器件,通常的視覺系統(tǒng)都是由一套或者多套這樣的成像系統(tǒng)組成,如果有多路相機,可能由圖像卡切換來獲取圖像數(shù)據(jù),也可能由同步控制同時獲取多相機通道的數(shù)據(jù)。根據(jù)應用的需要相機可能是輸出標準的單色視頻(RS-170/CCIR)、復合信號(Y/C)、RGB信號,也可能是非標準的逐行掃描信號、線掃描信號、高分辨率信號等。
②光源——作為輔助成像器件,對成像質(zhì)量的好壞往往能起到至關重要的作用(有資料認為,光源對成像起到的作用能占到30%+),各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等都容易得到。
③傳感器——通常以光纖開關、接近開關等的形式出現(xiàn),用以判斷被測對象的位置和狀態(tài)(外部觸發(fā)),告知圖像傳感器進行正確的采集。
④圖像采集卡——通常以插入卡的形式安裝在PC中,圖像采集卡的主要工作是把相機輸出的圖像輸送給電腦主機。它將來自相機的模擬或數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成一定格式的圖像數(shù)據(jù)流,同時它可以控制相機的一些參數(shù),比如觸發(fā)信號,曝光/積分時間,快門速度等。圖像采集卡通常有不同的硬件結(jié)構以針對不同類型的相機,同時也有不同的總線形式,比如PCI、PCI64、Compact PCI,PC104,ISA等。
⑤PC平臺——電腦是一個PC式視覺系統(tǒng)的核心,在這里完成圖像數(shù)據(jù)的處理和絕大部分的控制邏輯,對于檢測類型的應用,通常都需要較高頻率的CPU,這樣可以減少處理的時間。同時,為了減少工業(yè)現(xiàn)場電磁、振動、灰塵、溫度等的干擾,必須選擇工業(yè)級的電腦。
⑥視覺處理軟件——機器視覺軟件用來完成輸入的圖像數(shù)據(jù)的處理,然后通過一定的運算得出結(jié)果,這個輸出的結(jié)果可能是PASS/FAIL信號、坐標位置、字符串等。常見的機器視覺軟件以C/C++圖像庫,ActiveX控件,圖形式編程環(huán)境等形式出現(xiàn),可以是專用功能的(比如僅僅用于貼合,視覺引導,色差識別等),也可以是通用目的的(包括視覺定位、測量、識別、檢測等)。
⑦控制單元(包含I/O、運動控制、電平轉(zhuǎn)化單元等)——一旦視覺軟件完成圖像分析(除非僅用于監(jiān)控),緊接著需要和外部單元進行通信以完成對生產(chǎn)過程的控制(輸出OK、NG信號)。簡單的控制可以直接利用部分圖像采集卡自帶的I/O,相對復雜的邏輯/運動控制則必須依靠附加可編程邏輯控制單元/運動控制卡來實現(xiàn)必要的動作。
工業(yè)相機原理簡述
工業(yè)相機其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成有序的電信號。選擇合適的相機也是機器視覺系統(tǒng)設計中的重要環(huán)節(jié),相機的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等,同時也與整個系統(tǒng)的運行模式直接相關。
1.相機的芯片類型:
一般情況下,工業(yè)相機按照論市場主流芯片類型可以分為CCD相機和CMOS相機,當然也有一些其他的芯片,比如富士公司生產(chǎn)的Super CCD芯片。數(shù)碼相機的CCD和CMOS都深藏于相機內(nèi)部,就算有機會看到它們的樣子,也很難進行區(qū)分。
CCD芯片工作原理,如圖所示:
在感光像點接受光照之后,感光元件產(chǎn)生對應的電流,電流大小與光強對應,因此感光元件直接輸出的電信號是模擬的。在CCD傳感器中,每一個感光元件都不對此作進一步的處理,而是將它直接輸出到垂直寄存器,傳到水平寄存器中,最后才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號實在太微弱了加上在此過程中會產(chǎn)生大量電壓損耗,無法直接進行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作,因此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理—這項任務是由CCD傳感器中的放大器專門負責,經(jīng)放大器處理之后,每個像點的電信號強度都獲得同樣幅度的增大;因信號只通過一個放大器進行放大,所以產(chǎn)生的噪點較少。但由于CCD本身無法將模擬信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,因此還需要一個專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行處理,最終以二進制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專門的DSP處理芯片。
CMOS工作原理,如圖所示:
對于CMOS傳感器,上述工作流程就完全不適用了。CMOS傳感器中每一個感光元件都直接整合了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯,當感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號之后,電信號首先被該感光元件中的放大器放大,然后直接轉(zhuǎn)換成對應的數(shù)字信號。換句話說,在CMOS傳感器中,每一個感光元件都可產(chǎn)生最終的數(shù)字輸出,所得數(shù)字信號合并之后被直接送交DSP芯片處理,問題恰恰是發(fā)生在這里,CMOS感光元件中的放大器屬于模擬器件,無法保證每個像點的放大率都保持嚴格一致,致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無法代表拍攝物體的原貌—體現(xiàn)在最終的輸出結(jié)果上,就是圖像中出現(xiàn)大量的噪聲,品質(zhì)明顯低于CCD傳感器,不過目前這方面的技術已大幅改善。
二. 黑白相機成像原理:
以CCD原理為例,CCD原理并不復雜。我們可以把它想象成一個頂部被打開的記憶芯片。因此光束可以射到記憶單元中。根據(jù)"光電效應”,這些光束在記憶單元中產(chǎn)生負電荷
三. 彩色彩色成像原理:
CCD芯片將光子轉(zhuǎn)換為電子,在這一過程當中,光子數(shù)目與電子數(shù)目互成比例。但光子還有另外一個特征值——波長(波長決定顏色),而這條信息卻沒有在這個過程中被轉(zhuǎn)換為電子。因此,從這個意義上說,CCD芯片都可以被稱為色盲。所以彩色相機的成像稍微復雜些,目前主要有兩種方式:三棱鏡方式和濾光片方式,下面分別介紹:
三棱鏡方式:
為了獲取光線的顏色信息,我們很容易想到用三棱鏡將光束分成單色光,然后分別成像,對,三棱鏡方式就是這個原理。
它將從鏡頭射入的光分成三束,每束光都由不同的內(nèi)置光柵來過濾出某一種三原色,然后使用三塊CCD分別感光。這些圖象再合成出一個高分辨率、色彩精確的圖象。如300萬像素的相機就是由三塊300萬像素的CCD來感光。也就是可以做到同點合成,因此拍攝的照片清晰度相當高。該方法的主要困難在于其中包含的數(shù)據(jù)太多。在你照下一張照片前,必須將存儲在相機的緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)清除并存盤。因此這類相機對其他部件的要求非常高,其價格自然也非常昂貴。
其他彩色原理省略。
相機常見參數(shù)介紹:
1. 分辨率(Resolution):相機每次采集圖像的像素點數(shù)(Pixels),對于工業(yè)數(shù)字相機一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對應的,對于工業(yè)數(shù)字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(shù)據(jù)的位數(shù),一般常用的是8Bit(2^8),對于工業(yè)數(shù)字數(shù)字相機一般還會有10Bit、12Bit等。
3. 最大幀率(Frame Rate)/行頻(Line Rate):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(shù)(Frames/Sec.),對于線陣相機機為每秒采集的行數(shù)(Hz)。
4. 曝光方式(Exposure)和快門速度(Shutter):對于工業(yè)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(fā)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;面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式,工業(yè)數(shù)字相機一般都提供外觸發(fā)采圖的功能??扉T速度一般可到10微秒,高速相機還可以更快。
5. 像元尺寸(Pixel Size):像元大小和像元數(shù)(分辨率)共同決定了相機靶面的大小。目前工業(yè)數(shù)字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(zhì)量也越不容易提高。
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(tǒng)需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。
深圳市雙翌光電科技有限公司有著多年的機器視覺行業(yè)經(jīng)驗,在機器視覺的軟件應用領域上有著眾多成功的案例和解決方案。雙翌光電一直以來致力于機器視覺的開發(fā)、應用以及銷售,為客戶提供整體機器視覺解決方案及服務,把機器視覺技術應用到智能生產(chǎn)中。