机器视觉集成：在摄影机后面

机器视觉检测解决方案的体系结构和配置中可用的组件比以往任何时候都多。从智能传感器到智能相机到复杂的自动化应用特定的设备，机器视觉市场提供了多种选择。虽然没有一个单一的检查系统，组件，或工具，将适用于每一个应用程序，实现数码相机接口与PC（有时被称为“绳系”相机和“PC为基础的”系统）可能使一个最灵活，功能强大，高速系统提供给机器视觉集成。本文将讨论选择和使用数码相机的基本知识，并会揭示一些有用的提示在工业在线应用中的现实世界的集成问题。

 

背景

一些工程师和最终用户可能只熟悉机器视觉智能相机组件，重要的是要注意，基于PC的或拴系相机系统是绝不是一个新的架构，它实际上是原来的机器视觉系统架构，虽然早期的计算平台是一台个人电脑以外的东西，和拴相机是模拟不数字。模拟摄像机需要专用的图像采集卡，并可能难以整合。尽管如此，处理器为基础的，绳系相机系统一直是广泛的检查应用的核心选项，在过去的八至十年，一个关键技术驱动程序，帮助使这个系统架构更方便，比以往任何时候都可行的：数字机器视觉相机的发展。机器视觉中的数码相机现在大大超过了模拟的使用，随着接口的选择逐年增加。对于这篇文章的其余部分，术语相机将指向一个数码相机，是拴在一个PC型处理器（而不是一个智能相机）。

 

接口，互连和编程标准

机器视觉应用的摄像机连接到使用不同物理接口的上位机。该接口表示的硬件（电子，布线，连接器），固件和数据传输（图像和控制）协议，相机正在使用。早期的数字接口是专有的或有时是应用程序或设备特定的。然而，在本世纪初，通用标准出现在相机行业被厂商广泛采用。可能最熟悉的是视觉，摄像机连接，火线（1394码）和USB。最近的接口标准包括CoaXPress，usb3vision，Camera Link HS 10 GigE Vision。通过采用这些协议，制造商可以提供用户大多是标准化的选择相机接口的选择与一个更简单的和可预测的集成相机与PC和兼容的机器视觉软件的总体期望。

一个重要的相关标准的相机是genicam，指定为工业数字摄像机覆盖相机配置、编程接口的图像采集、数据和事件通讯和相机界面。这个有价值的标准有助于提供不同制造商提供的数码相机之间的互操作性的程度。

 

选择和实现正确的相机接口

接口选择是高度应用程序特定的，对于一个给定的应用程序可能有一个以上的可行的协议。界面选择的技术性因素包括速度（图像数据吞吐量和带宽），物理互连（连接器的使用，独立的卡或图像采集的要求，在布线可用功率）、电缆类型和最大传输长度、CPU使用率和负载，软件触发延迟和抖动的水平，I / O的支持，和软件接口的灵活性和控制功能。其他重要的，但更多的主观标准可以包括相机的形式因素和大小，产品可用性（特别是在一个所需的传感器格式，分辨率，和/或帧速率），和成本。

每个接口协议都有著名的技术能力和局限性，并在本文以外的各种来源提供详细的比较。最终，决策过程在很大程度上取决于主观上的考虑，但这应该是只有一次技术要求得到满足。

 

流行的标准接口

Camera Link，GigE Vision和火线（IEEE 1394 /同/ IIDC）是最成熟的标准，并能很好地支持。Camera Link是一个非常高速和确定性几乎没有CPU加载界面，尽管它仅提供一个短电缆的最大长度（无填料），需要一个专用的图像采集卡。相机链路是优秀的行扫描或其他应用程序，可能需要低延迟和高帧速率的外部触发。这是一个更高的成本解决方案，但很好地表示，在专用的速度和图像传递是必需的。Camera Link相机是最小的标准化方面的信号和命令结构，这会增加应用程序的复杂性，特别是如果它是必要的以编程方式操作相机操作通过直接串行通信。因此，它是非常重要的相机链接，以确保选定的相机是完全兼容的有针对性的软件包或库。

视觉相机已经成为非常受欢迎，被许多人认为是去通用的机器视觉应用组件。实施视觉一般很容易如果你认真遵循寻址和设置网络接口卡（NIC）参数的建议。很小心的任意软件如网络防火墙和杀毒工具，它可以阻止或者破坏带摄像头的吉比特因特网接口。视觉允许最长的本土的电缆，和互连是常见的因特网rs45插头，电源在布线如果网卡提供了它。GigE相机相对便宜，而且不需要图像采集卡，尽管它是强烈建议每个相机有一个单独的专用因特网连接到PC（没有开关除了最慢的应用）。

该协议的性质需要显着的处理器负载的图像采集和内存存储，因此指定一个计算设备，因此。视觉有所差软件触发延迟和抖动，但这可以通过使用一个硬件触发通过摄像头的I / O代替软件触发主要解决。视觉不会被认为是“确定性”，但对于许多应用是合理的。批评者指出，视觉，不像相机链接或火线，没有保证图像数据包传输。再次，真的，但在实践中，不是许多应用程序的问题。

火线是一个专用的机器视觉标准，但IEEE1394标准的背景下，工业和仪器仪表的数码相机的规格（IIDC）定义了相机的控制，使FireWire相机在使用基本的PC连接的机器视觉应用更合适的能力（不同于基本的USB摄像头，没有基本的规范或触发和控制不适合机器视觉）。火线接口，具有较低的带宽和速度相比，视觉，和很短的电缆的最大长度，但是也有类似的特征。火线比视觉图像采集使用较少的CPU，和协议很不规范，甚至“即插即用”。

新加coaxpress，usb3：视觉，视觉10gige CameraLink HS，

一些新兴的相机接口协议的特殊编码的熊。coaxpress和usb3视觉摄像头是可用的和似乎是扩张的基础。10 gigevision CameraLink和HS有没有widely implemented格局。《coaxpress辨别同轴电缆接口协议的图像数据传输的信号和电源。“潜在的冰通量率为大于任何其他协议，我10gige视觉和提供额外的垢多用电缆。“成本有效的cabling可能会允许一coaxpress相机的两个老的模拟摄像机replace函数使用现有的基础设施。不需要专用coaxpress一帧采集卡，但总体上可能是个选项，要求关闭编码作为娱乐设备变得可用。

USB3 Vision利用USB 3端口，将对所有新的个人电脑的速度比旧的协议实现的更快，甚至可能高于新CameraLink HS。电缆是标准的，可以有权力，但仍然受到很短的最大长度。低成本和系统的复杂性，USB3视觉可以为特定的应用程序是有用的。

 

其他实用相机集成的考虑

传感器的分辨率

在考虑任何机器视觉应用的成像源时，分辨率仍然是最重要的选择标准之一。像素的需要是由应用程序的要求，并最终，并从根本上决定了成像组件选择的范围。有可能是权衡考虑接口的选择，但这些必须采取一个后座的正确和适当的像素分辨率的实现在所需的领域的看法。

请记住，不是所有的相机都是平等的。在市场中，人们可以找到基于相同的精确传感器的数码相机，但组件和固件的其余部分可能不会在所有类似。如果必要的话，选择一个合适的传感器，但仍然知道其他功能和问题，可能会影响最终交付高品质的图像从一个易于集成的组件。

具有更高的分辨率来较小的像素大小或更大的传感器的大小或两者都。较小的像素尺寸的结果在较少的光收集能力（需要更多的照明），并增加了潜在的噪声和降低动态范围。非常小的像素也可能由于衍射分辨率损失、违反直觉的意图有更多的像素。

软件和图像采集

相机功能可以是高度灵活的，可编程的，通过参数设置。经常相机有能力做各种图像处理任务的内部，并可以提供数据以及图像信息。前面提到的细节的genicam标准通用编程接口简化设计的相机应用程序编程接口（API），使相机的控制标准，无论制造商。许多相机genicam“符合”或“兼容”。

然而，在商业实践中genicam就像“海盗的代码”是指在一个熟悉的电影是在说“代码[标准]是你所说的“准则”不是实际的规则。“许多相机制造商不完全实施genicam，或修改它，实现自己的具体产品的独特。这不是一个缺点，可能会导致一个更好的产品。最终的结果，虽然从一个集成的角度来看是，用户偶尔（或经常）可能需要手动访问相机参数，使用明确的寄存器地址或命令字符串，以操纵先进的或有时甚至基本的相机功能控制。

机器视觉软件库通常表明genicam兼容性，但即使图像采集本地命令可能并不总是正确的或想要的相机配置启动。对于某些应用程序，它可能是至关重要的，积分是非常熟悉的相机控制设置或寄存器结构，并能够在需要的操作参数，而不是只是为基本功能，但要获得最佳的性能的相机和应用程序。

所有机器视觉应用的出发点是图像的获取。在工业环境中，本次采集通常必须是事件驱动的，也就是说，一个图像必须被捕获时，要检查的一部分或功能是在相机前的位置。捕获是由外部信号“触发”的。在某些应用中，这个触发器可能由PC或处理器接收，然后发送到一个或多个相机的软件命令启动收购。如果这种架构是使用一个必须意识到软件触发延迟和抖动（非确定性）的图像采集，一个关键的重要点，如果部分是移动或检查涉及到高速度或同时成像。往往是一个更好的方法是使用相机的能力，直接触发相机使用可用的板上的I / O。这产生零延迟（除了触发信号），并允许多个相机的精确同步。

最后，一个字的检查软件。机器视觉市场的交钥匙方案基于PC的检测产品，以及图书馆必须用在一个编程环境，像VB.NET，C或C++ #。在一般情况下，这些工具提供了一个高层次的灵活性，往往比其他平台上提供更多的处理和分析选项。当然有能力有一定程度的复杂性，但这不应该是。包是非常用户友好，仍然非常强大的提供访问这里讨论的相机的类型。

机器视觉中的数码相机的一个光明的未来

 

 

技术提示

机器视觉应用的摄像机连接到使用不同物理接口的上位机。

该接口表示相机正在使用的硬件、固件和数据传输协议。

Camera Link，GigE Vision和火线（IEEE 1394 /同/ IIDC）是最成熟的标准，并能很好地支持。