[机器视觉]机器视觉硬件选型

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无锡埃姆维视觉部的培训，主题是“机器视觉硬件选型”，包含相机、镜头、光源，干货满满，此文为笔记。

相机

产品大小、检测精度

产品大小、检测精度决定了相机分辨率
视野 = 产品大小 + 产品来料位置偏差
系统精度 = 检测精度 / 10
相机分辨率 = 视野 / 系统精度

举例说明：产品尺寸为65mm*30mm，检测产品尺寸，精度要求±0.25mm
考虑到产品来料位置误差，将视野适当放大，视野 = 75mm*40mm，
系统精度 = 0.5/10 = 0.05mm/pixel，（取10是为了消除边缘波动，留余量，边缘锐利可取2、5）
则相机长边像素点 = 75/0.05 = 1500，
可选择与之相近的200万像素相机，分辨率为1600*1200，如 IS5403、IS8402等
PS：检测精度是客户产品工艺要求，系统精度（只是中间变量）匹配客户检测精度，是为了求相机分辨率

彩色应用

如果检测时需要识别颜色，可选择彩色相机对其进行识别
一般相机型号中带C的为彩色相机，如5100C、7402C
一般不做检色差的项目，只做颜色区分/颜色有无

产品状态

检测时产品的来料状态，是静止拍照还是运动中拍照，决定了相机的快门方式
运动中拍照，为防止产品变形，必须选用全局快门

  • 卷帘快门每行像素按照顺序依次感光，像素点不能同时感光，则拍摄运动中的产品时图像会扭曲。
  • 全局快门所有像素同时感光，在任意一个时间点，所有像素都接受相同的光量。

检测节拍

节拍：客户要求每秒拍多少图像
检测节拍确定了相机帧率
相机检测节拍 = 取像时间 + 图像处理时间
取像时间 ≈ 1/相机帧率 + 曝光时间

只要关心采集时间、处理时间即可，传输时间一般没有问题

PS：忽略传输时间的原因
真实时间=图片采集速度+数据处理速度+数据传输速度

  • 智能相机：一体的，传输时间忽略不计
  • 工业相机：传输速度>采集速度，可忽略

举例说明：相同分辨率的两款相机，5403相机取像帧率14帧/秒，8402相机取像帧率53帧/秒，
在工作条件相同的（如曝光时间相同）情况下，8402相机取像时间比5403相机快50ms左右。

拍摄运动中的产品，如何设置曝光时间，图像不会有拖影：

已知：确定每一次检测的范围为80mm*60mm，200万像素全局快门相机（1600*1200），产品运动速度为100mm/s。
曝光时间计算：
曝光时间 < 系统精度 ÷ 运动速度
曝光时间 < 80mm ÷ 1600 ÷ 100mm/s
曝光时间 < 0.5ms
总结：故曝光时间要小于0.5ms ，图像才不会产生拖影。

镜头

常用机器视觉镜头分为非远心镜头和远心镜头

远心镜头优势主要体现在可以消除透视误差

  • 普通镜头：相机上显示的图像，近大远小（距离镜头远的物体比距离镜头近的物体小）
  • 远心镜头：相机上显示的图像，无论物体距离镜头近或远，所有物体都表现出相同的大小

高精度测量、定位项目，首选远心镜头
远心镜头：200mm就已经很大了（检测iphone大小，镜头有一人高）

PS：液态镜头（使用电压控制镜片厚度）

非远心镜头：安装空间、视野

安装空间限定了工作距离范围，当相机选定后，视野与工作距离决定了镜头焦距

计算公式（☆☆☆）（等边三角形）：

芯片尺寸计算方式：

非远心镜头：景深

景深即在不做任何调节的情况下，在物方空间内，可接受的能清晰成像的空间范围。

各项因素对景深的影响如下（假定其他的条件都不改变）：

  1. 镜头光圈：光圈越大，景深越小；光圈越小，景深越大；
  2. 镜头焦距：焦距越长，景深越小；焦距越短，景深越大；
  3. 工作距离：距离越远，景深越大；距离越近，景深越小。

非远心镜头：光圈

光圈系数是镜头的重要内部参数，它就是镜头相对孔径的倒数，光圈系数的标称值数字越大，实际光圈越小。
一般采用Fno来表示光圈，通常情况下都将光圈设置在镜头内部。
镜头的光圈排列顺序是：1、1.4、2.0、2.8、3.5、4.0、5.6、8.0、11、16、22、32等等，Fno的大小是通常通过改变光圈调整环的大小来设置的。
随着数值的增大，其实际光孔大小随之减小，而其在相同快门时间内的光通量也就随之减小。
光圈可以控制镜头的进光量，也就是光照度，还可以调节景深，以及确定分辨率下系统成像的对比度，从而影响成像质量。

畸变

广角镜头的畸变一般都大于标准镜头或长焦镜头。
无论是哪一种镜头，哪一种畸变，缩小光圈都不能改善畸变。

远心镜头：视野

当相机选定后，视野决定了镜头放大倍率

计算公式（☆☆☆）：

远心镜头的工作距离、光圈大小通常在镜头设计时已固定，所以远心镜头的景深是不可调节的，为保证获得最低畸变图像，工作距离相对于标称值的偏差应≤±3%。

最大兼容CCD芯片大小

镜头尺寸>=CCD，否则会出现暗角

光源

总而言之，①目标是黑白对比度好，②吃经验、要实测

机器视觉中的光源主要起到如下作用:

  1. 照亮目标，提高亮度；
  2. 形成有利于图像处理的效果；
  3. 克服环境光干扰，保证图像稳定性；
  4. 用作测量的工具或参照物 。

一幅好的图像应该具备如下条件：

  1. 对比度明显，目标与背景的边界清晰；
  2. 整体亮度均匀，整体不均匀灰度差不影响图像处理；
  3. 背景尽量淡化而且均匀，不干扰图像处理；
  4. 与颜色有关的还需要颜色真实，亮度适中，不过度曝光。

应用类型、工作环境限制

打光方式 应用
低角度暗视场 针刻字符
平行背光 凸显轮廓
无影光=Demo灯 表面毛糙
同轴光 检玻璃瑕疵
偏振光 偏振片滤除反光点
滤光片（查光谱图）
红外光（穿透性强） 太阳能硅片的裂纹
紫外光 荧光物质

PS：

  • 彩色相机只能打白光
  • 光源+偏振片
  • 镜头+偏振镜
  • 黑白相机+滤光片（打红光，红色会变白）
  • 红外光+红外滤镜（只有红外光可以通过）：滤除太阳光的影响

小结

选型思路

  1. 相机：分辨率、帧率、颜色、电压
  2. 镜头：焦距、光圈、放大倍率、分辨率
  3. 光源：应用场景

基础概要

  1. 相机种类

    • 工业相机：Balser、大华
    • 智能相机（采集卡、图像处理软件内置）：Cognex
      PS：常用分辨率：30w、200w、500w、1000w
    • 200w以下：用Cognex的智能机
    • 500w以上：用工业相机（图像大，需要处理速度快）

  2. 相机电压

    • 智能相机：24V
    • 工业相机：有些是12V的，要注意

  3. 相机种类

    • 面阵相机：常用，分辨率M*N（5MP=2592px*1944px）
    • 线阵相机：高速，分辨率1*N（4k=4096px*1px）

  4. 快门方式

    • 卷帘快门：静止状态
    • 全局快门：静止状态、拍运动中物体
      PS：CMOS常用-行曝光-卷帘快门

  5. 镜头种类：

    • 远心镜头：消除畸变
    • 非远心镜头≈FA镜头
    • 远心镜头：景深固定
    • FA镜头：景深可调

  6. 解决镜头畸变

    • 棋盘格校正
    • 小视野

  7. CCD、CMOS

CCD CMOS
价格较高 价格较低
图像质量较高 噪声大，灵敏度低
全局曝光（Global） 大部分是行曝光（Rolling）
功耗较高 功耗较低

常用品牌

  1. 相机
    • 工业相机：康耐视（COGNEX）、Balser、大华
    • 智能相机：康耐视（COGNEX IN-SIGHT）
  2. 镜头
    • 镜头：腾龙（Tamron）、长步道（ChiOpt）、茉丽特（Moritex）、视清
    • 远心镜头：浩蓝、灿锐、茉丽特（Moritex）、视清
  3. 光源
    • 光源：OPT（奥普特）、东冠（OSE）、茉丽特（Moritex）、仕风（SF，IMV的）

常用官网

常看相机官网的选型助手（Cognex、Balser）

类别 镜头
智能相机 In-Sight 7000系列
镜头 COGNEX的镜头选型助手
工业相机 Balser相机选型助手
镜头 视清镜头
镜头 凌云镜头
光源 OPT光源

康耐视智能相机命名规则

常用：8000系列、7802、7600
举例：8402（ABCD）

  • A = 系列
    1 = Micro系列
    5 = 5000系列
    7 = 7000系列
    8 = 8000系列

  • B = CPU速度
    0 = 基本速度
    1 = 4X基本速度
    4 = 10X基本速度
    6 = 20X基本速度

  • C = ID专用（读码、OCV/OCR）
    0 = 非专用ID
    1 = 专用ID工具

  • D = 成像器分辨率
    0 = 640x480 / 800*600 （30w/50w）
    1 = 1024x768 （80w）
    2 = 1280x1024 （130w）
    3 = 1600x1200 （200w）
    4 = 线扫描（1K x ，最高8K）
    5 = 2448x2048 （500w）

  • 彩色相机则第四位后有“C”，如8402C