機器視覺應用的攝像頭設計
發布時間：2009-2-28 13:57
發布者：虞美人
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本文將探討機器視覺應用的 CMOS 圖像感應器技術及架構要求。此外，還將詳細分析機器視覺的基本組件，攝像頭為滿足應用需求需要哪些條件，以及如何設計出可滿足各種機器視覺應用需求、同時又能在圖像質量與成本之間獲得平衡的攝像頭�？傮w上說，機器視覺就是讓電子光學系統（攝像頭）連接至如計算機等處理單元，以進行圖像處理并對相關系統實現控制。換言之，機器視覺系統就是指能夠看到目標對象的系統或計算機。受計算機控制的系統可包括生產單元、產品質量控制以及抓放設備等。 機器視覺要求什么？ 機器視覺系統應當包括圖像感應器與透鏡系統，這通常整體稱作攝像系統，可需要通過火線、USB或以太網等電氣接口連接到計算機，而計算機則連接至控制設備。 a) 攝像頭 b) 計算機（主機） c) 幀接收器 d) 應用軟件 機器視覺攝像頭的典型系統架構為： 1 離線處理功能的攝像頭 攝像頭連接到主機的電氣接口包括： 1 火線 IEEE 1394 接口 2 USB 接口 3 自動化圖像協會定義的千兆以太網視覺接口 (GigE Vision interface) 4 合成模擬視頻接口 5 LVDS 2 在線處理功能的攝像頭 近期，DSP 處理器發展非�？�，已經具備實時執行復雜算法的計算功能，因此也使得攝像頭的在線處理成為可能。此類攝像頭包括感應器與 DSP處理器，二者可通過非粘接邏輯、也可通過某種粘接邏輯連接。DMA 將感應器掃描的視頻直接發送至 DSP存儲器，并進行逐幀處理�？刂坪瘮档淖罱K結果由處理器在被控制的系統中直接啟動，或在主機上作為命令啟動。 在攝像頭中進行視頻處理的優勢在于，數據處理可實時進行，而且在火線、USB 或千兆以太網接口上沒有分組處理的負擔。我們可采用字節優化型匯編代碼，在時鐘頻率超過 300 MHz 的 DSP 處理器上加快實時處理速度。 圖像算法的實時處理對檢查應用至關重要，例如，能夠檢查出傳送帶上移動過快的的器件。一個幀圖像的計算完成并采取相應行動后，才可以繼續向系統傳輸下一個圖像幀。 對于機器視覺系統來說，圖像質量是直接影響最終圖像處理結果的關鍵因素。特別是在自然光照條件下，圖像質量隨著光源條件的變化會有明顯的不同。對諸如“增益”和“曝光時間”等攝像頭設置作出相應調解可對不穩定的環境光情況作出補償，從而提高圖像質量。 根據最終應用的情況和感應器與掃描對象的距離，光源可由單獨的設備提供，也可以是攝像頭透鏡周邊的一部分。如果光源在攝像頭周邊，那么攝像頭可與光源一起移動。常用的光源包括鹵素燈泡、熒光燈泡以及發光二極管 (LED) 等。 影響圖像質量的因素包括： 1 光照強度 2 光照方向 3 目標距離 4 焦距 5 采樣率 6 曝光時間和增益 7 暗漏電流 8 分辨率（像素數量） 透鏡的選擇與要求： 高質量透鏡與感應器質量同等重要。攝像頭是一種電子光學系統，需要光學元件和電子元件協作生成圖像。圖像模糊問題通常是由透鏡選擇不當造成的。最佳透鏡尺寸和形狀取決于焦距，不過對較小的對象距離來說，一般使用C座透鏡。如果攝像頭需要在高反射環境條件下工作，那么最好選用抗反射膜透鏡。整體攝像頭的視野覆蓋面取決于所需視野的區域、工作距離和透鏡。 透鏡設計／選擇的另一關鍵參數就是最終對象分辨率（單位為毫米或密耳，即千分之一英寸）。 如果攝像頭用于測量生產環境下的對象尺寸，需考慮以下幾個重要參數： 1 視野 2 感應器分辨率（像素數量） 3 圖像質量 4 視覺工具精確度 例如，如果采用 IBIS5-1300 感應器（130 萬像素，分辨率為1280(h) X 1024 (v)），工具的精確度為十分之一像素，那么 5 英寸寬、4 英寸高的對象在6英寸 FOV 水平方向上精確度可達到 0.0004 英寸。 分辨率：根據視野和最終掃描對象的圖像粒度，一般使用 VGA 到百萬像素陣列標準。 靈敏度：單色或彩色：大多數檢查應用可采用單色感應器生成灰度級。典型的應用包括條形碼閱讀器、指紋掃描儀、制造設備的尺寸測量等。 如果質量和生產控制中需要掌握對象的色彩信息，則使用彩色感應器，如辣椒或蘋果的分級和分類等。感應器的24位彩色數據可捕獲 1740 萬種不同的色彩。 感應器的參數和選擇： 就機器視覺應用而言，感應器和攝像頭需要支持多種不同的分辨率和幀速率。如果感應器支持可編程特性，那么就能針對各種機器視覺應用增加更多通用攝像頭設計。通常支持的特性包括： * 窗口和分辨率選擇 * 用戶可對高幀速率進行編程 * 標準電氣 CMOS 接口 * 低感應器暗漏電流 * 寬動態范圍 必須在工業操作環境內確�？煽啃院透袘餍阅�。設備應當是工業級的，通常在 0 至 80 攝氏度之間操作。 應用： * 引導：采用機器人抓放技術的設備系統 * 檢查：紋理、表面、商標、組裝 * 測量：產品部件的物理尺寸、組裝部件尺寸 * 識別：抓放設備、機器人技術、讀取字符、讀取代碼 賽普拉斯半導體為圖像感應器提供了高幀速率和用戶可選的參數，同時能在工業溫度范圍內正常工作，因此可理想地用于機器視覺攝像頭設計。就 IBIS 和 LUPA 系列感應器而言，幀速率在每秒 30 F至 500 F之內。 |
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