机器视觉-相机镜头光源介绍及选型-12.系统选型

系统选型
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1.选型步骤：

选择相机
    采集卡
    选择镜头
    光源    #二者结合选择

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1.1.面阵相机选型

1).彩色还是黑白
    2).确定X、Y单方向的精度要求,获得所需要的分辨率
    3).根据物体位置变化速度,推算所需要的帧速
    4).在合适的相机中选择数据输出方式
    5).对光照条件有否要求
    6).对相机的控制是否有要求

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1.2.线阵相机选型
    1).彩色还是黑白
    2).确定水平向的精度要求,获得所需要的分辨率
    3).根据物体运动速度,推算所需要的行扫描速度
    4).根据现场条件决定相机要工作在何种方式下
    5).数据输出方式通常可选不多
    6).对光照条件有否要求
    7).对相机的控制是否有要求

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2.选择采集卡PCI、PCI-E插槽
# 采集卡选择并不是绝对必要,有采集卡系统,功能强大

1).根据相机数据输出格式及像素时钟频率,选择相应采集卡
    2).根据相机数决定是否采用多路采集卡
    3).根据数据处理速度,决定是否采用带处理卡
    4).根据具体应用决定是否需要显示、压缩等功能
    5).根据现场环境,决定采集卡总线形式,及支持系统环境

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3.镜头选择

# 由于焦距和像距近似相等,且一般镜头可微调焦距,简化计算:焦距=像距
# 变焦距同时也会改变光学放大倍率;固定焦距镜头加接圈,可增大放大倍率

物体长/物距 = CCD芯片长/像距
f=h(sensor宽)*D(物距)/H(物高)

UP900 f=6.2mm*20cm/15cm=8.2>8mm

# 线阵相机选择镜头
f=a*np/(Lx+np);

物距：a=2000mm,视野Lx=7500mm；np是sensor长
f=2000*2048*14*0.001/(7500+2048*14*0.001)=7.616mm #Atmel 2048 pixel:
f=2000*4096*14*0.001/(7500+4096*14*0.001)= 15.233mm#Atmel 4096 pixel:
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4.光源选择
    # LED条型光:线阵系统照明,增加亮度可使用聚光型。
    # LED点光:和放大镜筒配合使用,折射出同轴落射光
    # 高频或直流灯管:避免低频交流引起的图像闪烁

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5.面阵相机选型
实例1.1：
已知：纽扣旋转检测：视野=24mm*24mm（实际检测物体22mm*22mm），精度0.099585mm/pixel

计算：
 1).单向分辨率=24/0.099585*4=964 （短边对应的像素数：相机长边和短边的像素数都要大于964）
 2).相机分辨率=964*964=93万,选130万像素相机 3).像元尺寸=产品短边尺寸/相机短边像素数=22/964=0.02282mm 4).放大倍率=相机芯片短边尺寸/相机短边的视野范围=3.6/24=0.15 5).可分辨产品精度=像元尺寸/放大倍率(判断是否小于C)=?
 6).物镜焦距=工作距离/(1+1/放大倍率) =150/1.15=130.43mm
 7).像面分辨率>1/(2*0.1*放大倍率) = 1(2*0.1*0.15)= 33.33 lp/mm

 # 畸变、景深、环境等,可根据实际要求进行选择

相机参数：
 Vendor品牌: Point Grey Research灰点
 Model型号: Blackfly BFLY-U3-13S2M
 Sensor传感器: Sony ICX445 (1/3" Mono CCD)
 Resolution分辨率: 1288x964
 Interface接口: USB 3.0

传感器结构：       面阵相机
    扫描方式：           逐行扫描相
    输出色彩：           彩色Mono
    输出信号速度：   高速相机

Bus Speed传输速率: S5000 5 Gbit/s
响应频率范围：可见光/普通相机

像元尺寸：    3.75μm
    光学接口：           CS
    帧率:                  50fps
    shutter快门: 2.745ms
    Gain:             -3.342dB

CCD靶面规格尺寸：单位mm（1 inch = 16mm ≠25.4mm）
       规格： 1/4" 1/3" 1/2" 2/3" 1"
    w'宽度： 3.6 3.2   4.8   6.4   8.8   12.8
    h'高度：   2.7 2.4 3.6   4.8   6.6   9.6
    d 斜边： 4.5    6     8     11    15.9

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实例1.2：针对速度和曝光时间的影响,产品是否有拖影
已知：每一次检测范围80mm*60mm, 200万像素CCD相机(1600*1200)，相机或产品运动速度为12m/min = 200mm/s

曝光时间计算：
# 曝光时间 < 长边视野范围/(长边像素值*产品运动速度)
曝光时间 < 80mm/(1600*250mm/s)= 0.00025s = 1/4000 s#故曝光时间小于1/4000 s 图像才不会产生拖影

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实例1.3：机械零件检测
系统概述：对流水线上零件进行逐一检测；判别零件的尺寸打孔位置等是否合乎要求；表面是否有严重缺陷。

1).选择相机
    (1).由于零件之间间隔不能确定,用线阵的话,会有很多图像是没有用的。而且零件的运行速度不快,无须高速扫描。
         所以选用面阵相机。这样也避免了对运动系统的过高要求。

    (2).判断系统不需要彩色信息选用黑白相机

(3).判断零件的检测精度。
        零件单方向最大尺寸是6cm ,误差精度要求在0.1mm ,推算相机单方向有效像素至少需要60/0.1=600
        考虑到1个像素表达0.1mm的精度不严格,所以基本需要选用1024*1024有效像素的相机。
        条件允许话,最好用2个或4个pixel 来表达一个精度(0.1mm)

(4).根据零件检测速度要求,计算需要帧速。通常面阵相机对于个体检测,是采用抓拍的方式。
所以需要考虑在每个零件到达拍摄区之前,设置传感器,预先向相机发出信号。这种抓拍要求定位准确。
假设检测速度要求是每秒15个零件,那么考虑到零件间的空隙,相机的帧速最好为25帧以上。

(5).按要求在UNIQ的相机家族中寻找,UP930就是一个不错的选择。对相机数据输出方式都是数字输出差别不大。
假设我们选择UP930CL

(6).CCD面阵相机的芯片感光通常不错,而且检测零件还需要光源,所以,不需要对相机的灵敏度有太多要求。

(7).相机需要实时抓拍,所以需要异步复位功能。

2).相机选定之后,我们可以选择相应的采集卡
    相机型号：
    品名         分辨率         帧率芯片尺寸  像素尺寸  色彩像素时钟   接口
    UP-930CL 1024 x 1024 30 fps 1/2" CCD  4.65 × 4.65 黑白 45MHz        LVDS and Camera Link

相机数据输出格式CameraLink,选择Matrox Meteor2/ CameraLink或 Solios XCL Odyssey XCL 相机1个以上三块卡都可以
    如果零件的检测工作量不是很大,不需要处理卡,排除Odyssey XCL
    不需要显示、压缩等功能
    如果使用的机器支持PCI-X,推荐Solios XCL

3).选择镜头：
    CCD芯片:      边长按照 8mm计算
    被测零件长: 6cm ,考虑到留一些边界空白,视野按照8cm计算
    物距:             10cm

算出：镜头焦距f=WD*h'/h=100*8/80=10mm #要在10mm以上;选用8mm镜头

4).光源选择：
零件需要突出轮廓,而且零件的面积比较大,所以可以试用低角度环型光

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6.线阵相机选型

实例2.1：大米质量分捡
概述：
原系统用红外光判断、剔除大米中杂质。运动部分可保证米排列规则,呈单一方向匀速运动,只能进行0/1判断,识别率不高。
新的系统希望是以CCD相机为核心的硬件体系,需要对米的形状、霉变程度进行分档次的判别。

1).选择相机

(1).如用面阵相机,对每粒米都拍图效率低,触发位置难掌握。因此选用线阵扫描方式;选用黑白相机
(2).根据生产线皮带宽,及米形状判断精度,确定CCD的有效像素
皮带宽600mm 精度0.1mm ,考虑边缘像素损失,需要的有效像素为(600+200)/0.1=8000 个
(3).考虑使用相机个数: 1个8K相机2个4K的相机或4个2K的相机。
在选择相机个数的时候,需要综合考虑：镜头畸变、扫描频率、后续处理、图像亮度以及成本。

相同工作距离下,镜头所覆盖的面积越宽,边缘畸变性就越大
    为使图像与原物成比例,不管选用几个相机,每个相机行频不可改变；而通常分辨率大相机,行频会低
    多个相机,需要图像拼接,甚至需要考虑需要用两个以上工控机。
    像素多的相机,像元尺寸一般会比较小,再加上高行频,需要强的照明

假设我们选定2个4K相机

(4).根据原比例,选择相机工作的行频率。
原生产线拍摄宽度800mm 运行速度假设1m/s 也即 1000mm/s ;
那么相机需要在1秒时间内扫描10000行才能保证图像和原物成比例。由此,行频选择10KHz

(5).对于线阵相机,在一般的应用中,图像暗是普遍的问题。所以像素尺寸在条件允许下,应尽量大。

(6).数据输出,通常只有Camera Link 和 LVDS 两种。由于成本差不多,
且Camera Link 是发展趋势,所以推荐用Camera Link 相机。

比如我们选择：Basler L402K 或 Atmel Aviiva M2 CL 4010

2).采集卡的选择和上个例子相同,只是需要考虑数据处理的速度,需要怎样的硬件支持。

3).F口镜头,通常需要实际操作一下。

4).光源
可用条型LED 或是高频灯管。通常LED照射均匀,但亮度不高,成本高。

假设大米分布很不规则、滑行速度混乱、重叠现象,那么拍出图像必然无法满足软件的要求。

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实例2.1：线阵相机选型
已知：幅宽为1600毫米、精度1mm/pixel、运动速度22000mm/s、物距1300mm

1).根据检测精度和速度,确定线阵CCD相机分辨率和行扫描速度 (1).分辩率or像素数=幅宽/检测精度=1600mm/1=1600pixel像素 #每行需要像素--最少2000像素,选定为2k相机 (2).实际精度=幅宽/实际像素=1600mm/2048pixel＝0.8mm/pixel (3).行扫描速度or扫描行频=运动速度/实际检测精度=每秒运动速度长度/精度
 =22000mm/0.8mm＝27.5KHz#每秒扫描行数--应选定相机为2048像素28kHz相机,像元尺寸10um
 (4).光学放大倍率(β,Magnification)　 sensor长度=像素宽度×像素数=0.01mm×2048=20.48mm
 镜头焦距= sensor长度×物距/幅宽=20.48×1300/1600＝16mm

 (5).光学放大倍率(β,Magnification)　　
 # 确定了相机分辨率和像素大小,就可以计算出芯片尺寸(Sensor size)； 光学放大倍率：β=CCD/FOV=芯片尺寸(Sensor size)/视野范围(FOV)

 选用一个VT-FAGL2015线阵相机或两个103k-1k线阵相机拼接

线阵相机参数
    分辨率：1K,2K,4K,6K,7K,8K,12K
    象素大小：5um,7um,10um,14um
    芯片大小：从10.240mm(1Kx10um) 到86.016mm(12Kx7um)

# 显然Ｃ接口远不能满足要求,最大只能接22mm芯片,1.3inch。
    # 相机接口为Ｆ,Ｍ42X1,M72X0.75等,不同镜头接口对应不同后背焦(Flange distance)，也就决定了镜头的工作距离不一样。
　　
2).选择采集卡，PCI插槽
3).选线镜头接口
    接口(Mount)：主要有C、M42x1 、F、T2、Leica、M72x0.75等,确定后就知道对应接口长度            　　
    后背焦(Flange Distance):后背焦指相机接口平面到芯片的距离,由厂家确定　　

    有了光学放大倍率、接口、后背焦,就能计算出工作距离和节圈长度。
    高端镜头来说就必须用MTF来衡量光学品质。
    MTF涵盖对比度、分辨率、空间频率、色差等相当丰富的信息,并且非常详细地表达了镜头中心和边缘各处的光学质量。
    不仅只是工作距离、视野范围;边缘对比度不够好,也要重新考虑是否选择更高分辨率的镜头。　　

4).线扫描光源选型　　
（1）光源类型：
    卤素灯:
        也叫光纤光源冷光源,特点亮度特别高,缺点寿命短1000-2000小时
        适用于对环境温度比较敏感场合,如二次元量测仪的照明。
        用于线扫描的卤素灯,常在出光口加上玻璃聚光镜头,进一步聚焦提高光源亮度。
        对于较长的线光源,还用几组卤素光源同时为一根光纤提供照明。
    　　
    高频荧光灯:
        原理和日光灯类似,适合大面积照明,亮度高,成本低,缺点有闪烁、衰减速度快。
        荧光灯一定需高频电源,也就是光源闪烁的频率远高于相机采集图象频率(线扫描是行扫描频率)，
        消除图像的闪烁。专用的高频电源可做到60KHz。　
        　
    LED光源:是目前主流的机器视觉光源。特点寿命长,稳定性好,功耗小。　　
　　
（2）线扫描相机、光源与被测物体之间的角度分析　　
    玻璃检测需检测表面,内部缺陷：脏点、结石、杂质、气泡、刮伤,裂纹,破损等
    不同缺陷的灰度不一样,有黑,白,灰,在不同光源照射角度或相机接受角度,缺陷对比度会变化

测试：　　　
        脏点,正面光源或背光都较容易凸现；结石和杂质,需要正面接近法线的照明或背面穿透照明；　　
        气泡,形状不固定,且要分析形成的原因以及方向,采用背面照明；　　
        刮伤和破损,正面低角度照明容易凸现；裂纹,需要背面侧照　　
        而且,以上缺陷并不是独立的,而是互相影响　　

综合以上因素,最后选用背光斜射和正面照射结合,相机接近法线方向安装。
　　
5).光源、镜头的调试　　
    光源和相机有效工作区域都是一个窄条。
    保证光源照在这个最亮窄条与相机芯片要完全平行,否则只拍到相交叉一个亮点。安装调试费工
    同时由于幅宽比较宽,对线光源有两个特别的要求,就是均匀性和直线性。
    因为线光源不同位置的亮暗差异,会直接影响图象的亮度高低,这一点LED比卤素灯更好控制。
    出光部分的直线性,取决于LED发光角度的一致性、聚光透镜的直线性以及线光源外壳的直线性。
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