機(jī)器視覺(jué)集成：在攝影機(jī)后面

機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)解決方案的體系結(jié)構(gòu)和配置中可用的組件比以往任何時(shí)候都多。從智能傳感器到智能相機(jī)到復(fù)雜的自動(dòng)化應(yīng)用特定的設(shè)備，機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)提供了多種選擇。雖然沒(méi)有一個(gè)單一的檢查系統(tǒng)，組件，或工具，將適用于每一個(gè)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)碼相機(jī)接口與PC（有時(shí)被稱為“繩系”相機(jī)和“PC為基礎(chǔ)的”系統(tǒng)）可能使一個(gè)最靈活，功能強(qiáng)大，高速系統(tǒng)提供給機(jī)器視覺(jué)集成。本文將討論選擇和使用數(shù)碼相機(jī)的基本知識(shí)，并會(huì)揭示一些有用的提示在工業(yè)在線應(yīng)用中的現(xiàn)實(shí)世界的集成問(wèn)題。

 

背景

一些工程師和最終用戶可能只熟悉機(jī)器視覺(jué)智能相機(jī)組件，重要的是要注意，基于PC的或拴系相機(jī)系統(tǒng)是絕不是一個(gè)新的架構(gòu)，它實(shí)際上是原來(lái)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)架構(gòu)，雖然早期的計(jì)算平臺(tái)是一臺(tái)個(gè)人電腦以外的東西，和拴相機(jī)是模擬不數(shù)字。模擬攝像機(jī)需要專用的圖像采集卡，并可能難以整合。盡管如此，處理器為基礎(chǔ)的，繩系相機(jī)系統(tǒng)一直是廣泛的檢查應(yīng)用的核心選項(xiàng)，在過(guò)去的八至十年，一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)驅(qū)動(dòng)程序，幫助使這個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)更方便，比以往任何時(shí)候都可行的：數(shù)字機(jī)器視覺(jué)相機(jī)的發(fā)展。機(jī)器視覺(jué)中的數(shù)碼相機(jī)現(xiàn)在大大超過(guò)了模擬的使用，隨著接口的選擇逐年增加。對(duì)于這篇文章的其余部分，術(shù)語(yǔ)相機(jī)將指向一個(gè)數(shù)碼相機(jī)，是拴在一個(gè)PC型處理器（而不是一個(gè)智能相機(jī)）。

 

接口，互連和編程標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的攝像機(jī)連接到使用不同物理接口的上位機(jī)。該接口表示的硬件（電子，布線，連接器），固件和數(shù)據(jù)傳輸（圖像和控制）協(xié)議，相機(jī)正在使用。早期的數(shù)字接口是專有的或有時(shí)是應(yīng)用程序或設(shè)備特定的。然而，在本世紀(jì)初，通用標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)在相機(jī)行業(yè)被廠商廣泛采用?？赡茏钍煜さ氖且曈X(jué)，攝像機(jī)連接，火線（1394碼）和USB。最近的接口標(biāo)準(zhǔn)包括CoaXPress，usb3vision，Camera Link HS 10 GigE Vision。通過(guò)采用這些協(xié)議，制造商可以提供用戶大多是標(biāo)準(zhǔn)化的選擇相機(jī)接口的選擇與一個(gè)更簡(jiǎn)單的和可預(yù)測(cè)的集成相機(jī)與PC和兼容的機(jī)器視覺(jué)軟件的總體期望。

一個(gè)重要的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相機(jī)是genicam，指定為工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)覆蓋相機(jī)配置、編程接口的圖像采集、數(shù)據(jù)和事件通訊和相機(jī)界面。這個(gè)有價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)有助于提供不同制造商提供的數(shù)碼相機(jī)之間的互操作性的程度。

 

選擇和實(shí)現(xiàn)正確的相機(jī)接口

接口選擇是高度應(yīng)用程序特定的，對(duì)于一個(gè)給定的應(yīng)用程序可能有一個(gè)以上的可行的協(xié)議。界面選擇的技術(shù)性因素包括速度（圖像數(shù)據(jù)吞吐量和帶寬），物理互連（連接器的使用，獨(dú)立的卡或圖像采集的要求，在布線可用功率）、電纜類型和最大傳輸長(zhǎng)度、CPU使用率和負(fù)載，軟件觸發(fā)延遲和抖動(dòng)的水平，I / O的支持，和軟件接口的靈活性和控制功能。其他重要的，但更多的主觀標(biāo)準(zhǔn)可以包括相機(jī)的形式因素和大小，產(chǎn)品可用性（特別是在一個(gè)所需的傳感器格式，分辨率，和/或幀速率），和成本。

每個(gè)接口協(xié)議都有著名的技術(shù)能力和局限性，并在本文以外的各種來(lái)源提供詳細(xì)的比較。最終，決策過(guò)程在很大程度上取決于主觀上的考慮，但這應(yīng)該是只有一次技術(shù)要求得到滿足。

 

流行的標(biāo)準(zhǔn)接口

Camera Link，GigE Vision和火線（IEEE 1394 /同/ IIDC）是最成熟的標(biāo)準(zhǔn)，并能很好地支持。Camera Link是一個(gè)非常高速和確定性幾乎沒(méi)有CPU加載界面，盡管它僅提供一個(gè)短電纜的最大長(zhǎng)度（無(wú)填料），需要一個(gè)專用的圖像采集卡。相機(jī)鏈路是優(yōu)秀的行掃描或其他應(yīng)用程序，可能需要低延遲和高幀速率的外部觸發(fā)。這是一個(gè)更高的成本解決方案，但很好地表示，在專用的速度和圖像傳遞是必需的。Camera Link相機(jī)是最小的標(biāo)準(zhǔn)化方面的信號(hào)和命令結(jié)構(gòu)，這會(huì)增加應(yīng)用程序的復(fù)雜性，特別是如果它是必要的以編程方式操作相機(jī)操作通過(guò)直接串行通信。因此，它是非常重要的相機(jī)鏈接，以確保選定的相機(jī)是完全兼容的有針對(duì)性的軟件包或庫(kù)。

視覺(jué)相機(jī)已經(jīng)成為非常受歡迎，被許多人認(rèn)為是去通用的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用組件。實(shí)施視覺(jué)一般很容易如果你認(rèn)真遵循尋址和設(shè)置網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）參數(shù)的建議。很小心的任意軟件如網(wǎng)絡(luò)防火墻和殺毒工具，它可以阻止或者破壞帶攝像頭的吉比特因特網(wǎng)接口。視覺(jué)允許最長(zhǎng)的本土的電纜，和互連是常見(jiàn)的因特網(wǎng)rs45插頭，電源在布線如果網(wǎng)卡提供了它。GigE相機(jī)相對(duì)便宜，而且不需要圖像采集卡，盡管它是強(qiáng)烈建議每個(gè)相機(jī)有一個(gè)單獨(dú)的專用因特網(wǎng)連接到PC（沒(méi)有開(kāi)關(guān)除了最慢的應(yīng)用）。

該協(xié)議的性質(zhì)需要顯著的處理器負(fù)載的圖像采集和內(nèi)存存儲(chǔ)，因此指定一個(gè)計(jì)算設(shè)備，因此。視覺(jué)有所差軟件觸發(fā)延遲和抖動(dòng)，但這可以通過(guò)使用一個(gè)硬件觸發(fā)通過(guò)攝像頭的I / O代替軟件觸發(fā)主要解決。視覺(jué)不會(huì)被認(rèn)為是“確定性”，但對(duì)于許多應(yīng)用是合理的。批評(píng)者指出，視覺(jué)，不像相機(jī)鏈接或火線，沒(méi)有保證圖像數(shù)據(jù)包傳輸。再次，真的，但在實(shí)踐中，不是許多應(yīng)用程序的問(wèn)題。

火線是一個(gè)專用的機(jī)器視覺(jué)標(biāo)準(zhǔn)，但IEEE1394標(biāo)準(zhǔn)的背景下，工業(yè)和儀器儀表的數(shù)碼相機(jī)的規(guī)格（IIDC）定義了相機(jī)的控制，使FireWire相機(jī)在使用基本的PC連接的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用更合適的能力（不同于基本的USB攝像頭，沒(méi)有基本的規(guī)范或觸發(fā)和控制不適合機(jī)器視覺(jué)）?；鹁€接口，具有較低的帶寬和速度相比，視覺(jué)，和很短的電纜的最大長(zhǎng)度，但是也有類似的特征。火線比視覺(jué)圖像采集使用較少的CPU，和協(xié)議很不規(guī)范，甚至“即插即用”。

新加coaxpress，usb3：視覺(jué)，視覺(jué)10gige CameraLink HS，

一些新興的相機(jī)接口協(xié)議的特殊編碼的熊。coaxpress和usb3視覺(jué)攝像頭是可用的和似乎是擴(kuò)張的基礎(chǔ)。10 gigevision CameraLink和HS有沒(méi)有widely implemented格局。《coaxpress辨別同軸電纜接口協(xié)議的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)和電源?！皾撛诘谋柯蕿榇笥谌魏纹渌麉f(xié)議，我10gige視覺(jué)和提供額外的垢多用電纜?！俺杀居行У腸abling可能會(huì)允許一coaxpress相機(jī)的兩個(gè)老的模擬攝像機(jī)replace函數(shù)使用現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施。不需要專用coaxpress一幀采集卡，但總體上可能是個(gè)選項(xiàng)，要求關(guān)閉編碼作為娛樂(lè)設(shè)備變得可用。

USB3 Vision利用USB 3端口，將對(duì)所有新的個(gè)人電腦的速度比舊的協(xié)議實(shí)現(xiàn)的更快，甚至可能高于新CameraLink HS。電纜是標(biāo)準(zhǔn)的，可以有權(quán)力，但仍然受到很短的最大長(zhǎng)度。低成本和系統(tǒng)的復(fù)雜性，USB3視覺(jué)可以為特定的應(yīng)用程序是有用的。

 

其他實(shí)用相機(jī)集成的考慮

傳感器的分辨率

在考慮任何機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的成像源時(shí)，分辨率仍然是最重要的選擇標(biāo)準(zhǔn)之一。像素的需要是由應(yīng)用程序的要求，并最終，并從根本上決定了成像組件選擇的范圍。有可能是權(quán)衡考慮接口的選擇，但這些必須采取一個(gè)后座的正確和適當(dāng)?shù)南袼胤直媛实膶?shí)現(xiàn)在所需的領(lǐng)域的看法。

請(qǐng)記住，不是所有的相機(jī)都是平等的。在市場(chǎng)中，人們可以找到基于相同的精確傳感器的數(shù)碼相機(jī)，但組件和固件的其余部分可能不會(huì)在所有類似。如果必要的話，選擇一個(gè)合適的傳感器，但仍然知道其他功能和問(wèn)題，可能會(huì)影響最終交付高品質(zhì)的圖像從一個(gè)易于集成的組件。

具有更高的分辨率來(lái)較小的像素大小或更大的傳感器的大小或兩者都。較小的像素尺寸的結(jié)果在較少的光收集能力（需要更多的照明），并增加了潛在的噪聲和降低動(dòng)態(tài)范圍。非常小的像素也可能由于衍射分辨率損失、違反直覺(jué)的意圖有更多的像素。

軟件和圖像采集

相機(jī)功能可以是高度靈活的，可編程的，通過(guò)參數(shù)設(shè)置。經(jīng)常相機(jī)有能力做各種圖像處理任務(wù)的內(nèi)部，并可以提供數(shù)據(jù)以及圖像信息。前面提到的細(xì)節(jié)的genicam標(biāo)準(zhǔn)通用編程接口簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的相機(jī)應(yīng)用程序編程接口（API），使相機(jī)的控制標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論制造商。許多相機(jī)genicam“符合”或“兼容”。

然而，在商業(yè)實(shí)踐中genicam就像“海盜的代碼”是指在一個(gè)熟悉的電影是在說(shuō)“代碼[標(biāo)準(zhǔn)]是你所說(shuō)的“準(zhǔn)則”不是實(shí)際的規(guī)則?！霸S多相機(jī)制造商不完全實(shí)施genicam，或修改它，實(shí)現(xiàn)自己的具體產(chǎn)品的獨(dú)特。這不是一個(gè)缺點(diǎn)，可能會(huì)導(dǎo)致一個(gè)更好的產(chǎn)品。最終的結(jié)果，雖然從一個(gè)集成的角度來(lái)看是，用戶偶爾（或經(jīng)常）可能需要手動(dòng)訪問(wèn)相機(jī)參數(shù)，使用明確的寄存器地址或命令字符串，以操縱先進(jìn)的或有時(shí)甚至基本的相機(jī)功能控制。

機(jī)器視覺(jué)軟件庫(kù)通常表明genicam兼容性，但即使圖像采集本地命令可能并不總是正確的或想要的相機(jī)配置啟動(dòng)。對(duì)于某些應(yīng)用程序，它可能是至關(guān)重要的，積分是非常熟悉的相機(jī)控制設(shè)置或寄存器結(jié)構(gòu)，并能夠在需要的操作參數(shù)，而不是只是為基本功能，但要獲得最佳的性能的相機(jī)和應(yīng)用程序。

所有機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的出發(fā)點(diǎn)是圖像的獲取。在工業(yè)環(huán)境中，本次采集通常必須是事件驅(qū)動(dòng)的，也就是說(shuō)，一個(gè)圖像必須被捕獲時(shí)，要檢查的一部分或功能是在相機(jī)前的位置。捕獲是由外部信號(hào)“觸發(fā)”的。在某些應(yīng)用中，這個(gè)觸發(fā)器可能由PC或處理器接收，然后發(fā)送到一個(gè)或多個(gè)相機(jī)的軟件命令啟動(dòng)收購(gòu)。如果這種架構(gòu)是使用一個(gè)必須意識(shí)到軟件觸發(fā)延遲和抖動(dòng)（非確定性）的圖像采集，一個(gè)關(guān)鍵的重要點(diǎn)，如果部分是移動(dòng)或檢查涉及到高速度或同時(shí)成像。往往是一個(gè)更好的方法是使用相機(jī)的能力，直接觸發(fā)相機(jī)使用可用的板上的I / O。這產(chǎn)生零延遲（除了觸發(fā)信號(hào)），并允許多個(gè)相機(jī)的精確同步。

最后，一個(gè)字的檢查軟件。機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)的交鑰匙方案基于PC的檢測(cè)產(chǎn)品，以及圖書(shū)館必須用在一個(gè)編程環(huán)境，像VB.NET，C或C++ #。在一般情況下，這些工具提供了一個(gè)高層次的靈活性，往往比其他平臺(tái)上提供更多的處理和分析選項(xiàng)。當(dāng)然有能力有一定程度的復(fù)雜性，但這不應(yīng)該是。包是非常用戶友好，仍然非常強(qiáng)大的提供訪問(wèn)這里討論的相機(jī)的類型。

機(jī)器視覺(jué)中的數(shù)碼相機(jī)的一個(gè)光明的未來(lái)

 

 

技術(shù)提示

機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用的攝像機(jī)連接到使用不同物理接口的上位機(jī)。

該接口表示相機(jī)正在使用的硬件、固件和數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

Camera Link，GigE Vision和火線（IEEE 1394 /同/ IIDC）是最成熟的標(biāo)準(zhǔn)，并能很好地支持。