机器视觉:用另一种视角看世界

文:刘满柏2013年第四期

    细心留意,食品包装上经常有这样的字眼:“此前最佳”日期。在生产中,要对日期等相关数字、符号一一进行检查确认,靠人眼显然吃力。机器视觉的出现使这一现象得到改观。

    当然,替代人工视觉,满足人工视觉难以满足要求的场合,仅是机器视觉应用的一小部分。它更重要的作用在于提高生产的柔性和自动化程度,在大批量工业生产过程中,用机器视觉检测方法可以大大提高生产效率和生产的自动化程度。在一些不适合人工作业的危险工作环境,它还可以避免一些不必要的危险,同时,机器视觉易于实现信息集成,对现代工业化生产起着重要促进作用。而近年,随着机器视觉崛起及全球制造中心向中国转移,中国机器视觉市场已成为国际厂商关注焦点。业内人士预测,中国机器视觉市场规模到2015年将达200亿元。
 
    本期《伺服与运动控制》精品一栏将对此市场一线精品进行盘点,同时,本期栏目也邀请到德国Basler、加拿大Matrox、Princetion等多家国外一线品牌代理商北京三宝兴业(微视凌志)视觉技术有限公司销售市场部经理崔志远先生讲述产品挑选之道及机器视觉市场相关发展。
 
1智能相机及传感器
    智能相机是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内,从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。同时,由于应用了最新的DSP、FPGA及大容量存储技术,其智能化程度不断提高,可满足多种机器视觉的应用需求。
 
这三款智能相机屡获殊荣

堡盟


堡盟:Verisens:emoji系列智能相机
    特色:Baumer最新的Verisens:emoji:系列智能相机采用堡盟享有专利的FEX:emoji:图像处理器技术,其灵感来源于人的眼睛,无论现场光照条件如何,利用FEXLoc:emoji:目标定位工具均可以稳定的找到目标物的轮廓;相机内部集成频闪控制器,可以给任意的外部LED照明光源供电并通过频闪功能实现其和相机的同步;Verisens:emoji:的OCR功能不需要预先进行字体培训,只需轻点鼠标即可完成设置,极大提升使用效率;基于标准的Web浏览器,Verisens:emoji:Web界面功能可灵活配置人机界面,省去了用户编程的时间。
 
    典型应用:食品及饮料行业的保质期检查;包装行业的瓶盖检测、标签位置等;汽车行业的产品装配质量、尺寸测量、二维码读取;装配搬运行业的机械手定位、零部件就位及位置监控等。
 
 康耐视
Cognex(康耐视):In-Sight 7000系列视觉系统
    特色:获奖的 In-Sight? 7000系列视觉系统有多种机器视觉用途。这些完全集成的智能摄像头具有自动对焦、快速图像捕获、集成照明和镜头,以及用于检测、色彩、OCR 应用等等的强大视觉工具。它们还具有为一系列外部照明提供电源和进行控制功能,尽在一个紧凑的工业IP67包装中。
 
    典型应用:高精度测量、定位和检测视觉等。
 
 迈思肯

迈思肯:VisionHAWK视觉系统
    特色:Vision HawK采用可实现无限自动聚焦的先进液态镜头技术,其设计易于配置和操作。Vision HAWK含有集成光学部分和光源、工业通讯协议和即插即用的连接。和Vision MINI一样,可通过迈思肯的简化版机器视觉软件AutoVISION?或更先进的Visionscape?软件来操作。
 
    典型应用:适合多种检测应用,包括组装验证、部件识别、读码等。
 
智能相机知多少?
    智能相机一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成,各部分掌握不同功能。
 
1、 图像采集单元
    在智能相机中,图像采集单元相当于普通意义上的CCD/CMOS相机和图像采集卡。它将光学图像转换为模拟/数字图像,并输出至图像处理单元。
 
2、图像处理单元
    图像处理单元类似于图像采集/处理卡。它可对图像采集单元的图像数据进行实时的存储,并在图像处理软件的支持下进行图像处理。
 
3、图像处理软件
    图像处理软件主要在图像处理单元硬件环境的支持下,完成图像处理功能。如几何边缘的提取、Blob、灰度直方图、OCV/OVR、简单的定位和搜索等。在智能相机中,以上算法都封装成固定的模块,用户可直接应用而无需编程。
 
4、网络通信装置
    网络通信装置的智能相机的重要组成部分,主要完成控制信息、图像数据的通信任务。智能相机一般均内置以太网通信装置,并支持多种标准网络和总线协议,从而使多台智能相机构成更大的机器视觉系统。
 
2工业相机
    工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件,其最本质的功能就是将光信号转变成AFT-808小型高清工业相机为有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节,相机的不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直接相关。
 
Basler:Ace系列Camera Link面阵摄像头

Basler:Ace系列Camera Link面阵摄像头
    特色:分辨率从VGA到500万像素;超小型设计:42x29x29mm;千兆网(GigE Vision) 或Camera Link接口;支持PoE(通过以太网线供电802.3af);支持PoCL (通过Camera Link线供电)。
 
    典型应用:半导体及零部件检测;制造业质量控制;食品和饮料检测;智能交通系统;显微镜和医疗成像。
 
E2V:EliiXA UC4/UC8 3彩色线阵摄像头

E2V:EliiXA UC4/UC8 3彩色线阵摄像头
    特色:与3CCD棱镜媲美的色彩还原能力,且具高性价比;三种芯片可选:RGB 3线/RGB+黑白4线/RGB+NIR(近红外)4线;10 ?m像素尺寸、20 ?m行间距,避免视场角过大产生行遮挡;18KHz线速率、62dB动态范围;8、10、12bit数据格式。
 
    典型应用:食品检测、材料表面检测以及度量等
 

UNIQ:UC-1830彩色数字照相机
    特色:1024x1024高分辨率,使用了逐行扫描隔行传输的技术。CCD带有R,G,B原色马赛克滤光片。具有外部异步采集功能,能够很容易的抓拍高速运动物体的图像。其CCD的方形像素更适合用于处理、测量和分析方面的应用。本产品体积小、重量轻,其数字和模拟输出,快门选择其后面板上的许多其它功能使用起来都十分简便。
 
    典型应用:机械视觉、自动检测、运动采集及分析、高分辨率图象采集、医学影象、生物图象、显微图像、非接触测量等科学和工业领域内。
 
如何选择?
1、根据应用的不同分别选用CCD或CMOS相机
    CCD工业相机主要应用在运动物体的图像提取,如贴片机机器视觉;用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD工业相机比较多。   CMOS工业相机由成本低,功耗低也应用越来越广泛。
 
2、分辨率的选择
    首先考虑待观察或待测量物体的精度,根据精度选择分辨率。相机单方向分辨率=单方向视野范围大小/理论精度。
 
    其次看工业相机的输出,若是体式观察或机器软件分析识别,分辨率高是有帮助的;若是VGA输出或USB输出,在显示器上观察,则还  依赖于显示器的分辨率,工业相机的分辨率再高,显示器分辨率不够,也是没有意义的;利用存储卡或拍照功能,工业相机的分辨率高也是有帮助的。
 
3、与镜头的匹配
    传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头尺寸,C或CS安装座也要匹配(或者增加转接口);
 
4、相机帧数选择
    当被测物体有运动要求时,要选择帧数高的工业相机。但一般来说分辨率越高,帧数越低。
 
3工业镜头
    在机器视觉系统中,镜头的主要作用是将成像目标在图像传感器的光敏面上。镜头的质量直影响到机器视觉系统的整体性能,合理地选择和安装镜头,是机器视觉系统设计的重要环节。
 
这四款镜头各具特色
 
Pentax:紫外线UV镜头

Pentax:紫外线UV镜头
    特色:对应150万像素CCD的高性能紫外专用镜头;大范围的使用波段(280—365nm;高清晰,高反差; 型号:H2520-UVM,B2518-UV,B7838-UV。
 
Computar:百万像素系列放大镜头

Computar:百万像素系列放大镜头
    特色:日本Computar企业在机器视觉领域久负盛名,其中Computar百万像素系列放大镜头以其强大的技术优势广泛应用于各大领域。
 
Schneider:Macro System标准V口工业镜头

Schneider:Macro System标准V口工业镜头
    特色:紧凑可靠的Macro System由Schneider大幅面镜头、聚焦部件(unifoc)、延展环和相机转接口一起组成。不论是远距离还是近距离拍摄,灵活的Macro系列都能带来最好的图像质量。同时该系列镜头还有倒置安装,作为高倍率镜头使用。
 
Moritex:高性能线阵CCD低倍镜头

Moritex:高性能线阵CCD低倍镜头
    特色:ML-L02035型号放大倍率X 0.2-X 0.35 (手动),WD 555.4±16.6mm或345.6±10.4mm,有效FNO5.8~32或6.6~36.6,景深 1.1?m或475?m;ML-L03505型号放大倍率X 0.35-X 0.5 (手动),WD345.6±10.4mm或261.7±7.8mm,有效FNO6.6~36.6或7.4~41,景深475?m或295?m。
 
如何选择合适尽头?
1、波长、变焦与否 
    工业镜头的工作波长和是否需要变焦是比较容易先确定下来的,成像过程中需要改变放大倍率的应用,采用变焦镜头,否则采用定焦镜头就可以了。
 
   是否需要另外采取滤光措施?单色光还是多色光?能否有效避开杂散光的影响?把这几个问题考虑清楚,综合衡量后再确定镜头的工作波长。
 
2、特殊要求优先考虑 
    结合实际应用,可能会有特殊的要求,应该先予明确下来。例如是否有测量功能,是否需要使用远心镜头,成像的景深是否很大等等。景深往往不被重视,但是它却是任何成像系统都必须考虑的。 
 
3、工作距离、焦距 
    先明确系统的分辨率,结合CCD像素尺寸就能知道放大倍率,再结合空间结构约束就能知道大概的物像距离,进一步估算工业镜头的焦距。
 
4、像面大小和像质 
    遵循“大的兼容小的”原则——相机感光面不能超出镜头标示的像面尺寸——否则边缘视场的像质不保。 
 
    像质的要求主要关注MTF和畸变两项。在测量应用中,尤其应该重视畸变。 
 
5、光圈和接口 
    工业镜头的光圈主要影响像面的亮度。但是现在的机器视觉中,最终的图像亮度是由很多因素共同决定的:光圈、相机增益、积分时间、光源等等。所以为了获得必要的图像亮度有比较多的环节供调整。 
 
    工业镜头的接口指它与相机的连接接口,它们两者需匹配,不能直接匹配就需考虑转接。 
 
6、成本和技术成熟度 
    如果以上因素考虑完之后有多项方案都能满足要求,则可以考虑成本和技术成熟度,进行权衡择优选取。 
 
    例如,要给硬币检测成像系统选配工业镜头,约束条件:相机CCD 2/3英寸,像素尺寸4.65μm,C口。工作距离大于200mm,系统分辨率0.05mm。光源采用白色LED光源。 
 
4图像采集卡
    图像采集卡,可获取数字化视频图像信息,并将其存储和播放出来的硬件设备。
 
两款功能强大的图像采集卡
 
MATROX :Solios GigE自带处理器系列

MATROX :Solios GigE自带处理器系列
    特色:4个独立的千兆网(GbE)端口;最多可以同事对源自8路GigE VisionTM接口输出的信息包进行过滤;64MB板上帧存;可采集来自面阵/线阵相机的数据;离散I/O的全补码;可编程控制彩色空间转换;可选择添加定制的基于FPGA的处理芯片
 
Foresight Imaging:AccuStream50+.75+.170+

Foresight Imaging:AccuStream50+.75+.170+
    特色:像素抖动+0.5ns,信噪比47d B,增益、黑电平、相位调整;实时视频传输,并创建AVI格式文件,超过250MB/秒的速度通过64bit/66MHz PCI总线传输,实时同步传输到内存与显存;点频达170MHz,分辨率达2048*2048,兼容DDC。
 
    典型应用:海上导航系统,雷达显示,医疗成像,监控显示检测,军用成像。
 
如何选购图像采集卡
1、硬件的可靠性
    这里有两个经验性的技巧用以评估不同板卡的可靠性,板上的器件的数量和功耗。试着去选择具有更低功耗的采集卡。
 
    在其它条件同等情况下,一块复杂具有更多器件的卡会比器件较少的卡耗散更多的热量。好的设计会采用更多的ASIC和可编程器件以减少电子器件的数量,而达到更高的功能。还可以选择具有更少的无用功能的卡以减少不必要的麻烦。
 
2、软件的支持
    基本上所有图像采集卡都支持二次开发,通常随图像采集卡都附送一些采集、存储、显示相关的函数库,而图像处理相关的函数库虽然需要得到响应的硬件支持但往往都是另外销售的,因此在选择采集卡的同时还必须考虑此视觉系统要选用的软件与采集卡是否兼容,是否使用方便,其软件是否要求付费等。
 
5视觉软件
    如果说工业相机是眼睛,那么视觉软件便是大脑,是整个机器视觉中的核心部分。
 
广泛应用的3系列视觉软件
康耐视:VisionPro? 计算机视觉系统

康耐视:VisionPro? 计算机视觉系统
    特色:不管您所使用的摄像头或板卡是何种类型,甚至可以支持三维轮廓仪、热像仪和 X 射线成像仪之类的非传统来源。这意味着所有应用都可得益于应用广泛的工业级康耐视工具。经全世界 500,000 多台安装验证,VisionPro 工具库可涵盖所有的视觉需求。
 
迈思肯:AutoVISION?机器视觉软件

迈思肯:AutoVISION?机器视觉软件
    特色:该软件旨在为用户提供一套完整的机器视觉工具的同时,缩短学习机器视觉软件的相关过程。编程和设备配置期间的实时反馈功能可帮助分秒必争的工程师轻松地实现视觉应用。AutoVISION?可用于迈思肯的Vision MINI和Vision HAWK硬件平台。
 
National Instruments(NI):NI视觉采集、NI视觉开发、NI视觉生成器
 

National Instruments(NI):NI视觉采集、NI视觉开发、NI视觉生成器
    特色:NI视觉软件产品具有机器视觉应用的众多优势。若想无须编程即可创建、校准并部署一个视觉应用程序,请选择用于自动检测的视觉生成器(Vision Builder for Automated Inspection)。 若您的机器视觉应用需要强大的程序库,视觉开发模块可为您缩短的开发周期,节省您的时间和金钱。 IEEE 1394接口的NI-IMAQ是一个驱动软件,可用于从火线(Firewire)接口相机采集图像并将其应用到LabVIEW、LabWindows/CVI或Measurement Studio程序中。 
 
    德国MVtec公司开发的halcon,美国国家仪器(NI)公司研制开发的LabVIEW,Intel建立的OpenCV,微软公司开发的的Visual c++,加拿大Matrox公司开发的Mil等。

 

专家问答
北京三宝兴业(微视凌志)视觉技术有限公司
销售市场部经理  崔志远
    注:三宝兴业(原微视凌志图像)是国内最早一批做视觉的公司之一,在机器视觉行业已有十多年的背景,代理世界一流厂商品牌,能为客户提供前端光源、镜头相机到后端采集卡、图像处理软件、处理工作站以及视觉相关配件等一站式服务。
 
《伺服与运动控制》=伺
 崔志远=崔
    伺:您如何看待机器视觉及在中国发展?
 
    崔:机器视觉作为新兴高科技行业,旨在用机器来代替人眼,服务工业制造业,以提高制造效率、降低成本,从而进一步促进制造业的发展。近些年来,机器视觉的市场每年都在飞快的增长,这个行业在国外已经发展到了一个相对成熟的阶段,而这个行业目前在国内,还处在一个飞速发展的初级阶段,机器视觉应用还未被整个工业领域所认知,但已经有越来有多的工业领域开始使用机器视觉,长远发展来看,中国机器视觉前景不错。
  
    伺:如何挑选合适的机器视觉产品?
 
    崔:挑选视觉产品其实和我们日常挑选货品一样,性价比肯定是我们考虑的首要因素。性价比中,性能是排在第一位的,对于一个视觉需求来说,性能达不到,再好的价格也是浪费。在性能挑选方面,相机作为一套视觉系统中的核心部件是我们最先要确立的。挑选相机最基础的2个参数就是分辨率和帧速率。分辨率通过视觉系统所要实现的精度来确定,而相机的帧速率就需要通过被测物的采样频率来确定。相机确定后,可根据相机的分辨率以及视场和工作距离等参数来确定相匹配的镜头,根据相机的输出方式以及点频等参数来选择匹配的采集卡。在硬件基本确立好之后,视觉软件的选取就需要考虑对应用实现的可行性以及执行效率还有对硬件的兼容性。在性能确认满足后,就需要对比产品的价值,价值不仅仅包括产品表面的价格,还需要考虑产品的隐形成本,也就是产品的质量,稳定性方面。 最后结合性价比选取一套最合适的产品。
 
    伺:机器视觉有哪些新趋势?
 
    崔:机器视觉最终服务的是工业制造业,那么随着工业的发展以及市场规模的不断扩大,视觉产品的发展有两个方向:高性价比和高效率。关于高性价比,也就是说在追求高性能的同时需要有更好的成本控制,目前国际上的很多知名大厂都在向这个方面发展,如德国Basler作为行业的领军企业已率先迈出了这一步,其旗下的Ace系列产品率先做到了在国际一流的品质下有一个非常有竞争力的价格体系。关于高效率,一方面是更大分辨率的产品,另一方面则是更高帧速率/线扫描速率的产品,这两方面在提高效率方面是殊途同归。
 
    伺:您如何看待firewire、USB?3.0、GIGE、Camera?link各接口的发展?
 
    崔:Firewire作为上一代即插即用的数据传输接口,在过去的视觉发展中起到了非常大的作用,但随着相机技术的发展,需要数据传输的带宽越来越大,Firewire已经逐渐无法满足相机数据的传输,并且做为电子类产品,Firewire的周边配件越来越少,这种接口将渐渐淡出视觉应用;
 
    USB3.0作为新一代的即插即用数据接口,以其便捷、高带宽受到了行业的瞩目,国内外相机厂商都在相机推出了USB3.0接口的产品。随着USB3.0的周边配件越来越多,USB3.0接口在今后的视觉市场中,将会被更广泛的应用,不过,受其数据传输线缆长度的限制,USB3.0确实无法完全替代GigE,而只能作为与GigE并行的一种数据接口在视觉市场中存在;
 
    GigE接口还风头正盛,是目前视觉市场的主力数据传输方式,而在未来的视觉市场中,仍是数据传输方式的主要接口形势;
 
    CameraLink数据接口在机器视觉行业中拥有较长的发展历史,而目前主要应用于中、高端的视觉产品上。CameraLink以其数据传输的稳定性、低延时、抗干扰能力强受行业内的认可,现在来看,其在众多视觉接口形式中,还将会占有一席之地。

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