機器視覺應用的攝像頭設計

發布時間：2009-2-28 13:57 發布者：虞美人

本文將探討機器視覺應用的 CMOS 圖像感應器技術及架構要求。此外，還將詳細分析機器視覺的基本組件，攝像頭為滿足應用需求需要哪些條件，以及如何設計出可滿足各種機器視覺應用需求、同時又能在圖像質量與成本之間獲得平衡的攝像頭。總體上說，機器視覺就是讓電子光學系統（攝像頭）連接至如計算機等處理單元，以進行圖像處理并對相關系統實現控制。換言之，機器視覺系統就是指能夠看到目標對象的系統或計算機。受計算機控制的系統可包括生產單元、產品質量控制以及抓放設備等。
機器視覺要求什么？
機器視覺系統應當包括圖像感應器與透鏡系統，這通常整體稱作攝像系統，可需要通過火線、USB或以太網等電氣接口連接到計算機，而計算機則連接至控制設備。
a) 攝像頭
b) 計算機（主機）
c) 幀接收器
d) 應用軟件

機器視覺應用需要結合軟、硬件才能確保成功工作。選擇適當的硬件固然重要，但視覺檢查軟件則形成了所有機器視覺系統的核心。通常由像素時鐘驅動的感應器將由用戶通過SPI 或 I2C接口設置寄存器來配置分辨率、工作速度、增益控制、曝光時間以及集成時間。感應器可輸出幀同步和線路同步脈沖以及待處理的數字數據。感應器的電氣接口為CMOS，可支持高達 200 MHz 的頻率。如果速度更高，則需要 LVDS 接口來實現信號完整性。
機器視覺攝像頭的典型系統架構為：
1 離線處理功能的攝像頭

在機器視覺系統的上述配置中，包含獨立的攝像頭，它采用業界標準的電氣接口，如火線、USB或千兆以太網等。可單獨對攝像頭供電，并可通過電氣接口將原始數據傳送至主機。視頻傳輸既可以是連續幀，也可以是單幀數據，具體取決于應用的需要。單幀捕獲與視頻傳輸被稱作觸發模式，需要外部系統通常以 CMOS級向攝像頭系統發送電子脈沖。攝像頭邏輯將啟動一個幀集成，并通過電氣接口將掃描的數據發送至主機。在某些情況下，原始數據通過總線與同步信號、時鐘和數據一起發送給幀接收器等終端數據采集系統。幀接收器在存儲器中存儲數據，隨后可由主機應用軟件對數據進行存取以處理和控制。
攝像頭連接到主機的電氣接口包括：
1 火線 IEEE 1394 接口
2 USB 接口
3 自動化圖像協會定義的千兆以太網視覺接口 (GigE Vision interface)
4 合成模擬視頻接口
5 LVDS

離線處理的一大優勢在于，單靠一個主機就能滿足攝像頭操控與系統控制兩者之需。不過，由于視頻數據從攝像頭每幀傳輸存在一定的延遲，因此這種處理方式不適用于實時處理的應用，比如器件生產過程中傳送帶上的產品檢查。
2 在線處理功能的攝像頭
近期，DSP 處理器發展非常快，已經具備實時執行復雜算法的計算功能，因此也使得攝像頭的在線處理成為可能。此類攝像頭包括感應器與 DSP處理器，二者可通過非粘接邏輯、也可通過某種粘接邏輯連接。DMA 將感應器掃描的視頻直接發送至 DSP存儲器，并進行逐幀處理。控制函數的最終結果由處理器在被控制的系統中直接啟動，或在主機上作為命令啟動。
在攝像頭中進行視頻處理的優勢在于，數據處理可實時進行，而且在火線、USB 或千兆以太網接口上沒有分組處理的負擔。我們可采用字節優化型匯編代碼，在時鐘頻率超過 300 MHz 的 DSP 處理器上加快實時處理速度。
圖像算法的實時處理對檢查應用至關重要，例如，能夠檢查出傳送帶上移動過快的的器件。一個幀圖像的計算完成并采取相應行動后，才可以繼續向系統傳輸下一個圖像幀。

至關重要的規范：
對于機器視覺系統來說，圖像質量是直接影響最終圖像處理結果的關鍵因素。特別是在自然光照條件下，圖像質量隨著光源條件的變化會有明顯的不同。對諸如“增益”和“曝光時間”等攝像頭設置作出相應調解可對不穩定的環境光情況作出補償，從而提高圖像質量。
根據最終應用的情況和感應器與掃描對象的距離，光源可由單獨的設備提供，也可以是攝像頭透鏡周邊的一部分。如果光源在攝像頭周邊，那么攝像頭可與光源一起移動。常用的光源包括鹵素燈泡、熒光燈泡以及發光二極管 (LED) 等。
影響圖像質量的因素包括：
1 光照強度
2 光照方向
3 目標距離
4 焦距
5 采樣率
6 曝光時間和增益
7 暗漏電流
8 分辨率（像素數量）
透鏡的選擇與要求：
高質量透鏡與感應器質量同等重要。攝像頭是一種電子光學系統，需要光學元件和電子元件協作生成圖像。圖像模糊問題通常是由透鏡選擇不當造成的。最佳透鏡尺寸和形狀取決于焦距，不過對較小的對象距離來說，一般使用C座透鏡。如果攝像頭需要在高反射環境條件下工作，那么最好選用抗反射膜透鏡。整體攝像頭的視野覆蓋面取決于所需視野的區域、工作距離和透鏡。
透鏡設計／選擇的另一關鍵參數就是最終對象分辨率（單位為毫米或密耳，即千分之一英寸）。
如果攝像頭用于測量生產環境下的對象尺寸，需考慮以下幾個重要參數：
1 視野
2 感應器分辨率（像素數量）
3 圖像質量
4 視覺工具精確度
例如，如果采用 IBIS5-1300 感應器（130 萬像素，分辨率為1280(h) X 1024 (v)），工具的精確度為十分之一像素，那么 5 英寸寬、4 英寸高的對象在6英寸 FOV 水平方向上精確度可達到 0.0004 英寸。
分辨率：根據視野和最終掃描對象的圖像粒度，一般使用 VGA 到百萬像素陣列標準。
靈敏度：單色或彩色：大多數檢查應用可采用單色感應器生成灰度級。典型的應用包括條形碼閱讀器、指紋掃描儀、制造設備的尺寸測量等。
如果質量和生產控制中需要掌握對象的色彩信息，則使用彩色感應器，如辣椒或蘋果的分級和分類等。感應器的24位彩色數據可捕獲 1740 萬種不同的色彩。
感應器的參數和選擇：
就機器視覺應用而言，感應器和攝像頭需要支持多種不同的分辨率和幀速率。如果感應器支持可編程特性，那么就能針對各種機器視覺應用增加更多通用攝像頭設計。通常支持的特性包括：
* 窗口和分辨率選擇
* 用戶可對高幀速率進行編程
* 標準電氣 CMOS 接口
* 低感應器暗漏電流
* 寬動態范圍
必須在工業操作環境內確保可靠性和感應器性能。設備應當是工業級的，通常在 0 至 80 攝氏度之間操作。
應用：
* 引導：采用機器人抓放技術的設備系統
* 檢查：紋理、表面、商標、組裝
* 測量：產品部件的物理尺寸、組裝部件尺寸
* 識別：抓放設備、機器人技術、讀取字符、讀取代碼
賽普拉斯半導體為圖像感應器提供了高幀速率和用戶可選的參數，同時能在工業溫度范圍內正常工作，因此可理想地用于機器視覺攝像頭設計。就 IBIS 和 LUPA 系列感應器而言，幀速率在每秒 30 F至 500 F之內。

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