機(jī)器視覺應(yīng)用的攝像頭設(shè)計

摘要：本文將探討機(jī)器視覺應(yīng)用的 CMOS 圖像感應(yīng)器技術(shù)及架構(gòu)要求。此外，還將詳細(xì)分析機(jī)器視覺的基本組件，攝像頭為滿足應(yīng)用需求需要哪些條件，以及如何設(shè)計出可滿足各種機(jī)器視覺應(yīng)用需求、同時又能在圖像質(zhì)量與成本之間獲得平衡的攝像頭。

總體上說，機(jī)器視覺就是讓電子光學(xué)系統(tǒng)（攝像頭）連接至如計算機(jī)等處理單元，以進(jìn)行圖像處理并對相關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)控制。換言之，機(jī)器視覺系統(tǒng)就是指能夠看到目標(biāo)對象的系統(tǒng)或計算機(jī)。受計算機(jī)控制的系統(tǒng)可包括生產(chǎn)單元、產(chǎn)品質(zhì)量控制以及抓放設(shè)備等。

機(jī)器視覺要求什么？

機(jī)器視覺系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括圖像感應(yīng)器與透鏡系統(tǒng)，這通常整體稱作攝像系統(tǒng)，可需要通過火線、USB或以太網(wǎng)等電氣接口連接到計算機(jī)，而計算機(jī)則連接至控制設(shè)備。

a) 攝像頭

b) 計算機(jī)（主機(jī)）

c) 幀接收器

d) 應(yīng)用軟件

機(jī)器視覺應(yīng)用需要結(jié)合軟、硬件才能確保成功工作。選擇適當(dāng)?shù)挠布倘恢匾曈X檢查軟件則形成了所有機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心。通常由像素時鐘驅(qū)動的感應(yīng)器將由用戶通過SPI 或 I2C 接口設(shè)置寄存器來配置分辨率、工作速度、增益控制、曝光時間以及集成時間。感應(yīng)器可輸出幀同步和線路同步脈沖以及待處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。感應(yīng)器的電氣接口為CMOS，可支持高達(dá) 200 MHz 的頻率。如果速度更高，則需要 LVDS 接口來實現(xiàn)信號完整性。

機(jī)器視覺攝像頭的典型系統(tǒng)架構(gòu)為：

1 離線處理功能的攝像頭

在機(jī)器視覺系統(tǒng)的上述配置中，包含獨立的攝像頭，它采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的電氣接口，如火線、USB 或千兆以太網(wǎng)等。可單獨對攝像頭供電，并可通過電氣接口將原始數(shù)據(jù)傳送至主機(jī)。視頻傳輸既可以是連續(xù)幀，也可以是單幀數(shù)據(jù)，具體取決于應(yīng)用的需要。單幀捕獲與視頻傳輸被稱作觸發(fā)模式，需要外部系統(tǒng)通常以 CMOS 級向攝像頭系統(tǒng)發(fā)送電子脈沖。攝像頭邏輯將啟動一個幀集成，并通過電氣接口將掃描的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)。在某些情況下，原始數(shù)據(jù)通過總線與同步信號、時鐘和數(shù)據(jù)一起發(fā)送給幀接收器等終端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。幀接收器在存儲器中存儲數(shù)據(jù)，隨后可由主機(jī)應(yīng)用軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行存取以處理和控制。

攝像頭連接到主機(jī)的電氣接口包括：

1 火線 IEEE 1394 接口

2 USB 接口

3 自動化圖像協(xié)會定義的千兆以太網(wǎng)視覺接口 (GigE Vision interface)

4 合成模擬視頻接口

5 LVDS

離線處理的一大優(yōu)勢在于，單靠一個主機(jī)就能滿足攝像頭操控與系統(tǒng)控制兩者之需。不過，由于視頻數(shù)據(jù)從攝像頭每幀傳輸存在一定的延遲，因此這種處理方式不適用于實時處理的應(yīng)用，比如器件生產(chǎn)過程中傳送帶上的產(chǎn)品檢查。

2 在線處理功能的攝像頭

近期，DSP 處理器發(fā)展非常快，已經(jīng)具備實時執(zhí)行復(fù)雜算法的計算功能，因此也使得攝像頭的在線處理成為可能。此類攝像頭包括感應(yīng)器與 DSP 處理器，二者可通過非粘接邏輯、也可通過某種粘接邏輯連接。DMA 將感應(yīng)器掃描的視頻直接發(fā)送至 DSP 存儲器，并進(jìn)行逐幀處理。控制函數(shù)的最終結(jié)果由處理器在被控制的系統(tǒng)中直接啟動，或在主機(jī)上作為命令啟動。

在攝像頭中進(jìn)行視頻處理的優(yōu)勢在于，數(shù)據(jù)處理可實時進(jìn)行，而且在火線、USB 或千兆以太網(wǎng)接口上沒有分組處理的負(fù)擔(dān)。我們可采用字節(jié)優(yōu)化型匯編代碼，在時鐘頻率超過 300 MHz 的 DSP 處理器上加快實時處理速度。

圖像算法的實時處理對檢查應(yīng)用至關(guān)重要，例如，能夠檢查出傳送帶上移動過快的的器件。一個幀圖像的計算完成并采取相應(yīng)行動后，才可以繼續(xù)向系統(tǒng)傳輸下一個圖像幀。

至關(guān)重要的規(guī)范：

對于機(jī)器視覺系統(tǒng)來說，圖像質(zhì)量是直接影響最終圖像處理結(jié)果的關(guān)鍵因素。特別是在自然光照條件下，圖像質(zhì)量隨著光源條件的變化會有明顯的不同。對諸如“增益”和“曝光時間”等攝像頭設(shè)置作出相應(yīng)調(diào)解可對不穩(wěn)定的環(huán)境光情況作出補償，從而提高圖像質(zhì)量。

根據(jù)最終應(yīng)用的情況和感應(yīng)器與掃描對象的距離，光源可由單獨的設(shè)備提供，也可以是攝像頭透鏡周邊的一部分。如果光源在攝像頭周邊，那么攝像頭可與光源一起移動。常用的光源包括鹵素?zé)襞荨晒鉄襞菀约鞍l(fā)光二極管 (LED) 等。

影響圖像質(zhì)量的因素包括：

1 光照強度

2 光照方向

3 目標(biāo)距離

4 焦距

5 采樣率

6 曝光時間和增益

7 暗漏電流

8 分辨率（像素數(shù)量）

透鏡的選擇與要求：

高質(zhì)量透鏡與感應(yīng)器質(zhì)量同等重要。攝像頭是一種電子光學(xué)系統(tǒng)，需要光學(xué)元件和電子元件協(xié)作生成圖像。圖像模糊問題通常是由透鏡選擇不當(dāng)造成的。最佳透鏡尺寸和形狀取決于焦距，不過對較小的對象距離來說，一般使用C 座透鏡。如果攝像頭需要在高反射環(huán)境條件下工作，那么最好選用抗反射膜透鏡。整體攝像頭的視野覆蓋面取決于所需視野的區(qū)域、工作距離和透鏡。

透鏡設(shè)計／選擇的另一關(guān)鍵參數(shù)就是最終對象分辨率（單位為毫米或密耳，即千分之一英寸）。

如果攝像頭用于測量生產(chǎn)環(huán)境下的對象尺寸，需考慮以下幾個重要參數(shù)：

1 視野

2 感應(yīng)器分辨率（像素數(shù)量）

3 圖像質(zhì)量

4 視覺工具精確度

例如，如果采用 IBIS5-1300 感應(yīng)器（130 萬像素，分辨率為1280(h) X 1024 (v)），工具的精確度為十分之一像素，那么 5 英寸寬、4 英寸高的對象在6英寸 FOV 水平方向上精確度可達(dá)到 0.0004 英寸。

分辨率：根據(jù)視野和最終掃描對象的圖像粒度，一般使用 VGA 到百萬像素陣列標(biāo)準(zhǔn)。

靈敏度：單色或彩色：大多數(shù)檢查應(yīng)用可采用單色感應(yīng)器生成灰度級。典型的應(yīng)用包括條形碼閱讀器、指紋掃描儀、制造設(shè)備的尺寸測量等。

如果質(zhì)量和生產(chǎn)控制中需要掌握對象的色彩信息，則使用彩色感應(yīng)器，如辣椒或蘋果的分級和分類等。感應(yīng)器的24位彩色數(shù)據(jù)可捕獲 1740 萬種不同的色彩。

感應(yīng)器的參數(shù)和選擇：

就機(jī)器視覺應(yīng)用而言，感應(yīng)器和攝像頭需要支持多種不同的分辨率和幀速率。如果感應(yīng)器支持可編程特性，那么就能針對各種機(jī)器視覺應(yīng)用增加更多通用攝像頭設(shè)計。通常支持的特性包括：

* 窗口和分辨率選擇

* 用戶可對高幀速率進(jìn)行編程

* 標(biāo)準(zhǔn)電氣 CMOS 接口

* 低感應(yīng)器暗漏電流

* 寬動態(tài)范圍

必須在工業(yè)操作環(huán)境內(nèi)確保可靠性和感應(yīng)器性能。設(shè)備應(yīng)當(dāng)是工業(yè)級的，通常在 0 至 80 攝氏度之間操作。

應(yīng)用：

* 引導(dǎo)：采用機(jī)器人抓放技術(shù)的設(shè)備系統(tǒng)

* 檢查：紋理、表面、商標(biāo)、組裝

* 測量：產(chǎn)品部件的物理尺寸、組裝部件尺寸

* 識別：抓放設(shè)備、機(jī)器人技術(shù)、讀取字符、讀取代碼

賽普拉斯半導(dǎo)體為圖像感應(yīng)器提供了高幀速率和用戶可選的參數(shù)，同時能在工業(yè)溫度范圍內(nèi)正常工作，因此可理想地用于機(jī)器視覺攝像頭設(shè)計。就 IBIS 和 LUPA 系列感應(yīng)器而言，幀速率在每秒 30 F至 500 F之內(nèi)。