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工业机器视觉系统提升图像品质
来源: 作者:Roger Allan 浏览次数:0
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对于工业领域中期待真正高效和低成本的机器视觉系统的工程师来讲,不需要再继续等待了。高性能和智能图像感应摄像头、合适的光照波长、更强的处理能力、更加智能的软件算法以及先进的通信接口链路等一系列技术进步,最终将催生出能够提高生产率水平、实现更高品质和更可靠的终端产品的系统。

先进的图像处理算法与多核处理等新兴技术的融合,再加上内存成本的不断下降,为视觉系统广泛用于更大范围的工业自动化应用领域创造了条件(请参见“Successes Mount In The Machine-Vision Market”一文)。这些技术进步推进的常见机器视觉任务包括通过/不通过产品质量评估以及精确的3D检测。

CMOS进军CCD领域

由于CMOS成像器成本的暴跌和性能水平的不断攀升,CMOS摄像机从电荷耦合设备(CCD)成像器中接手了更多的任务。最重要的是,这些不断缩小的CMOS传感器摄像头具有更高的操作灵活性。但是,由于某些工业应用仍然需要CCD传感器摄像头无与伦比的性能,因此CCD传感器摄像头并没有遭到冷落。

典型的高级CCD彩色图像传感器有Teledyne Dalsa公司开发的Genie和Boa摄像头(图1)。Genie摄像头采用高分辨率(1034×779像素)、120帧/s的索尼传感器,这种传感器可实现吉比特以太网(GigE)的数据传输能力,有效传输距离长达100米。Boa摄像头附带的软件可以实现从定位机器人处理器到完整装配验证等各类应用的可扩展解决方案。
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图1:Teledyne Dalsa公司开发的高级CCD彩色图像传感器Genie(a)和Boa(b)摄像头代表了两种最新的机器视觉彩色成像器, 可用于实现工业检查和货品监控

CMOS图像传感器一般采用40纳米工艺以及氧化铪和氧化钽等特殊材料,基于300mm的晶圆制成。据估计,去年图像传感器的销量为17亿个。尽管其中一大部分都用在了消费电子产品中,但这些传感器也开始涉足机器视觉和医疗成像等应用领域。

据加拿大Chipworks公司工艺分析师Ray Fontaine表示,CMOS传感器领域已经出现了非常多的创新。他指出,虽然CMOS图像传感器一般都需要每个像素四个晶体管,但是新的设计实现了大幅的缩减。事实上,索尼公司(Sony)现在采用的晶体管共享方案可以将每个像素的晶体管总数降至1.375。

德国弗劳恩霍夫微电子电路和系统研究所(IMS)就是CMOS图像传感器性能取得巨大进步的一个例子。研究人员采用0.5μm像素开发了一款温度范围为–40°C至115°C 的CMOS图像传感器,从而使其可用于严苛的工业环境(图2)。CCD成像器的工作温度范围的上限约为60°C。

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图2:CMOS图像传感器能够工作在–40°C至115°C 的温度范围,从而可适应严苛的工业环境

“开发可在高温下工作的摄像头的主要问题在于暗电流的增加,”IMS光学传感器系统部领导兼项目负责人Werner Brockherde表示。工作温度上升8°C,暗电流就会翻倍,这会增大电子噪声,降低摄像头的动态范围,影响在低光照环境下记录图像的能力。此外,产生的赝像或模糊还会降低图像品质。

应对这个挑战的关键在于隐藏每个像素的光电二极管,在p-n结顶部将两个p-n结堆叠在一起。这样,由于p-n结不在表面,研究人员就可以避免表面复合问题,这个问题是产生暗电流的最大因素。

如今,微型CMOS图像传感器摄像头在机器视觉应用中获得了广泛的应用,有些已经超越了工业领域的应用范围。例如,Basler Vision Technologies公司的五百万像素摄像头尺寸仅29×29×42mm,具有GigE和以太网供电(PoE)接口(图3)。
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图3:Basler Vision Technologies公司的微型Ace系列CMOS摄像头尺寸仅29×29×42mm,
支持GigE和以太网供电(PoE)接口。

该公司表示,这是具有PoE通信能力的同类GigE摄像头中尺寸最小的一个产品。分辨率范围为VGA到100帧/s的帧速率下五百万像素(全分辨率下帧速率为14帧/s)。这种摄像头最近已获准用于多种医疗和交通系统,标价为349欧元。

3D视觉

三维摄像头技术可以在生产期间测量物体的形状和色彩,这有助于提高产品质量,降低生产成本。增加色彩功能进一步增加了质量和成本控制优势。

3D机器视觉一般用于水果和蔬菜、木材、化妆品、烘焙食品、电子组件和医药产品的评级。它可以提高合格产品的生产能力,在生产过程的早期就报废劣质产品,从而减少了浪费。这种功能非常适合用于高度、形状、数量甚至色彩等产品属性的成像。

就像人眼一样,机器视觉摄像头所感知的待查产品色彩是有差别的,这取决于照明光源和图像传感器类型(及其镜头)。大多数机器视觉系统都提供灰度级产品图像分析。不过,在某些情况下,彩色机器视觉软件需要精确地检测产品图像的形状和轮廓。

大多数彩色摄像头都由单个采用彩色滤波器阵列或马赛克的传感器组成。这种马赛克一般由以特定模式覆盖在传感器像素上的红、蓝、绿(RGB)三色的光学滤波器组成。然后马赛克通过将原始传感器数据转换成每个像素的RGB值进行解码。

更高速度和更高性能的微处理器的出现催生了各种新型机器视觉应用。现在,机器视觉设计人员正专注于开发各种用于实现比色法、更好的色度和亮度分解以及彩色马赛克解码的独立于硬件的算法。

同时,他们发现,除了Advanced Micro Devices和英特尔公司的传统CPU之外,还有更多的硅处理引擎可供选择。ASIC、DSP、FPGA和图形处理单元(GPU)可以为设计人员提供更多软件算法开发工具。

Matrox Imaging公司的GatorEye GigE视觉摄像头就是目前市场上的一款3D CCD彩色成像器(图4)。由于具有坚固、防尘和可洗的外壳,这种达到IP67级别的工业摄像头旨在用于非常严苛的环境。
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图4:Pleora Technoligies GigE视觉标准专门针对实时切换的视频网络,支持高达10Gbps的吞吐量。
来自不同供应商的基于以太网的视觉产品能够无缝组合,从而避免了时间的浪费和昂贵的集成问题。GatorEye摄像头具有激光线提取功能:只有图形的激光线被提取到子像素精度,从而产生相应的位置深度/高度阵列。该激光线随后被发送到GigE链路,以减轻接口的负载,从而使得控制PC专注于处理待检产品的测量和分析任务。

该摄像头针对特定分辨率、帧速率和格式要求设计了六种传感器配置,提供单色或彩色版本。这些配置包括640×480像素、110帧/s、1/3英寸格式;1280×960像素、22.5帧/s、1/3英寸格式;以及1600×1200像素、15帧/s、1/1.8英寸格式。

至于连接外部设备的能力,GatorEye摄像头可连接光耦合触发输入、选通输出、八种通用输入/输出(GPIO)以及用于直接驱动LED照明源的控制电流源。此摄像头采用工业环境普遍采用的12至24V直流
电源或者PoE电源,采用PoE电源时,电源和以太网流共用一根电缆。

Matrox公司还提供彩色图像分析软件。例如,Matrox Design Assistant就是一款绑定了该公司的Iris GT等智能摄像头的集成式开发环境。用户可以通过构建流程图,而不是采用Visual Basic、C、C++或C#等语言编写程序或脚本来创建机器视觉应用。

开发工作一旦完成,项目(或流程图)就会被上传并存储在Matrox Iris GT的本地位置。然后项目就可以在智能摄像头上执行,而不需要任何PC。事实上,在这种情况下,项目是采用可编程逻辑控制器(
PLC)通过以太网链路进行监测和控制的。

更亮的光源

气体放电光源由于具有相对平坦的光谱而主导了机器视觉照明市场。不过,由于增强的LED光源具有更亮的输出、更长的寿命和更加适中的价格,这种格局正在发生变化。此外,针对LED的输出波长的一致性和统一性也正在提升,这是机器视觉方案成功的关键问题。

机器视觉光源厂商也专注于LED光源。他们正在开发针对不同用户阶层的光学装置,这种光学装置不仅包含成套组件,还包含光源的扩散器和偏光器,可以最好地满足客户的需求。

LED驱动器越来越智能是机器视觉照明向LED领域发展的另一个推动力,有些LED驱动器已与图像传感器集成到同一个芯片中。智能的日益增长使光源能够提供更加精确的光强度控制,并推动LED用于频闪灯应用,从而获得更长的LED寿命。

选择合适的接口

摄像头技术的不断提升以及为支持高速和高精度工业检测而产生的对更高带宽的需求给连接摄像头与控制电脑的接口带来了越来越大的压力。过去十年来,CameraLink和GigE这两种接口标准已经有效地满足了这些需求。IEEE 1394B标准也是如此,不过这种标准具有复杂的布线要求,并且传输距离只有几米。现在,10GigE、CameraLink HS和USB 3.0等新兴接口标准有望取而代之(请参见表)。
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Pleora Technologies公司的GigE Vision标准已证明该标准可满足目前的实时交换视频网络要求,且支持高达10Gbps的吞吐能力(图5)。GigE Vision标准可实现不同供应商的以太网视觉产品的无缝集成,可避免任何潜在的集成问题。

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该标准可以更加方便地利用以太网平台固有的性能属性,比如网络灵活性、可扩展性、高吞吐能力、长距离传输能力和全双工专用连接。该标准还可以更加轻松地在广泛使用的价格适中的以太网单元上实现各种应用,这些以太网单元包括交换机、网络接口芯片/卡以及Cat-5/6或光纤线缆等。此外,其标准化环境可以实现基于以太网交换架构的新一代网络视频应用。

除了接口电路之外,大多数现代机器视觉数字摄像头还内置了真正的图像采集卡板——这种装置一般是插在主机电脑的插槽中。图像采集卡一般接受和处理来自模拟或数字摄像头的摄像头图像信号。它们一般都附带模数转换器(对于模拟摄像头而言)、缓冲存储器和接口电路,主机处理器可以通过接口电路来控制数据采集和访问。

随着越来越多的摄像头开始走数字路线,图像采集卡板的概念也开始日益模糊,这意味着采集和处理电路可以集成到图像传感器所在的外壳中。许多机器视频专家表示,采用CameraLink和10GigE等更高速率的接口链路将对图像采集卡板市场产生不利影响。这些专家质疑图像采集卡是否能以其目前的形式和功能继续存在。

不过其他机器视觉专家不同意这种观点,他们指出,模拟摄像头市场仍然存在这种需求。因此只要这种需求继续存在,图像采集卡就会继续提供有用的功能。此外,随着摄像头开始向数字领域演进,图像采集卡产品也正在顺应时势,提供更专业的功能。这些功能包括缓冲、控制、处理、带宽和确定性。这些专家普遍感觉到,由于工作效率高和易于理解,许多OEM仍在继续采用基于过去技术的图像采集卡。

应该指出的是,GigE、IEEE 1394和USB 2.0等一些不需要图像采集卡的接口标准存在着固有的局限性。虽然这些标准是网络兼容或者总线兼容的标准,允许多个机器视觉摄像头连接至同一个接口,但是必须采用适当的确定机制,以便摄像头能够共用同一个总线,避免产生数据冲突。

这意味着人为地产生了延迟或不可预测性,而这可能是一些应用无法接受的。单从这一个原因来看,图像采集卡也会与机器视觉摄像头和接口的技术进步继续共存下去。以此类推,新型图像采集卡也正在紧跟机器视觉的发展步伐,以便更好地满足机器视觉应用的需求。

比利时Euresys A.B.公司的GrabLink系列就是这样一个例子(图6)。该系列的版本包括GrabLink Base、Grab-Link Dual Base和GrabLink Full,分别适用于基本帧、中等帧和全帧CameraLink接口。这些图像采集卡可以提供板上处理能力,比如三个查找表操作器和Bayer CFA解码器。此外,其广泛的I/O线路可与各种传感器和编码器兼容。
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GrabLink Full板支持另外两个版本。它支持10-tap CCD摄像头,提供64位处理能力的四通道PCI Express总线。该板针对用于打印、网络和平板显示检测以及3D和生产检测等应用的高端、高速和高分辨率的面扫描和线扫描传感器。

机器视觉市场正在走向成功

MarketsandMarkets公司发表的一篇标题为“2010-2015年的全球机器视觉和视觉导引机器人市场”的新报告预计,全球机器视觉系统和元器件市场将以9.3%的年复合增长率(CAGR)增长(见图),到2015年市场总额将达到153亿美元。摄像头和智能摄像头元器件将占这种增长的四分之一以上。该报告称,亚太地区以两位数的增长主导全球机器视觉市场,北美地区则紧随其后。

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自动化成像协会(AIA,全球唯一的全球机器视觉贸易组织)进行的一项研究与上述预估意见一致。该研究指出,机器视觉销量的增长率应为2.6%至4.6%,具体取决于目前的经济复苏情况和工业生产领域的变化率。这种增长是继2009年出现29.2%的下降之后发生的,这种下降更多地体现的是最近“大衰退”所产生的后果。

由于今年一月颁布了食品安全现代化法案,对更多机器视觉应用的需求将出现更加火爆的增长。该法案要求食品加工行业(无论是国内还是海外食品供应商)应该具有更高级别的产品可追溯性,这最终将有助于提高公众健康水平。

该法案的规定包括根据要求向美国食品药品监督管理局(FDA)提供更多访问食品加工设备相关记录的权力。其目的在于提高食品来源的跟踪力度,而公众健康问题正是由问题食品引起的。美国食品药品监督管理局将在加工行业的配合下,开发出有效跟踪和追踪水果和蔬菜的新方法,从而确保任何有问题的产品都可以安全及时地找出。机器视觉软件将在这个过程中发挥关键作用。

 

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