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工业相机的选型

时间:2012-08-05来源:shixinhua.com 作者:石鑫华 点击:

工业相机的选型

工业相机有许多参数需要选择,也有许多的种类型号可供选择,因此选择一款适合视觉项目的工业相机,就成了项目的关键。

相机的分辨率

客户提供其需要的测量精度(或公差)与视场大小,那么我们选择需要的相机像素关系如下:
相机分辨率(L/W)≥视场(L/W)/精度
    假如客户的视场是100mm*75mm,测量精度要求0.05mm,那么相机的像素长为100/0.05=2000PIX,也就是需要2000*1500=3000000=300万像素的相机。
这仅仅只是相机的像素精度,并不代表整个系统的精度就有如此高,还有其它的精度也要考虑,如镜头的分辨率,系统的抖动,光源的波长(颜色),物体本身的运动等等。但是相机像素精度一定要高于系统所要求的精度,才能有实际的测量意义,亚像素的精度提升在实际测量中并没有太多影响,不能从根本上解决精度不足的问题。
一般来说,如果条件允许,我们会要求将相机的分辨率提升一个数量级或者是将相机的像素精度提高一个数量级。即如上面的例子中,客户要求的测量精度要求为0.05mm,那么我们的相机精度至少有0.05mm/Pixel,能达到0.005mm/Pixel就很理想了。但是提高到0.005mm/Pixel,则长方向需要20000像素,宽方向需要15000像素,这样相机的像素需要30000万像素,这样的面阵相机分辨率,目前基本上是不可能达到的。这时,我们可以考虑使用如16K的线阵相机等,或者是将视野缩小变成50*37.5mm,将原来的100*75mm的视野分成四个区域进行拍摄,可以用一个相机运动四次或四个相机分别拍摄的方法实现。

相机的帧率

相机的帧率可以决定设备的测试测量效率,如一款相机的帧率是30FPS,则其每秒钟最多拍摄30次,也就是每秒钟最多只能检查30个产品。而如果相机的速度是120FPS,如果算法够快,那么每秒钟实现120个产品的检查也是可以的(当然,这么快检查速度,确实比较少见,这里只是打个比方)。
通常来说,相机的分辨率越低,同样的接口,帧率也会越高,而分辨率越高,帧率也会越低。帧率*分辨率≤总线带宽,即在接口一定(总线带宽已经确定),分辨率一定时,帧率也是有其最大值的。即要想相机的分辨率快,又要想相机的帧率高,那么就需要找更大带宽的总线,也就是相机的输出接口。

相机输出接口

         同等像素条件下,各种接口的总线其相机帧率是不一样的,可以参考石鑫华视觉网的文章“工业相机总线接口比较” 。一般来说Camera Link>USB3>GIGE>1394B>USB2,1394A。现在最快的是Camera Link总线,目前像AVT已经有400万像素达到400FPS的采集速度的高速高分辨率相机。而USB3的理论速度达到了5Gbps即640MB,实际表现来看,应该有80%的有效带宽,即有512M左右的总带宽可供实际传输,这样如果一个500万像素的相机,每幅图像5M,那么也可能达到100帧每秒,速度也非快了。不过到底有没有这样的速度未确定。目前还没有体验过USB3的相机。
而对于GIGE千兆网相机,500万像素的相机,较快的可以做到23FPS。1394B的500万像素相机可以做到13FPS,USB2,1394A一般为5~6帧的样子。
 

相机的曝光时间

相机的最小曝光时间,可以决定目标的运动速度。或者反过来说,目标的运动速度,对相机的最小曝光时间提出了要求。假设我们的目标运动速度是1mm/S,我们的测量精度是0.01mm/pixel,那么我们必须考虑,物体的运动引起的拖影必须要小于我们的精度0.01mm,目标移动0.01mm,需要用时10ms,这就要求我们的相机的曝光时间必须小于10ms,如果大于这个曝光时间,那么仅仅物体运动引起的模糊就会大于0.01,这时我们的精度已经无法达到0.01了。
通常来说,物体运动引起的模糊应该比我们要求的测量精度小一个数量级,这样可以减少其对系统的影响。这样上面的例子中,我们就需要将曝光时间降低到1ms或以下。
当然,这个只是一个例子,一般我们的工业相机最快曝光时间可以达到几十~一百多微秒的样子。如此短的曝光时间,对光能量要求比较大,因此需要选择合适的光源与光源控制器

相机的颜色

         通常机器视觉项目中我们选择黑白相机,只有需要测量彩色图像时才会考虑彩色相机,这是因为在机器视觉中黑白图像的算法本身要多许多,黑白相机使用单色光源成像质量上也要比彩色相机使用复合白光的质量要好。

传感器类型

         如果拍摄目标是静态不动的,为了节约成本,可考虑使用CMOS相机,而如果目标是运动的,则优先考虑CCD相机(卷帘曝光的CMOS无法应对运动的目标,而如果是全局曝光的CMOS,同样也可以适应运动物体的拍摄)。如果是需要高速采集的,这里指的高速是很高的采集速度,而非指很高的运动速度,可以考虑CMOS相机,因为CMOS的采集速度会优于CMOS。如果需要高质量的图像,如进行尺寸测量,可以考虑CCD,在小尺寸的传感器里,CCD的成像质量还是要优于CMOS的。

传感器尺寸

         通常传感器的尺寸与所选择的像素是对应的,如30W通常是1/3‘的,130W~500W~是1/2’的,有些500W也有2/3‘的。有些30W的也有1/4’的。如果是同等价位,那么我们优先选择传感器尺寸大的。传感器尺寸大,在同样的像素密度下,像元尺寸也会大,这样会增加每个像元的感光面积,对提高图像的质量有益。传感器的尺寸,还能决定视野大小与工作距离。在同样的工作距离、同样的镜头下,传感器尺寸大,可以拍摄更大的视野。
图像传感器尺寸对照表

相机镜头接口

         一般的相机都是C/CS接口的,需要注意与镜头的对应。如果有其它接口的镜头,也要考虑相机的接口。不过目前工业用的CCTV基本上以C接口多,即使是CS接口的工业相机,也可以加5mm接圈,变成C接口,以适应不同的C接口的工业镜头。

视觉平台

       通常选择PC-BASED平台,即以PC为平台的视觉系统,但是如果有必要,我们也可以考虑使用整体成本较低的CHECK,又或者高度集成的智能相机,如NI的智能相机、OMRON的智通相机平台等。
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