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机器视觉照相机技术

机器视觉照相机在视觉应用中发挥着至关重要的作用,尤其是自动化质量控制。结合机器视觉控制器和 2D 图像处理软件,可以分析高分辨率图像数据,并识别生产过程中的错误和异常。

什么是机器视觉照相机?

机器视觉照相机也称为工业摄像机,是 2D 图像处理系统的重要组成部分。其主要功能是拍摄图像,然后通过硬件和软件的组合对图像进行处理。为不同应用处理所获得的信息。

生产系统中图像处理应用的典型示例是质量控制、存在性检查、完整性检查。对此会分析在生产线上所生产零件的特定特征。如此便可以检查零件是否符合质量标准,或者是否需要在必要时将其剔除。

摄像头是图像处理系统的一个组成部分。

2D 图像处理系统的摄像头型号

行扫描照相机

行扫描照相机主要用于连续检测过程。它们特别适合在传送带上移动对象或处理无限材料的应用。与平面照相机不同,行扫描照相机不是一次扫描,而是逐行扫描照相机。为了生成完整的图像,在拍摄过程中,对象必须移动经过照相机的视野。然后软件将各行组合成一个整体画面。在这些应用中,它们比传统的 2D 摄像头快得多,因此特别适合高速应用。

它们的性能通常超过了 2D 摄像头,尤其是在连续运行的过程中。图像质量主要取决于对象的平稳移动、拍摄时间、行分辨率和曝光时间等因素。典型的应用示例包括纺织品、纸张、织物和网状结构产品的质量控制,这些产品需要完整、精确的图像采集。

平面照相机

与逐行扫描的行扫描照相机不同,平面照相机使用图像传感器一次扫描整个图像。这意味着它只需拍摄一次即可生成完整的二维图像。

平面照相机广泛应用于需要即时完整成像的任何领域,例如工业质量控制、医疗成像、监控系统以及需要高精度和快速图像处理的许多其他领域。它们特别适合固定对象,因为在此不需要摄像头和对象之间的相对运动。
其优势在于准确拍摄细节丰富的高分辨率 2D 图像。平面照相机尤其适用于需要非常高图像质量的应用。

平面照相机的区别:机器视觉照相机和 Smart Camera

机器视觉照相机

  • 通过机器视觉控制器和图像处理软件进行图像分析,或使用第三方软件作为独立解决方案

  • 可以将多个摄像头连接至单个机器视觉控制器

  • 通过机器视觉控制器的出色运算能力缩短处理时间

  • 适用于极高分辨率的检测任务

  • 摄像头结构紧凑



 

Smart Camera

  • 图像采集和评估直接在 Smart Camera 中通过图像处理软件进行

  • 通过 Profinet、TCP 等集成通信接口输出结果。

  • 可选集成照明技术

  • 无需额外的控制器


摄像头选择从图像芯片开始

什么是图像芯片?

图像芯片(也称为图像传感器)是对光线反应敏感的电子部件。入射光(光子)通过光电效应转化为电荷。在工业中,主要使用单色式传感器,因为这可减少数据流量。它们通常是互补型金属氧化物半导体,简称 CMOS 传感器。

单色照相机还是彩色照相机?什么时候使用什么产品?

实际图像

使用单色相机拍摄图像

单色相机能够区分灰度。

使用彩色相机拍摄图像

彩色相机能够区分对象的色值。 

带有全局或卷帘快门的 CMOS 传感器的功能原理

CMOS 图像传感器有两种曝光方法,用于控制图像的拍摄和读取方式。这些方法确定了曝光时间,从而确定了在摄像头传感器中转化为电子并作为值输出的光量。全局快门和卷帘快门的区别:

全局快门

整个图像区域同时曝光 
适用于静态和动态应用
对于移动对象不存在图像失真

卷帘快门

各行在时间上错开曝光
针对静态应用
物体快速移动时的图像失真(卷帘快门效应)
拍摄静止图像 

卷帘快门效应

在卷帘快门中,传感器所有像素的曝光时间都相同,但各行的曝光时间都会延迟。当物体移动速度快于曝光和读取时间时,会出现卷帘快门效应,导致图像由于曝光而失真。

左侧:全局快门,右侧:卷帘快门

在工业图像处理中,需要区分单色相机和彩色相机。单色相机可捕捉灰度,并聚焦于图像中的亮度差异。因此它们特别适用于需要精细对比度和细节的应用,例如表面检测或物体测量。

彩色相机能够将物体彼此区分开来,并与背景区分开来。像素上的红色、绿色和蓝色滤光片可捕捉高达 1670 万种颜色的色谱。由此可以识别单色相机无法区分的颜色变化的对象。

传感器的其他特性

图像传感器或图像芯片的不同之处在于传感器大小、分辨率、像素大小、帧速、光敏度和动态范围。根据分辨率的不同,在工业图像处理中使用不同结构尺寸的传感器。较大的型号通常具有更高的性能,但不太适合空间有限的紧凑型照相机系统。

随着生产工艺的不断改进,可以最大程度地减少较小图像芯片的缺点,市场趋向于尺寸越来越小的传感器。随着传感器尺寸的减小,各个像素的空间也会缩小。像素越大,吸收的光线就越多,从而相应地减少应用所需的额外光线。

因此,尤其是在快速动态过程等快曝光时间的工业应用中,像素数量和像素大小之间的平衡比对于可靠的图像质量至关重要。

由于在图像处理中,曝光时间通常很短,例如在快速的动态应用中,必须特别注意像素数与像素大小的平衡。 

分辨率

传感器的分辨率表示像素数:分辨率越高,则像素大小越小,可识别的细节就越精细。由于像素大小不同,相同尺寸的传感器可能具有不同分辨率。 

帧频

帧频表示摄像机每秒拍摄的完整帧数。更高的帧频可用于在快速处理应用中拍摄大量图像。

曝光时间

曝光时间决定了照射到 CMOS 传感器上的光线量,从而影响拍摄图像的亮度。较长的曝光时间会生成更明亮的图像,但也可能会因此而导致运动模糊和图像噪点增大。较短的曝光时间可实现快速应用,并减少与之相关的运动模糊。 

为每种应用提供适当的分辨率

分辨率精度例如
1.6 MP不需要极高分辨率的应用光学字符识别、装配检查、存在性检查
5 MP需要中等细节精度的应用检查包装
12 MP需要高精度的应用精细机械部件的检测
24 MP需要极高分辨率和细节精度的应用检查印刷线路板元件是否有缺陷

2D 图像处理系统的主要组件

帮助您选择适当的物镜

使用视觉计算器为特定应用和照相机选择合适的物镜: 

机器视觉照相机的接口

工业摄像机的以太网接口可以通过网络传输图像数据。该接口通常用于工业图像处理,以将摄像机连接到机器视觉控制器或其他设备。

千兆以太网 (GigE)

千兆以太网 (GigE) 是一种以太网技术,可实现每秒高达 1 千兆 (1 Gbit/s) 的数据传输速率。与工业摄像机相关的千兆以太网的主要特点包括:
 
  • 快速传输大量图像数据

  • 由于采用标准协议,集成简便

  • 可以在一个网络中运行多个摄像机


此外,还可借助 PoE(Power over Ethernet,即以太网供电)通过电缆连接机器视觉照相机,从而通过一个唯一的接口进行供电和数据传输。


机器视觉照相机的应用范围

位置检查

机器人定位

零件测量

质量控制

检查存在性

过程监控

代码读取

适用于跨行业应用的可靠解决方案

汽车行业

  • 乘用车内门的质量检验

  • 发动机缸体的质量检验

  • 用于自动拧紧的位置识别

电气行业

  • 印刷线路板的位置检查

  • 检查部件的对准情况

  • 检查连接器和电缆

包装业

  • 检查包装是否损坏、脏污或缺少标签

  • 检查包装的标签

  • 检查 PET 瓶的最短保质期

食品加工业

  • 饮料罐的对准情况 

  • 检查包装的标签

  • 联接式盖子的检测

安装机器视觉照相机时的注意事项

为了确保图像的可靠拍摄,在调整工业摄像机时要注意以下提示。
物体平面与摄像头平行对准。
物体平面未与摄像头平行对准。这可能会产生错误,例如模糊。 
除了摄像头的最佳对准之外,照明系统的定位也很重要。要检测的物体的形状对于光线到达摄像机的方式至关重要,决定着能否产生尽量高的对比度。例如,必须注意角度和由此产生的反射。 
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