六、

116、機器視覺選擇合適工業相機

1.應用不同選用CCD或CMOS

CCD工業相機主要應用在運動物體的影象提取，如貼片機機器視覺，當然隨著CMOS技術的發展，許多貼片機也在選用CMOS工業相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD工業相機比較多。 CMOS工業相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。

CCD尺寸的解釋：基本上，常用的 CCD 尺寸並不是『單位』而是『比例 』！ 1英吋 CCD Size = 長 12.8mm X 寬 9.6mm = 對角線為 16mm 之對應面積。根據『勾股定理』，可得出該三角之三邊比例為 4：3：5；換句話說，我無須給你完整的面積引數，只要給你該三角形最長一邊長度，你就可以透過簡單的定理換算回來。有了固定單位的 CCD 尺寸就不難了解餘下 CCD Size 比例定義了，例如: 1/2" CCD Size 的對角線就是 1"的一半為8mm，面積約為 [(8/5)*4*(8/5)*3]/122.88=1/4。

2.與鏡頭的匹配

感測器晶片尺寸需要小於或等於鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉介面）；

3.畫素深度（Pixel Depth）

即每畫素資料的位數，一般常用的是8Bit，對於數字相機機一般還會有10Bit、12Bit等。

4.掃描型別(Scan type) 

相機中的成像元件是CCD晶片。如果CCD晶片只有一行感光器件(如圖2.2左所示)，換句話說，每次只能對物體的一條線進行成像，那麼，這種掃描型別成為線掃描(line scan)，這樣的相機稱為線陣相機。如果CCD晶片的感光區是個矩形陣面(如圖2.2右所示)，換句話說，每次能對物體進行整體成像，那麼，這種掃描型別成為面掃描(line scan)，這樣的相機稱為面陣相機。

面陣相機的優點是價格便宜，處理方面，可以直接獲得一幅完整的影象。線陣相機的優點是速度快，解析度高，可以實現運動物體的連續檢測，比如傳送帶上的濾波等帶狀物體(這種情況下，面陣相機很難檢測)；其缺點是需要拼接影象的後續處理。圖2.3給出了線陣相機的一個成像例項，以幫助大家更好的理解線陣相機的成像過程。

按照掃描方式不同，面陣相機還可以分為隔行掃描(Interlaced scan)和逐行掃描(Progressive Scan)。隔行掃描方式下一幅完整影象分兩次顯示，首先顯示奇數場（1、3、5……），再顯示偶數場（2、4、6……），如圖2.4所示。

隔行掃描相機的優點是價格便宜，但由於隔行掃描方式是先掃奇數場，再掃偶數場，所以隔行掃描相機在拍運動物體的時候容易出現鋸齒狀邊緣或疊影。 

逐行掃描相機則沒有上述的缺點，由於所有行同時曝光，不會分先後，所以在拍攝運動影象畫面清晰，失真小。其餘引數相似的情況下，逐行掃描相機要比隔行掃描相機貴。

5.相機解析度

解析度是影響影象效果的重要因素，我們一般用水平和垂直方向上所能顯示的畫素數來表示解析度，例如640×480。該值越大圖形檔案所佔用的磁碟空間也就越多，從而影象的細節表現得更充分。 

與解析度聯絡非常緊密的引數是視場(Field of View)和特徵解析度

  需要選擇合適的解析度，根據系統的需求來選擇相機解析度的大小，通常系統的畫素精度等於視場（長或寬）除以相機解析度（長或寬）。如視場為10mm×7.5mm，使用130萬畫素的相機，則相機解析度為1280×960Pixel，則畫素精度為10mm÷1280Pixel=0.0078mm/Pixel；下面以一個應用案例來分析。 假設檢測一個物體的表面劃痕，要求拍攝的物體大小為10*8mm,要求的檢測精度是0.01mm。首先假設我們要拍攝的視野範圍在12*10mm,那麼相機的最低解析度應該選擇在：(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,約為120萬畫素的相機，也就是說一個畫素對應一個檢測的缺陷的話，那麼最低解析度必須不少於120萬畫素，但市面上常見的是130萬畫素的相機，因此一般而言是選用130萬畫素的相機。但實際問題是，如果一個畫素對應一個缺陷的話，那麼這樣的系統一定會極不穩定，因為隨便的一個干擾畫素點都可能被誤認為缺陷，所以我們為了提高系統的精準度和穩定性，最好取缺陷的面積在3到4個畫素以上，這樣我們選擇的相機也就在130萬乘3以上，即最低不能少於300萬畫素，通常採用300萬畫素的相機為最佳 。

特徵解析度(Feature Resolution)，如圖2.5所示。視場是指能拍攝到的範圍，特徵解析度是指能分辨的實際物理尺寸。

NI Vision Module中的影象演算法要求，物體最小的特徵需要兩個畫素來表示，根據視場和相機解析度，我們可以計算出特徵解析度。計算特徵解析度的公式為： 特徵解析度 = 視場/解析度 * 2 

例如：相機解析度為640 x 480，橫向的視場是60mm，那麼在橫向的特徵解析度為：60/640*2 = 0.1875 mm。

6.相機的影象傳輸方式 

按照不同的影象傳輸方式，相機可以大略的分為模擬相機和數字相機。

模擬相機（PCI採集卡）

對速度，精度要求不高可選擇 。優點：穩定，價效比高 缺點：幀率低，一般只能達到25幀—30幀 ，解析度不高等。在高速、高精度機器視覺應用中，一般都會考慮數字相機。

數字相機

數字相機先把影象訊號數字化後通過數字介面傳到電腦中。常見的數字相機介面有Firewire、CameraLink、GigE和USB。

（1）Firewire即IEEE1394，開始是為數字相機和PC連線設計的，它的特點是速度快(400Mbits/s)，通過匯流排供電和支援熱插拔。另外值得一提的是，如果PC上自帶Firewire介面，那麼不需要為相機額外購買一塊影象採集卡了，這在成本上也是一種優勢。優點：不佔系統CPU，幀頻高， 缺點：佔PCI插槽，價格昂貴

（2）Camera Link是一個工業高速串列埠資料連線標準，它是由National Instruments、攝像頭供應商和其他影象採集公司在2000年10月聯合推出的，它在一開始就對接線、資料格式、觸發、相機控制等做了考慮，所以非常方便機器視覺應用。Camera Link的資料傳輸率可達1Gbits/s，可提供高速率、高解析度和高數字化率，信噪比也大大改善。Camera Link的標準資料線長3米，最長可達10米。如果是高速或高解析度的應用，Camera Link肯定是首選。需要接影象採集卡，成本較高。

（3）GigE即千兆乙太網介面，它綜合了高速資料傳輸和遠距離的特點，而且電纜便宜(網線)。缺點是支援這種介面的相機型號比較少，選擇有限。

（4）USB介面工業數字相機是採用了高速USB2.0 介面和大面陣CMOS影象感測器的高解析度數字相機產品。此係列不需要額外的採集裝置即可獲得實時無壓縮視訊資料和對影象的捕捉。全面相容MICROSOFT WINDOWS所有應用環境,適用於計算機影象採集的各種應用場合。現在USB3.0介面的工業相機也問世了，傳輸速度是USB2.0介面的5倍多。在醫療、科技和工業等光電技術應用方面稱霸的德國NET相機就是USB3.0介面

優點：不需要佔PCI插槽，幀頻高，價效比高 缺點：佔系統CPU

117、機器視覺光源

機器視覺檢測系統採用CCD照相機將被檢測的目標轉換成影象訊號，傳送給專用的影象處理系統，根據畫素分佈和亮度、顏色等資訊，轉變成數字化訊號，影象處理系統對這些訊號進行各種運算來抽取目標的特徵，如面積、數量、位置、長度，再根據預設的允許度和其他條件輸出結果，包括尺寸、角度、個數、合格 / 不合格、有 / 無等，實現自動識別功能。

這部分來源百度百科。機器視覺的應用主要有檢測和機器人視覺兩個方面：

1.檢測：又可分為高精度定量檢測（例如顯微照片的細胞分類、機械零部件的尺寸和位置測量）和不用量器的定性或半定量檢測（例如產品的外觀檢查、裝配線上的零部件識別定位、缺陷性檢測與裝配完全性檢測）。

2.機器人視覺：用於指引機器人在大範圍內的操作和行動，如從料斗送出的雜亂工件堆中揀取工件並按一定的方位放在傳輸帶或其他裝置上（即料斗揀取問題）。至於小範圍內的操作和行動，還需要藉助於觸覺感測技術。

在機器視覺系統中，光源的作用至少有以下幾種：

1>.照亮目標，提高目標亮度；

2>.形成最有利於影象處理的成像效果；

3>.克服環境光干擾，保證影象的穩定性；

4>.用作測量的工具或參照；

由於沒有通用的機器視覺照明裝置，所以針對每個特定的應用例項，要設計相應的照明裝置，以達到最佳效果。機器視覺系統的光源的價值也正在於此。

影象的質量好壞，也就是看影象邊緣是否的銳利，具體來說：

1、將感興趣部分和其他部分的灰度值差異加大

2、儘量消隱不感興趣部分

3、提高信噪比，利於影象處理

4、減少因材質、照射角度對成像的影響

常用的有LED光源、鹵素燈（光纖光源）、高頻熒光燈。目前LED光源最常用，主要有如下幾個特點：

·可製成各種形狀、尺寸及各種照射角度；

·可根據需要製成各種顏色，並可以隨時調節亮度；

·通過散熱裝置，散熱效果更好，光亮度更穩定；

·使用壽命長；

·反應快捷，可在10微秒或更短的時間內達到最大亮度；

·電源帶有外觸發，可以通過計算機控制，起動速度快，可以用作頻閃燈；

·執行成本低、壽命長的LED，會在綜合成本和效能方面體現出更大的優勢；

·可根據客戶的需要，進行特殊設計。

LED分類：

機器視覺LED光源按形狀通常可分為以下幾類:

1、環形光源

環形光源提供不同照射角度、不同顏色組合，更能突出物體的三維資訊；高密度LED陣列，高亮度；多種緊湊設計，節省安裝空間；解決對角照射陰影問題；可選配漫射板導光，光線均勻擴散。應用領域:PCB基板檢測，IC元件檢測，顯微鏡照明，液晶校正，塑膠容器檢測，積體電路印字檢查

2、背光源

用高密度LED陣列面提供高強度背光照明，能突出物體的外形輪廓特徵，尤其適合作為顯微鏡的載物臺。紅白兩用背光源、紅藍多用背光源，能調配出不同顏色，滿足不同被測物多色要求。應用領域:機械零件尺寸的測量，電子元件、IC的外型檢測，膠片汙點檢測，透明物體劃痕檢測等。

3、條形光源

條形光源是較大方形結構被測物的首選光源；顏色可根據需求搭配，自由組合；照射角度與安裝隨意可調。應用領域:金屬表面檢查，影象掃描，表面裂縫檢測，LCD面板檢測等。

4、同軸光源

同軸光源可以消除物體表面不平整引起的陰影，從而減少干擾；部分採用分光鏡設計，減少光損失，提高成像清晰度，均勻照射物體表面。應用領域:系列光源最適宜用於反射度極高的物體，如金屬、玻璃、膠片、晶片等表面的劃傷檢測，晶片和矽晶片的破損檢測，Mark點定位，包裝條碼識別。

5、AOI專用光源

不同角度的三色光照明，照射凸顯焊錫三維資訊；外加漫射板導光，減少反光；不同角度組合；應用領域:用於電路板焊錫檢測。

6、球積分光源

具有積分效果的半球面內壁，均勻反射從底部360度發射出的光線，使整個影象的照度十分均勻。應用領域:合於曲面，表面凹凸，弧形表面檢測，或金屬、玻璃表面反光較強的物體表面檢測。

7、線形光源

超高亮度，採用柱面透鏡聚光，適用於各種流水線連續檢測場合。應用領域:陣相機照明專用，AOI專用。

8、點光源

大功率LED，體積小，發光強度高；光纖鹵素燈的替代品，尤其適合作為鏡頭的同軸光源等；高效散熱裝置，大大提高光源的使用壽命。應用領域:適合遠心鏡頭使用，用於晶片檢測，Mark點定位，晶片及液晶玻璃底基校正。

9、組合條形光源

四邊配置條形光，每邊照明獨立可控；可根據被測物要求調整所需照明角度，適用性廣。應用案例:CB基板檢測，IC元件檢測，焊錫檢查，Mark點定位，顯微鏡照明，包裝條碼照明，球形物體照明等。

10、對位光源

對位速度快；視場大；精度高；體積小，便於檢測整合；亮度高，可選配輔助環形光源。應用領域:VA系列光源是全自動電路板印刷機對位的專用光源。

118、常用光源選型

AOI光源：

該系統利用一組環表複合光源產生紅\綠\藍/白四色光，並以不同的角度照射受檢的PCB板，影象感測器捕捉到PCB板的表面反射回來的這些色彩後產生一個包含三維資訊的二維影象。
● 可以檢測到PCB漏件、錯件、偏斜、漏焊、極性誤、多錫、無錫、橋接、焊錫球等缺陷。 
● 可選配同軸落射光；整合5通道數字控制器，可通過串列埠實時控制各色光(同軸光)的亮度，各色光亮度256級可調。 
● 可選配分離式18通道數字控制器，以形成多顏色、多角度的光源照。 

圓頂光源： 

LED高密度排列在圓形電路板上，平滑、均勻地照明在被測物體表面，該系列光源具有較大的光擴散面，能夠全方位的均勻照射在被測物體，最適合於表面有起伏、光澤的被測物體，即使是彎曲的金屬表面也能夠被均勻的照射到。 
● 檢測反光、不平整表面; 
● 檢測IC表面字元; 
● 檢測電容器表面破損等; 

環形光源： 

LED陣列成圓錐狀以斜角照射在被測物體表面，工作距離在10-15mm時，該光源可以突出顯示被測物體邊緣和高度的變化，突出原本難以看清的部分，是邊緣檢測、金屬表面的刻字和損傷檢測的理想選擇。 
● 檢測IC晶片上的印刷字元; 
● 檢測電路板上的元件; 
● 檢測塑料容器的底部; 
● 檢測標籤; 
● 檢測液晶玻璃基板的標記; 
● 檢測板裝藥缺片和顆粒破損; 
● 檢測軸承表面損傷; 

特殊光源： 

超亮度LED陣列為四個獨立的環形光,每路單獨可控.由四種不同照明角度分別:10度 、15度 、20度、25度 所組成。該光源能夠高亮度照射在被測物體上，檢測被測物體的形狀、大小。 
● 檢測鑽頭刀鋒的形狀、大小;