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第一章:工业相机应用之选型相机和选型镜头
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前言
一、相机选型
1、相机 sensor 参数解析
(1)传感器类型:
(2)靶面尺寸:
(3)快门类型:
2、数据传输所需带宽解析
(1)不同的传输介质及传输方式
(2)数据传输计算
二、不同应用场景下相机的选型
1、面阵相机的使用
2、线阵相机的使用
三、镜头像面
四、镜头焦距
总结
前言
随着工业自动化的快速发展,机器视觉方案在各个行业内的数据采集、检测、识别、定位等得到了越来越多的应用,而选型合适的镜头和合适的工业相机决定了成像的质量,但是在市场上种类繁多的工业相机和镜头中,如何合理选择工业相机和镜头并合理搭配,实现最优的视觉搭配,这就成为了至关重要的一步。接下来的文章将从相机选型以及镜头选型对视觉的合理搭配进行介绍!
一、相机选型
1、相机 sensor 参数解析
(1)传感器类型:
在工业相机中芯片类型主要有 CMOS 和 CCD 这两种;CMOS 类型芯片中,光能转换为电信号的电子元件直接集成在芯片表面,因而电子元件能够快速地读取成像数据,现在市面上一些相机主要使用 CMOS 类型的芯片,主要是 CMOS 类型芯片功耗低,速度快等原因,逐步的替代了 CCD 类型的芯片;
(2)靶面尺寸:
在工业相机中,相机 sensor 感光区的尺寸可以用靶面尺寸进行描述,靶面尺寸一般是以面阵相机的对角线长度为计量单位,且是以英寸为单位的,比如之前使用的海康机器人的 MV-CH120-10UC 相机,靶面尺寸在官方文档中是1.1英寸,也就是该相机的 sensor 对角线长度是 1.1 英寸,换算成毫米级别等于17.6 mm(1英寸 = 16mm)
(3)快门类型:
快门类型主要包括两种:Global 型和 Rolling 型;
Global 类型:即全局快门,每一行同时开始曝光,同时结束曝光,曝光完成后,数据开始逐行读出,相机传感器接受曝光、数据读出的时间长度一致,但结束数据读出的时间不一致;
Rolling 类型:第一行曝光结束后,立即开始读出数据,数据完全读出后,下一行开始读出数据,每一行与上一行开始曝光的时间差为数据读出时间,如此循环。相机 sensor 接受曝光、数据读出的时间长度一致,但开始接受曝光的时间不一致;
2、数据传输所需带宽解析
(1)不同的传输介质及传输方式
在工业相机的使用中,最常见的传输方式有以下几种:千兆网络传输、USB 传输、cameralink 传输、CoaXPress 传输等
千兆网络传输:
USB 传输:
cameralink 传输:是专门针对机器视觉领域的串行通信协议,使用低压差分信号LVDS传输。它是在ChannelLink标准的基础上多增加了6对差分信号线,其中4对用于并行传输相机控制信号,其它2对用于相机和采集卡(或其他图像接收设备)之间的串行通信。
CoaXPress 传输:是一种为视频传输和图像传输建立的非对称的高速点对点串行通信标准,可扩展单个或多个同轴电缆。它拥有一个高速下行可达每6.25Gbps视频、图像、数据通道,和一个上行20Mbps通信、控制通道;
(2)数据传输计算
数据传输在工业现场的正常使用具有举足轻重的地位,因为如果出现因为数据传输导致问题或者数据传输受限,就会导致工业现场的整体效率的降低,故而才有以上的几种专门用于数据传输的传输方式,接下来将以海康机器人 MV-CA050-10GM 相机的满帧图像数据的传输为例,说明为什么该款相机必须使用千兆网环境,而不能在百兆网下使用;
相机:MV-CA050-10GM
最高帧率:24.1帧/秒
需要传输环境:千兆网环境
测试使用像素格式:mono8
根据海康机器人相机参数中可知,mono8 的像素位深 8Bits/Pixel,即一个像素点是 8Bits ;
根据以下公式计算:数据所占带宽 = 分辨率宽 * 分辨率高 * 每像素点位深 * 最高帧率
可以得到 MV-CA050-10GM 在正常运行时数据所占带宽的大小为:2448 * 2048 * 8 * 24.1 = 966603571.2Bit = 943948.8 kB = 921.825 MB
可以从计算中得到,在该相机满帧率情况下,仅图像数据传输,就有921.825MB 的大小,所以为了保证该相机能在现场正常使用,就必须要保证现场的数据传输速度是千兆网络;
其他型号网口相机可以参考上例进行计算;
二、不同应用场景下相机的选型
1、面阵相机的使用
面阵相机顾名思义获取图像数据的 sensor 感光区是一个二维平面;
鉴于该问题经常在实际选型阶段才会用到,故而此处以案例来介绍面阵相机的选型:
已知条件:
(1)待检测物体大小:15mmX9mm
(2)检测精度:0.01mm
(3)能够检测的视野范围:20mmX18mm
计算所需相机分辨率:
(1)相机的最小分辨率:(公式:(视野范围宽 / 检测精度)X (视野范围高 / 检测精度) = 相机分辨率宽 X 相机分辨率高 = 分辨率 )
(20mm / 0.01mm) X (18mm / 0.01mm) = 2000 X 1800 = 360万像素
由以上计算可知所需相机的分辨率至少为 360万像素;
(2)为了后续算法检测中减小因为图像中像素偏移等因素带来的误差,提高识别以及系统的准确率和稳定性,实际使用中一般用 2~3 个像素对应一个最小的缺陷或者特征;
可以得到相机的分辨率范围:360 X 2 < 分辨率 < 360 X 3 ====> 分辨率可选范围是720万像素到1080万像素即可
对应可以选择海康机器人的相机:MV_CE100_30GM/C 或者 MV_CH089_10GM/C 或者 MV_CH_089_10UM/C
参考一节提到的数据传输以及帧率需求,可以在以上几种相机中选择需要的相机型号
2、线阵相机的使用
线阵相机顾名思义获取图像数据的 sensor 感光区是一个一维平面,即一条线;(由于本人使用的是海康相机,本次示例以海康为例)
以线阵相机为例进行选型;
已知条件:
(1)待检测物体大小:宽度 200mm
(2)检测精度:0.1mm
(3)能够检测的视野范围:252mm
计算所需相机分辨率:
(1)相机的最小分辨率:(公式:(视野范围宽 / 检测精度) = 相机横向分辨率 )
252 / 0.1mm= 2500
由以上计算可知所需相机横向分辨率至少为2500像素;
(2)为了后续算法检测中减小因为图像中像素偏移等因素带来的误差,提高识别以及系统的准确率和稳定性,实际使用中一般用 1~2个像素对应一个最小的缺陷或者特征;
可以得到相机的分辨率范围:2500X1 < 分辨率 < 2500X 2====> 横向分辨率可选范围是2500~5000以内的相机即可;
考虑到市面线阵相机型号,对应选择海康机器人的4K(横向分辨率4096)相机:MV-CL042-90GM/C
参考一节提到的数据传输以及帧率需求,可以选择以上型号相机,如果如要更高行频(线阵专用术语)以及帧率,可以选择cameralink接口相机(MV-CL042-91CM/C)
三、镜头像面
为了在使用中保证画面整体的可应用性,选用镜头的像面尺寸应该大于相机芯片的对角线尺寸(简称靶面尺寸)否则会出现边缘暗角/黑角等问题,影响实际使用;
如上图1所示:镜头像面(11mm)> 相机靶面尺寸(5mm)画面正常,但是浪费成像面;
如上图2所示:镜头像面(11mm)= 相机靶面尺寸(11mm)画面正常,没有浪费成像面;如果出现偏心现象,就会有暗角问题;
如上图3所示:镜头像面(9mm)< 相机靶面尺寸(11mm)画面边缘存在暗角;
线阵相机在镜头像面小于相机横向分辨率尺寸时,就会出现边缘黑色的纵向带状成像;
四、镜头焦距
在工业现场使用中,我们需要知道被拍摄物的大小和我们可以拍摄的视野范围,进而得到物像关系,此处需要光学放大倍率来表示此处的计算;
已知场景:
视野范围: 12mm X 9mm
镜头前端到被拍摄物距离(物距):60mm
已经选用的相机:海康320W像素相机(MV-CA032-10GM/C)(分辨率2048*1536 , 像元尺寸3.45um)
计算所需镜头:
1、sensor 长宽尺寸计算:
sensor 长度 = 2048 * 3.45 / 1000 = 7.0656 mm
sensor 宽度 = 1536 * 3.45 / 1000 = 5.2992 mm
2、计算光学放大倍率
光学放大倍率 = sensor长度 / 视野长度 = 7.0656 / 12 = 0.5888
3、计算焦距
焦距 = 物距 * 光学放大倍率 = 60 * 0.5888 = 35.328 mm
4、计算单像素精度
单像素精度 = 视野长度 / sensor 宽方向有效像素个数 = 12 / 2048 = 0.059mm
通过以上过程可以计算获得选用镜头为 35 mm 镜头,搭配 320W 相机,单像素精度能达到 5.9um;如果 35mm 的镜头无法满足 60 mm 的近工作距离,可以使用接圈解决。
总结
经过以上文章的过程,可以对工业相机和镜头进行基本选型,能够根据需要现场的场景对所需要的相机以及镜头等先选择,再借用测试;
本人使用的工业相机都是海康的相机,海康工业相机性能以及工业相机的种类比较齐全,并且售后的支持很到位,给值得推荐哦!
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