智能相機(jī)介紹
智能相機(jī)(SmartCamera)并不是一臺(tái)簡(jiǎn)單的相機(jī)，而是一種高度集成化的微小型機(jī)器視覺系統(tǒng)。它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機(jī)內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺解決方案。同時(shí)，由于應(yīng)用了的DSP、FPGA及大容量存儲(chǔ)技術(shù)，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機(jī)器視覺的應(yīng)用需求。
功能
智能相機(jī)一般由圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網(wǎng)絡(luò)通信裝置等構(gòu)成，如附圖所示，各部分的功能如下：
(1)圖像采集單元
在智能相機(jī)中，圖像采集單元相當(dāng)于普通意義上的CCD/CMOS相機(jī)和圖像采集卡。它將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為模擬/數(shù)字圖像，并輸出至圖像處理單元。
(2)圖像處理單元
圖像處理單元類似于圖像采集/處理卡。它可對(duì)圖像采集單元的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)，并在圖像處理軟件的支持下進(jìn)行圖像處理。
(3)圖像處理軟件
圖像處理軟件主要在圖像處理單元硬件環(huán)境的支持下，完成圖像處理功能。如幾何邊緣的提取、Blob、灰度直方圖、OCV/OVR、簡(jiǎn)單的定位和搜索等。在智能相機(jī)中，以上算法都封裝成固定的模塊，用戶可直接應(yīng)用而無需編程。
(4)網(wǎng)絡(luò)通信裝置
網(wǎng)絡(luò)通信裝置的智能相機(jī)的重要組成部分，主要完成控制信息、圖像數(shù)據(jù)的通信任務(wù)。智能相機(jī)一般均內(nèi)置以太網(wǎng)通信裝置，并支持多種標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)和總線協(xié)議，從而使多臺(tái)智能相機(jī)構(gòu)成更大的機(jī)器視覺系統(tǒng)。
比較
智能相機(jī)與基于PC的視覺系統(tǒng)在功能和技術(shù)上差別主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)體積比較
智能相機(jī)與普通相機(jī)的體積相當(dāng)，易于安裝在生產(chǎn)線和各種設(shè)備上，便于裝卸和移動(dòng);而基于PC的視覺系統(tǒng)一般由由光源、CCD或CMOS相機(jī)、圖像采集卡、圖像處理軟件以及PC機(jī)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積相對(duì)龐大。
(2)硬件比較
從硬件角度比較，智能相機(jī)集成了圖像采集單元、圖像處理單元、圖像處理軟件、網(wǎng)絡(luò)通信裝置等，經(jīng)過人員進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，其效率及穩(wěn)定性都較高。同時(shí)，由于其硬件電路均已固定，缺少了設(shè)計(jì)的靈活性;基于PC的視覺系統(tǒng)主要由相機(jī)、采集/處理卡及PC機(jī)組成。由于用戶可根據(jù)需要選擇不同類型的產(chǎn)品，因此，其設(shè)計(jì)靈活性較大。同時(shí)，當(dāng)產(chǎn)品來自于不同的生產(chǎn)廠家時(shí)，這種設(shè)計(jì)的靈活性可能會(huì)帶來部件之間不兼容性或可靠性下降等問題。
(3)軟件比較
從某程度上來說，智能相機(jī)是一種比較通用的機(jī)器視覺產(chǎn)品，它主要解決的是工業(yè)領(lǐng)域的常規(guī)檢測(cè)和識(shí)別應(yīng)用，其軟件功能具有一定的通用性。由于智能相機(jī)已固化了成熟的機(jī)器視覺算法，用戶無需編程，就可實(shí)現(xiàn)有/無判斷、表面/缺陷檢查、尺寸測(cè)量、邊緣提取、Blob、灰度直方圖、OCR/OCV、條碼閱讀等功能?；赑C的視覺系統(tǒng)的軟件一般完全或部分由用戶直接開發(fā)，用戶可針對(duì)特定應(yīng)用開發(fā)適合自己的專用算法。另一方面，由于用戶的軟件研發(fā)水平及硬件支持的不同，導(dǎo)致由不同用戶開發(fā)的同一種應(yīng)用系統(tǒng)的差異較大。
智能相機(jī)的與基于PC的視覺系統(tǒng)的基本特性比較如附表所示:
選擇
購買一臺(tái)視覺相機(jī)，必須要問清楚10個(gè)問題:
(1)對(duì)于一臺(tái)零件定位工具，什么是重要的？如何評(píng)定其性能？
零件定位工具是在視覺相機(jī)的視場(chǎng)中找到零件的軟件工具。這是典型的視覺應(yīng)用的步，從最簡(jiǎn)單的機(jī)器人抓取操作到最復(fù)雜的裝配確定任務(wù)，它往往是判斷應(yīng)用成功與否的關(guān)鍵。
在當(dāng)今的生產(chǎn)環(huán)境中，零件定位對(duì)視覺相機(jī)提出了挑戰(zhàn)。這是因?yàn)闂l件變化將會(huì)使視覺相機(jī)視場(chǎng)中零件出現(xiàn)的路線發(fā)生的變化，視覺相機(jī)將被訓(xùn)練，旨在通過零件圖像的參考或模型去識(shí)別零件。這些條件變化包括:
·零件旋轉(zhuǎn);
·光學(xué)測(cè)量裝置的變化;
·光照條件的不一致;
·零件外觀的正常變化。
(2)內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)通信裝置扮演什么樣的角色，我應(yīng)關(guān)注什么性能？
網(wǎng)絡(luò)通信提供了大量的重要性能:
·它使得視覺相機(jī)快速將通過/失敗結(jié)果數(shù)據(jù)傳送至PC;
·它使得視覺相機(jī)可與PLC、機(jī)器人、和其他自動(dòng)化裝置進(jìn)行通信;
為了在視覺相機(jī)、PC之間建立企業(yè)級(jí)的通信連接，請(qǐng)確認(rèn)你所評(píng)估的視覺相機(jī)支持較寬范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括:SMTP、FTP、DHCP、DNS、TCP/IP客戶服務(wù)器、Telnet。
為了連接視覺相機(jī)和諸如PLC、機(jī)器人等自動(dòng)化裝置，請(qǐng)選擇支持以下工業(yè)協(xié)議的視覺相機(jī):
·EtherNet/IP——這一協(xié)議使得視覺相機(jī)可通過單以太網(wǎng)電纜與PLC和其他裝置相連，而無需復(fù)雜的線路配置和昂貴的網(wǎng)關(guān)。
·ModBus/TCP——另一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，允許直接通過以太網(wǎng)與其他設(shè)備連接。
最終，當(dāng)越來越多的視覺相機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)過程時(shí)，通過一種集中的方式進(jìn)行管理變得十分重要,請(qǐng)確認(rèn)您所評(píng)估的視覺相機(jī)是否允許您通過網(wǎng)絡(luò)管理和控制視覺行為。
(3)您的視覺相機(jī)是否易于建立應(yīng)用，并產(chǎn)生用戶圖形界面?
視覺應(yīng)用并不常需要集線器管理接口(HMI)，但操作者經(jīng)常要對(duì)視覺相機(jī)進(jìn)行調(diào)整，從而在零件變化時(shí)進(jìn)行修改，改變公差參數(shù)和判斷零件故障點(diǎn)。
在您配置系統(tǒng)時(shí)，機(jī)器視覺相機(jī)應(yīng)允許您產(chǎn)生一個(gè)用戶圖形界面。請(qǐng)確認(rèn)您所評(píng)估的視覺相機(jī)具有這一功能，而無需您利用VB或其他語言進(jìn)行開發(fā)。
(4)在讀和檢驗(yàn)性能中，應(yīng)該尋找什么？
您是否正在讀生產(chǎn)線上零件的文字?jǐn)?shù)字碼，或驗(yàn)證藥瓶上的數(shù)據(jù)和大量的編碼信息。在評(píng)估讀和檢驗(yàn)性能時(shí)，它們是需要尋找的特性，包括:
·統(tǒng)計(jì)字體訓(xùn)練這一特性允許您從一系列圖像中產(chǎn)生一個(gè)模型或參考圖像。這使得視覺相機(jī)能夠更好的處理它可能遇到的印刷物質(zhì)量的正常變化，如低對(duì)比度、位置變化、退化或筆劃寬度的變化。除非您可以肯定將要打印的每一標(biāo)簽都具有高質(zhì)量，否則這一開發(fā)靜態(tài)模型的能力對(duì)于應(yīng)用系統(tǒng)的成功將是非常重要的。
·圖像預(yù)處理工具它允許您通過邊緣對(duì)比度增強(qiáng)和濾除圖像中的背景噪聲優(yōu)化被訓(xùn)練的模型，優(yōu)化后模型提高了視覺相機(jī)的可靠性和可重復(fù)性。關(guān)于圖像預(yù)處理的更多信息請(qǐng)參閱問題(6)。
·瞬間圖像回放這使得操作者和技術(shù)人員可快速而容易地從監(jiān)視器中看到故障圖像。無論故障圖像是相機(jī)偏離了位置、還是標(biāo)簽缺失而引起的，重要的是要立即知道為什么會(huì)出故障，并在必要時(shí)采取補(bǔ)救措施。
(5)怎樣確定視覺相機(jī)測(cè)量工具的可重復(fù)性？
如果您的應(yīng)用是空間尺寸測(cè)量，您一定想確信測(cè)量工具不僅精確，而且具有很的可重復(fù)性。為了測(cè)定可重復(fù)性，視覺相機(jī)完全適用于測(cè)量工具。無論您是測(cè)量兩條線間的距離，或在三點(diǎn)間產(chǎn)生一個(gè)圓，優(yōu)良的工具設(shè)置使您無需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)配置中沒有的函數(shù)進(jìn)行編程定義。
(6)相機(jī)是否具有足夠的圖像預(yù)處理功能？
圖像預(yù)處理工具允許用戶對(duì)原始圖像進(jìn)行操作，以突出需要的特征，消除不需要特征。
這一特性是視覺相機(jī)所有特性中的關(guān)鍵，應(yīng)被列入標(biāo)準(zhǔn)配置。具有預(yù)處理工具的相機(jī)為您提供如下功能:
·在目標(biāo)邊緣和背景間提高對(duì)比度;
·濾出圖像中無關(guān)的或無意義的特征;
·消除已被從零件表面脫落的反射;
·圖像中粗糙紋理的平滑處理。
具備優(yōu)化原始圖像數(shù)據(jù)的能力后，視覺相機(jī)的精確度和耐用性得到了提高。
(7)如何評(píng)估工業(yè)條碼讀取工具，需要什么性能？
當(dāng)今的視覺相機(jī)應(yīng)在退化、不規(guī)則的二維條碼，或零件與零件間的位置變化上應(yīng)具有可靠的、可重復(fù)的性能。無論零件采用什么類型的標(biāo)記方法，標(biāo)記在什么類型的介質(zhì)表面，它們都應(yīng)具有較高的性能。按照條形碼讀取特性選擇視覺相機(jī)，您可能想了解以下問題:
·編碼質(zhì)量確認(rèn)能力尋找能夠檢驗(yàn)編碼質(zhì)量的產(chǎn)品，以建立標(biāo)準(zhǔn)。這可提供關(guān)于標(biāo)記過程工作情況的有價(jià)值的信息。
·讀取速率依照生產(chǎn)線速度和生產(chǎn)需求，您可能需要檢驗(yàn)一個(gè)視覺相機(jī)的讀取速率。當(dāng)今最快的視覺相機(jī)每秒大約可讀50個(gè)編碼。
·圖像預(yù)處理工具它允許您通過編碼的邊緣對(duì)比度增強(qiáng)和濾除圖像中的背景噪聲來優(yōu)化已被訓(xùn)練的模型。優(yōu)化后的模型使視覺相機(jī)的可靠性和可重復(fù)性化。關(guān)于圖像的預(yù)處理請(qǐng)參閱問題(6)。
·圖像預(yù)處理工具它允許您通過邊緣對(duì)比度增強(qiáng)和濾除圖像中的背景噪聲優(yōu)化被訓(xùn)練的模型，優(yōu)化后模型提高了視覺相機(jī)的可靠性和可重復(fù)性。關(guān)于圖像預(yù)處理的更多信息請(qǐng)參閱問題(6)。
·瞬間圖像回放這使得操作者和技術(shù)人員可快速而容易地從監(jiān)視器中看到故障圖像。無論故障圖像是相機(jī)偏離了位置、還是標(biāo)簽缺失而引起的，重要的是要立即知道為什么會(huì)出故障，并在必要時(shí)采取補(bǔ)救措施。
(8)視覺相機(jī)需要PC嗎？
在配置和生產(chǎn)中，標(biāo)準(zhǔn)的視覺相機(jī)無需PC。視覺相機(jī)應(yīng)提供真正的即插即用特性，使您可以快速配置應(yīng)用系統(tǒng)。重要的是,視覺相機(jī)無需您在廠內(nèi)設(shè)置計(jì)算機(jī)。最終，一個(gè)獨(dú)立的視覺相機(jī)使您無需PC就可從監(jiān)視器中看到活動(dòng)圖像。
(9)關(guān)于視覺相機(jī)的附件，您應(yīng)該了解什么？
為了確保您的系統(tǒng)集成過程快速而有效，請(qǐng)選擇與視覺相機(jī)同系列的兼容附件。銷售商會(huì)對(duì)每一附件進(jìn)行測(cè)試，以確認(rèn)每一部件可以同時(shí)進(jìn)行運(yùn)行，而不會(huì)出現(xiàn)故障。以下為附件列表:
·照明附件機(jī)器視覺銷售商應(yīng)提供多種不同的照明選擇，因?yàn)闄C(jī)器視覺系統(tǒng)將會(huì)面臨許多不同的零件表面特性類型和環(huán)境照明條件。一個(gè)全面的照明模塊系列應(yīng)包括環(huán)形光源模塊，它提供柔和的光線，即使從各個(gè)方向照射;背光模塊，提供零件與背景間的對(duì)比度;暗場(chǎng)光源，提供低角度照明，用于不規(guī)則零件表面的成像。
·通信附件確保提供了通信外圍設(shè)備，如I/O模塊、網(wǎng)關(guān)模塊，它使得視覺相機(jī)和快速而容易地與PLC、機(jī)器人、其他自動(dòng)化裝置及網(wǎng)絡(luò)相連。
·監(jiān)視器一些銷售商提供與相機(jī)兼容的顯示器。當(dāng)選擇顯示器時(shí)，選用具用抗暈效果防護(hù)的LCD顯示器。
·相機(jī)外殼工業(yè)相機(jī)外殼用于防塵、防高溫、防雨。同時(shí)，它應(yīng)容易安裝,并適用多種尺寸和類型的相機(jī)鏡頭。
(10)提供什么類型的技術(shù)支持？
當(dāng)評(píng)估一臺(tái)視覺相機(jī)時(shí)，很重要的一點(diǎn)是選擇一家可提供較寬范圍內(nèi)的產(chǎn)品支持和培訓(xùn)報(bào)務(wù)的銷售商。這些服務(wù)應(yīng)開始于最初的應(yīng)用評(píng)估，幾個(gè)重要的問題是:
·銷售代表是否是一個(gè)全時(shí)的機(jī)器視覺專家？
·應(yīng)用評(píng)估的程序如何？評(píng)估人是誰？
·銷售商是否花費(fèi)必要的工程資源使您的應(yīng)用合格，或由您自己支出？
·一旦選擇，您將得到什么樣的產(chǎn)品支持以確保安裝成功？
·所選擇的銷售商是否提供多種培訓(xùn)選擇，如:在線自助(“self-help”)支持、在線課程、世界范圍內(nèi)的技術(shù)支持及個(gè)性化的現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)。
·所選擇的銷售商是否具有跟蹤記錄和財(cái)政穩(wěn)定性，以長期維持其視覺解決方案供應(yīng)商的角色。
發(fā)展
由于智能相機(jī)具有體積小、多功能、方便易用等特點(diǎn)，在多種領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，這也正是越來越多的相機(jī)和板卡制造商都在開發(fā)SmartCamera系統(tǒng)的主要原因。在可以預(yù)見的將來，SmartCamera將呈現(xiàn)以下的發(fā)展趨勢(shì):
(1)接口的標(biāo)準(zhǔn)化
由于在工業(yè)控制領(lǐng)域存在著大量通信需求，因此，智能相機(jī)的接口將支持越來越多的通用協(xié)議，包括SMTP、FTP、DHCP、DNS、TCP/IP客戶服務(wù)器、Telnet等。
(2)系統(tǒng)模塊化
將光源，電源，控制模塊甚至一些傳感器集成到整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件中，這樣使應(yīng)用起來更加方便，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也更高。
(3)化
開發(fā)商們傾向于開發(fā)出適用于某些行業(yè)、某些特定應(yīng)用的智能相機(jī)。由于這些行業(yè)的企業(yè)較多比，市場(chǎng)容量也比較大。另外某些工序的檢測(cè)內(nèi)容比較固定，可以通過較少的硬件和軟件算法來構(gòu)成系統(tǒng)，這樣既可以達(dá)到很高的效率又可以使成本降低。
(4)大面陣和高速化
在許多工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用中，要求相機(jī)具有較高的分辨率和幀速，以滿足對(duì)微小尺寸物體及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)要求。因此，大面陣和高速化也將成為智能相機(jī)的發(fā)展發(fā)向之一。半導(dǎo)體技術(shù)及CCD技術(shù)的飛速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)智能相機(jī)的大面陣和高速化提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
