机器视觉最关键的组件之一:一文搞懂工业相机

视觉技术遨游 2023-05-29
2804 字丨阅读本文需 8 分钟

中国是一个发展中国家,尤其进入21世纪以来,各行各业都处于高速发展的阶段。机器视觉技术随着电子行业进入中国,在自动化生产的大背景下,得到了广泛的应用。工业相机作为核心技术,其应用涉及到的领域众多。

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件,其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节,相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等,同时也与整个系统的运行模式直接相关。工业相机又俗称摄像机,相比于传统的民用相机而言,它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等,市面上工业相机大多是基于 CCD 或 CMOS 芯片的相机。

CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器。它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体,是典型的固体成像器件。CCD的突出特点是以电荷作为信号,而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包,而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。CCD作为一种功能器件,与真空管相比,具有无灼伤、无滞后、低电压工作、低功耗等优点。

CMOS图像传感器的开发最早出现在20世纪70年代初,90年代初期,随着超大规模集成电路 (VLSI) 制造工艺技术的发展,CMOS图像传感器得到迅速发展。CMOS图像传感器将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上,还具有局部像素的编程随机访问的优点。CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。

如何选择工业相机?

面阵相机与线阵相机的区别在于前者是以面为单位进行图像采集,可以直接获得完整的二维图像信息,后者的以“线”为单位,虽然也是二维图形,但长度较长,而宽度却只有几个像素。因此面阵相机的分辨率和扫描频率一般低于线阵相机。

由于线阵相机的感光元素呈现“线”状,采集到的图像信息也是线状,为了采集完整的图像信息,往往需要配合扫描运动。如采集匀速直线运动金属、纤维等材料的图像。线阵图像传感器以CCD为主,市场上曾经也出现过一些线阵CMOS图像传感器,但是,线阵CCD仍是主流。

工业相机一般安装在机器流水线上代替人眼来做测量和判断,通过数字图像摄取目标转换成图像信号,传送给专用的图像处理系统,图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征,进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

1.通常您首先需要知道系统精度要求和相机分辨率,可以通过公式:X方向系统精度(X方向像素值)=视野范围(X方向)/CCD芯片像素数量( X方向);Y方向系统精度(Y方向像素值)=视野范围(Y方向)/CCD 芯片像素数量( Y方向)。

2.当然理论像素值的得出,要由系统精度及亚像素方法综合考虑;接着您要知道系统速度要求与相机成像速度:系统单次运行速度=系统成像(包括传输)速度+系统检测速度,虽然系统成像(包括传输)速度可以根据相机异步触发功能、快门速度等进行理论计算,最好的方法还是通过软件进行实际测试。

3.再接着您要将相机与图像采集卡一并考虑,因为这涉及到两者的匹配:视频信号的匹配:对于黑白模拟信号相机来说有两种格式,CCIR和RS170(EIA),通常采集卡都同时支持这两种相机;分辨率的匹配:每款板卡都只支持某一分辨率范围内的相机;特殊功能的匹配:如要是用相机的特殊功能,先确定所用板卡是否支持此功能,比如,要多部相机同时拍照,这个采集卡就必须支持多通道,如果相机是逐行扫描的,那么采集卡就必须支持逐行扫描。接口的匹配:确定相机与板卡的接口是否相匹配。如CameraLink、GIGE、CoxPress、USB3.0等。

高端工业相机市场发展的瓶颈

工业视觉装备的主要利润集中于镜头、相机、图像传感器等核心零部件,目前国内工业机器视觉厂商的工业视觉装备大多选择日本、美国和欧洲的底层零部件。根据最新一期财报显示,世界工业相机及镜头龙头企业巴斯勒和KOWA净资产收益率(摊薄)均达到了30%左右,CCD图像传感器龙头柯达净资产收益率高达41%。

目前国内高分辨率、高速的高端工业相机大都还是需要国外来提供,每一领域涉及到的相关技术短板都可能是导致国产工业相机技术水平处于世界领先水平之下的原因。我国研发制造高端工业相机的瓶颈主要体现在人才、市场、产品三个大方面中。

1.人才方面:21世纪,最宝贵的就是人才,在工业相机制造这样的技术行业,人才更是最为重要的主体。目前,国内企业在高端工业相机的研发制造过程中,存在的最大的困境就在于太缺乏优秀的技术人才。只有拥有一支优秀的研发团队,才能制造出优秀的产品,才能给予强有力的技术支持,这样国内工业相机的市场才能得以发展。所以,人才是基础,只有不断引进优秀的技术人才或是加大国内人才的培养,才能有赶超世界水平的资本。

2.市场方面:有了人才,才能有市场;有了市场,才能吸引更多的人才,维持团队的发展。目前,市场尚未形成规模化是限制工业相机发展的最大瓶颈,只有市场开始系统化、规模化,才能在供需循环系统的影响下,推动工业相机市场的发展,促进高端产品的研发与推广。

3.产品方面:在产品方面的瓶颈,主要分为两个板块,一个是产品技术的问题,另一个是产品价格的问题。产品技术方面,主要瓶颈在于数据处理接口技术比较薄弱、软件开发平台的支持还做得不够等方面,要想制造出高端的工业相机,高分辨率、高帧率、高信噪比以及高灵敏度都是必需的,目前来说,这是国内最为欠缺的,也是一定要去解决的。产品价格方面,目前,国内工业相机的成本较高,使得与国际产品比较之下,在价格上失去了优势,那么下一步,如何在保障质量的前提下,降低成本就是国内生产商应该去考虑的问题了。

加快拥有核心零部件技术

根据市场调研分析,目前工业机器视觉产品2/3被电子制造、汽车制造行业所占据,其余市场份额分布于食品、包装机械、印刷等行业,并且这些行业对机器视觉产品的需求仍然在大幅增长。从行业应用来看,电子制造仍然是拉动需求的首位行业。但从未来发展前景来看,食品、包装、机械等行业自动化水平会进一步提升,对机器视觉产品的需求值得期待。与其他自动化产品相比,机器视觉产品属于专业性非常高的产品,对多数用户而言可能较为陌生,提高了应用门槛。

机器视觉行业是一个崛起的新兴行业,我国在工业转型升级的过程中,从过度依赖低廉劳动成本的粗加工和制造模式向全面自动化、高附加值和高生产率转型。中国机器视觉市场正在继北美、欧洲和日本之后,成为国际机器视觉厂商的重要目标市场。

对于竞争日益激烈的中国市场,机器视觉厂商推出产品的速度加快,产品技术发展迅猛,这必然对竞争者提出了更高的要求,以往简单的模仿复制已不再可行,自己的技术和产品特色才是厂商们需要考虑和挖掘的重点。相比于持续在集成应用端做重复性劳动,向上游核心零部件产品攻关是在日益激烈的市场竞争中取得优势的最佳选择。对于工业机器视觉系统而言,工业镜头和相机是核心零部件。拥有自主研发智能工业相机能力将是企业创新能力的重要体现。

各家企业想要在“高手如林”的机器视觉赛道名列前茅,必须要加快提高自主核心研发能力和拥有核心零部件技术,兼顾好传统和新兴应用市场,当你的技术足够独立,研发水平足够高时,那么面对任何挑战,就游刃有余了。

然而目前国内高分辨率、高速的高端工业相机大都还是需要国外来提供,每一领域涉及到的相关技术短板都可能是导致国产工业相机技术水平处于世界领先水平之下的原因。那么,究竟我国研发制造高端工业相机的主要瓶颈在哪里呢?通过了解,难点基本上可以归结到人才、市场、产品三个大方面中。

文章来源: 机器人在线iMrobotic,上海磐云科技有限公司,聚华光学,

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