机器视觉的眼睛——工业相机
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近年来,机器视觉技术发展迅猛,应用领域已由起初的电子制造和半导体生产,发展到了包装、汽车、交通和体育等多个行业,其中的工业相机作为机器视觉的核心组件,对于整个技术系统,起着至关重要的作用。那么,什么是工业相机?如何作用在机器视觉系统中?它和普通单反相机又有什么不同?一起来看。

机器视觉技术是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科,主要用计算机来模拟人的视觉功能,从客观事物的图像中提取信息,进行处理并加以理解,用于实际检测、测量和控制。该系统可分为“视”和“觉”两部分,“视”是将外界信息通过成像来显示成数字信号反馈给计算机,需要依靠一整套的硬件解决方案,包括光源、相机、图像采集卡、视觉传感器等;“觉”则是计算机对数字信号进行处理和分析,主要是软件算法。

工业相机是机器视觉系统中“视”部分的关键组件,其功能就是将光信号转变成有序的电信号,相当于机器视觉系统的“眼睛”,直接决定整个系统所呈现图像画面(或数据)的质量,是整个视觉系统优劣的重要判断因素。

工业相机主要有以下几个部分组成:

1.图像传感器:是工业相机的核心部件,通常采用CCD或CMOS传感器。

(注:CCD,电荷耦合器件图像传感器。它使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光线转变成电荷,通过模数转换器芯片转换成数字信号,数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存,因而可以轻而易举地把数据传输给计算机,并借助于计算机的处理手段,根据需要和想象来修改图像。

2.相机电路板:包括图像传感器控制芯片、A/D转换、USB或GigE接口等。

3.镜头:负责将物体反射的光线聚焦到传感器上。

4.滤光片:用于滤掉不需要的光线。

5.灯光源:提供适当的照明条件,以确保拍摄到高质量的图像。

6.机壳:通常采用金属材料,以保护内部电子元件不受损坏。

7.其他辅助元件:例如风扇、散热器、电源等,以保证工业相机的正常运行。
 
工业相机与普通相机的区别主要体现在以下六点:

1、工业相机的性能稳定可靠易于安装,相机结构紧凑结实不易损坏,连续工作时间长,可在较差的环境下使用,一般的数码相机无法做到。

2、工业相机的快门时间非常短,可以抓拍高速运动的物体。例如,把名片贴在电风扇扇叶上,以最大速度旋转,设置合适的快门时间,用工业相机抓拍一张图像,仍能够清晰辨别名片上的字体。用普通的相机来抓拍,无法达到该效果。

3、工业相机的图像传感器逐行扫描,普通的相机的图像传感器是隔行扫描的,逐行扫描的图像传感器生产工艺比较复杂,成品率低,出货量少,世界上只有少数公司能够提供这类产品,例如Dalsa、Sony,而且价格昂贵。

4、工业相机的帧率远远高于普通相机。工业相机每秒最多可以拍摄几百幅图片(目前市场上商用工业相机大部分拍摄效率在每秒200幅左右),而普通相机无法达到该效率。

5、工业相机输出的是裸数据(raw data),其光谱范围也往往比较宽,比较适合进行高质量的图像处理算法,例如机器视觉(Machine Vision)应用。普通相机拍摄的图片,图像质量相对较差。

6、工业相机(Industrial Camera)相对普通相机(DSC)来说价格较贵。
 
随着国内机器视觉行业的迅猛发展,机器视觉系统的重要组件,工业相机也同样得到了巨大的发展。数字工业相机对被摄物的大小没有限制,根据镜头的条件,既可以拍摄一般物质,也可以用于显微镜摄影。目前,工业相机的主要用途包括以下几个方面:

(1)在开发产品和验证产品等:如开发金属材料及树脂材料时,用来观察材料受到冲击时内部裂纹产生的方向、状态等,可用来分析材料被破坏时物质的结构,及电子产品的工业在线检测等;

(2)包装和标签行业的印刷过程中,能够实时检测到高速印刷中细微的缺陷,以便采取措施,减少损失。常见的缺陷如划痕、灰尘、漏印、墨痕、褶皱等都可被检测出来,提高投资回报,减少废品支出,提高了客户满意度和信任度;

(3)其他领域:如机器视觉、科研、军事科学、航空航天等众多领域,尤其是在智能交通行业:超速抓拍,闯红灯电子警察、高速路口、卡扣收费等交通行业也得到了良好的使用。