選擇合適工業(yè)相機(jī)完成機(jī)器視覺圖像采集

摘要：在一個完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像采集的意義非常大，因為通過圖像采集后，視頻信號就可以轉(zhuǎn)換為計算機(jī)使用的數(shù)字格式。為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇工業(yè)相機(jī)時需要注意幾個方面。

　　在一個完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)中，圖像采集的意義非常大，因為通過圖像采集后，視頻信號就可以轉(zhuǎn)換為計算機(jī)使用的數(shù)字格式。以下是為機(jī)器視覺系統(tǒng)選擇工業(yè)相機(jī)時需要注意的幾個方面：
　　1. 提高分辨率的優(yōu)缺點
　　雖然高分辨率工業(yè)相機(jī)有助于提高度，但是通過分析更清晰的，更精細(xì)的圖像，就會降低了速度。工業(yè)數(shù)字相機(jī)傳輸圖像數(shù)據(jù)是由一系列代表像素值的數(shù)字組成的。一個分辨率為200×100的相機(jī)具有20000個像素，因此，20000個數(shù)字值會被發(fā)送到采集系統(tǒng)。如果工業(yè)相機(jī)工作在25MHz的數(shù)據(jù)速率下，它每40納秒傳送一個值。這造成一幅整個圖像需要大約0.0008秒，相當(dāng)于1250幀/秒。而當(dāng)分辨率提高到640×480會有307200個像素，大約是上面的15倍。使用同樣的25MHz數(shù)據(jù)速率，采集整幅圖像需要0.012288秒，或相當(dāng)于81.4幀/秒。這些值都是期望值，實際的相機(jī)幀率會較低，因為我們不得不添加曝光和調(diào)整次數(shù)，但是工業(yè)相機(jī)分辨率的增加會導(dǎo)致工業(yè)相機(jī)幀率成比例的下降。雖然各種工業(yè)相機(jī)輸出配置會在不犧牲幀率的情況下提高工業(yè)相機(jī)分辨率，但是這也需要增加復(fù)雜性和更高的成本。
　　2. 速度和曝光
　　在選擇一款工業(yè)數(shù)字相機(jī)時，物體成像的速度必須充分考慮好。例如，假設(shè)在拍攝過程中，物體在曝光中沒有移動，可用相對簡單和便宜的工業(yè)相機(jī)；對于靜止或緩慢移動的物體，面陣工業(yè)相機(jī)于對靜止或移動緩慢的物體成像。因為整個面陣區(qū)域必須一次曝光，在曝光時間當(dāng)中任何的移動會導(dǎo)致圖像的模糊，但是，運動模糊可以通過減少曝光時間或使用閃光燈來控制；對于快速移動的物體，當(dāng)對運動的物體使用一個面陣工業(yè)相機(jī)時，需要考慮在曝光時間當(dāng)中處于工業(yè)相機(jī)當(dāng)中的運動對象數(shù)量，還需要考慮物體上能用一個像素表征的zui小特征，也就是對象分辨率，在采集運動物體的圖像的拇指規(guī)則就是曝光必須發(fā)生在采集物體移動量小于一個像素的時間內(nèi)。如果你采集的物體是在以1厘米/秒的速度勻速移動，而且物體分辨率已經(jīng)設(shè)置為1 pixel/mm，那么需要的zui大曝光時間是1/10每秒。因為物體移動一個距離恰好等于相機(jī)傳感器中的一個像素，當(dāng)使用zui大曝光時間時這里會有一定數(shù)量的模糊。在這種情況下，一般傾向于將曝光時間設(shè)置的比zui大值要快，比如1/20每秒，就能保持物體在移動半個像素內(nèi)成像。如果同樣的物體以1厘米/秒的速度移動，物體分辨率為1 pixel/微米，那么一秒中所需要的zui大曝光是1/10000.曝光設(shè)置的對快取決于所采用的相機(jī)，還有你是否能夠給物體足夠的光來獲得一幅好的圖像。
　　3. 幀率
　　工業(yè)相機(jī)的幀率即工業(yè)相機(jī)在一個預(yù)定周期內(nèi)發(fā)送給采集系統(tǒng)的完整幀的個數(shù)，它通常也稱作為每秒鐘的幀數(shù)。舉個例子，分辨率為640×480的一款工業(yè)相機(jī)zui大的幀率為每秒鐘50幀。因此，這個工業(yè)相機(jī)需要在一個曝光之后用20毫秒來發(fā)送一幀。一些工業(yè)相機(jī)在當(dāng)前曝光被讀取的時候不能采用后來的曝光，因此它們需要在沒有圖像時的一個固定時間間隔。而另外一些類型的相機(jī)能在讀取一幅圖像中同時采集下一個曝光。因此，在對移動物體成像時必須考慮相機(jī)的讀取時間和方法。當(dāng)沒有曝光時候還要進(jìn)一步考慮幀間時間間隔。
　　4. 頻譜響應(yīng)和靈敏度
　　所有工業(yè)數(shù)字相機(jī)都配置對光能量敏感的電子傳感器。相機(jī)對光能量敏感的光能量波長一般在400納米到1000多納米之間。除此之外，在低于400納米就進(jìn)入到紫外光譜，而其它高于1000納米就進(jìn)入到紅外光譜。這里還有對物體發(fā)出某個光的特定波長進(jìn)行成像的需求，而且按這種波長定義的工業(yè)相機(jī)特征也需要被定義。濾波器也應(yīng)用來阻擋不想要的波長的光，但是仍然需要了解工業(yè)相機(jī)對需求的波長的光如何很好的響應(yīng)。
　　5. 比特深度
　　工業(yè)數(shù)字相機(jī)生產(chǎn)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，或像素值。要成為數(shù)字的，這個數(shù)據(jù)就要有一個每個像素的位數(shù)，稱之為像素比特深度。這個深度通常從8到16比特。在單色工業(yè)相機(jī)中，比特深度定義從暗到亮的灰度級別的數(shù)量，這里0代表*暗，255（8比特深度）代表*亮。在0到255之間的值就代表灰度陰影，接近0的為暗灰度，接近255的幾乎為白。10比特數(shù)據(jù)提供1024個灰度級別，而12比特數(shù)據(jù)提供4096個灰度級別。每個應(yīng)用都應(yīng)該謹(jǐn)慎地來確定使用精細(xì)的灰度級，還是使用粗糙的灰度級。機(jī)器視覺系統(tǒng)通常使用8比特像素，使用10比特或12比特就意味著使得數(shù)據(jù)量增倍，作為傳送數(shù)據(jù)的另一種類型。這樣導(dǎo)致系統(tǒng)在速度上的降低，因為使用兩種類型的像素比特，但是并不是所有的比特都是有意義的。較高位深度還增加了系統(tǒng)集成的復(fù)雜性，因為更高比特深度需要更寬的帶寬，特別是在工業(yè)相機(jī)有多個輸出的情況下。
　　以上幾個關(guān)鍵因素決定著機(jī)器視覺系統(tǒng)的圖像采集部分，也對整個機(jī)器視覺系統(tǒng)的定位以及后面的圖像分析有著很大的影響。如果用戶想在圖像采集上做出正確的決定，同時便于其它硬件的選型與成本控制，就可以針對自己的需求，充分考慮這幾個因素。