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​如何正确选择高速工业相机?如何选择合适的高速工业相机?

发布时间:2021-06-24
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(一)

你需要黑白相机还是彩色相机?


一张图像是由一个个像素点阵列构成的,每个像素点都代表着一个数值,这个数值称为像素值,它的含义为像素点的颜色强度。


一、清晰度的区别

彩色相机芯片传感器和黑白相机芯片传感器在结构上没有太大的区别,而黑白相机一般是在单色像素上加上滤色片,只允许一种颜色的光通过光感芯片, 从而得到“黑白”的颜色。在彩色相机中,需要算法处理多通道的颜色分量,使得彩色图像中像素边缘精度丢失,所以彩色相机的的实际分辨率要比黑白相机的分辨率要低。


二、灵敏度的区别

在相机芯片传感器中每一个像素前面都有滤色片,这将导致像素接收的光量减少几倍,另外,因为人眼只能看到可见光,为了使色彩信息接近人眼的习惯,一般需在感光芯片前再加一个红外截至滤光片,又进一步减少像素接收的光量,这些问题将导致彩色感光芯片的灵敏度比同类黑白感光芯片的灵敏度低很多。


综上所述

只有在需要检测颜色信息的场合,如医学电子目镜,彩色印刷品检测等场合,才需要使用彩色相机,其他的如文字识别,尺寸测量等,一般选用黑白相机。有一些检测场合不需要检测颜色信息,但因为检测物体是彩色的,而且目标和背景的灰度级接近,这时,如果使用黑白相机,则对比度不强烈,而使用彩色相机,可以通过设置不同的 RGB 增益,起到增强对比度的效果。这时,会选择彩色相机。

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(二)

你需要多大的图像分辨率?


在检测区域一定的前提下,相机的分辨率越高,检测的精度也就越高,当然,检测精度还和检测算法有关系。如面积、形状、尺寸、位置等的测量时,优先考虑面阵相机。如被测视野为细长的带状,类似滚筒上的检测或者需要极大的视野或极高的精度时,考虑使用线阵相机。


一、面阵相机案例说明

我们暂且假定算法的精度是一个像素,如果您的要求是这样的:

·需要检测的某个方向的尺寸为 X。

·希望检测的精度为△X。

·那么我们需要的分辨率就是: X / △X。

如,检测一个长度寸约为10mm 的工件,精度为0.01mm,则图像宽度需要 10/0.01=1000像素。



假设检测一个物体的表面划痕,要求拍摄的物体大小为10*8mm,要求的检测精度是0.01mm。首先假设我们要拍摄的视野范围在12*10mm,那么相机的最低分辨率应该选择在:(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,约为120万像素的相机,也就是说一个像素对应一个检测的缺陷的话,那么最低分辨率必须不少于120万像素,但市面上常见的是130万像素的相机,因此一般而言是选用130万像素的相机。但实际问题是,如果一个像素对应一个缺陷的话,那么这样的系统一定会极不稳定,因为随便的一个干扰像素点都可能被误认为缺陷,所以我们为了提高系统的精准度和稳定性,最好取缺陷的面积在3到4个像素以上,这样我们选择的相机也就在130万乘3以上,即最低不能少于300万像素,通常采用300万像素的相机为最佳 。


二、线阵相机案例说明

1.计算分辩率:幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素

2.选定相机:幅宽除以像素数得出实际检测精度。

3.每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数。



例如如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速22000mm/s

相机:1600/1=1600像素

最少2000像素,选定为2k相机

1600/2048=0.8实际精度

22000mm/0.8mm=27.5KHz

应选定相机为2048像素28kHz相机

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(三)

你需要多高的输出帧率?


根据要检测的速度,选择相机的帧率一定要大于或等于检测速度,等于的情况就是你处理图像的时间一定要快,一定要在相机的曝光和传输的时间内完成。


一、应用场合举例说明

1.实时监控或观察:输出帧率 > 25fps

2.自动检测:输出帧率 > 每秒钟检测工件的个数

3.高速记录和检测场合需要 200 fps 甚至更高的输出帧率



相机的帧频一般和两个因素有关,一是相机使用的感光芯片的输出帧频,而是相机能够传输的帧频,一般,相机选用的接口都是能将感光芯片产生的图象完整的传输到主机的,但一些低成本的相机或做的不好的相机也有可能不能将感光芯片产生的图象完整的传输到主机,就是通常所谓的丢帧。


二、帧频与行频

帧频是和分辨率相关的,因为“帧频×分辨率=带宽”。比如,分辨率为1280×1024 的相机,也就是 1.25M,每秒 28 帧,则带宽就是 35M。包括感光芯片、传输接口等,都有一定的带宽瓶颈,所以,要看一款相机的帧频是否能满足要求,必须看是在多大分辨率下帧频多高。

对于线阵来说,因为只有一行,所以,一般不叫帧频,叫行频。即,每秒多少行。如果认为线阵一行就是一帧的话,这和帧频其实是一个概念。线阵里还有一个像素时钟的概念。就是每秒能有多少个像素输出。这和行频、帧频有大概的对应关系。如,像素时钟是 40M,则一秒有 40M 个像素输出,一行有 2048 个像素,则行频就是 40M/2048=20K。对于面阵来说,道理是一样的,但面阵很少提及像素时钟这个概念。

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(四)

你需要CCD相机还是CMOS相机?


按感光芯片的结构分,可以分为 CCD 和 CMOS 两种。具体的又有很多种,这里我们列举几种比较常见的:

·全帧 CCD

·帧转移 CCD

·逐行扫描行间转移 CCD

·隔行扫描行间转移 CCD

·3T CMOS滚动快门或卷帘快门

·4T CMOS串行全帧快门

·5T CMOS并行全帧快门

·线阵 CCD


以上结构中,在工业检测领域应用最多的是逐行扫描行间转移 CCD、隔行扫描行间转移CCD、3T CMOS 滚动快门或卷帘快门和 4T CMOS 串行全帧快门。


一、选型原则

拍摄的物体是否运动,如果拍摄的物体是运动的,则不能选用卷帘快门的CMOS 相机和隔行扫描行间转移CCD,可以选用全帧快门CMOS 相机,或者是行间转移 CCD。一般,只能拍静止物体的相机价格相对低一些,而且,由于结构简单,性能会比较不错,所以,在只需要拍摄静止物体的场合,选择卷帘快门的 CMOS 相机会是不错的选择。


二、CCD与CMOS区别

CCD 和 CMOS 是两种不同的成像芯片结构,很难说哪种更好一些。常见的芯片中,由于 CMOS 的集成度比较高,功耗小,适合在手机、QQ 摄像头中使用,所以,CMOS 目前的发展方向是像素尺寸比较小、低成本,高性价比。这也使大家有一个感觉,就是 CMOS的价格和性能都比较低,其实这是不准确的,CCD 也有低端和高端的,CMOS 也是一样,所以,很难说 CMOS 就是比 CCD 差。这只是两种不同的工艺。

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(五)

你需要如何设置相机最短的曝光时间?


如果您需要抓拍运动物体,是不是选用适合抓拍运动物体的相机,如转移型 CCD,或全帧快门 CMOS 相机就可以了呢?答案是否定的,您还需要设置合适的曝光时间,因为相机在抓拍运动的物体时会由于积分效应不可避免的会产生不同程度运动模糊。


一、应用案例说明

要想拍到清晰的高速运动物体,准则就是,在曝光时间△T内,物体成的像在感光面上移动的距离不超过一个像素。例如:对 10mm 的物体,要求分辨精度到 10um,那么需要 1000像素的分辨率,即每一个像素对应物体的物空间长度是 100um,依据准则,曝光时间△T 内物体运动的距离应该不超过 100um,假设物体运动的物体为 V=5m/s,那么有:

V×Texp < 100um;

Texp < 20us ;

一个简单的计算曝光时间的公式是:

Texp < 视野宽度/(图像宽度×物体该方向移动速度)

或 Texp < 视野高度/(图像高度×物体该方向移动速度)


不过,曝光时间太短,如果相机的灵敏度不是很高,图象就会太暗。不过在工业检测场但是,有些场合,比如,交通上的高速道路抓拍,因为无法加光源,而车的运动速度又比较快,所以,这时就需要对相机的灵敏度提出很高的要求了。


(资料来源:机械工程师)

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