5. 从平面(2D)走向立体(3D)
无论线阵相机还是面阵相机都只能实现2D成像,缺乏深度的信息,随着检测精度和应用场景复杂度的增加,2D相机越来越难堪重任,可以测量距离和进行三维建模的3D相机应运而生。随着3D视觉技术不断突破,3D相机在精度、速度和灵活度方面远超2D相机,在许多传统视觉“痛点性应用场景”中大显身手。
一文了解“工业相机”
图8 2D检测和3D检测的差异比较:2D检测根据灰度信息进行外观尺寸的检测和识别,而3D检测则利用包含高度信息在内的(XYZ坐标)条件进行检测辨别
根据测量原理不同,主流的3D相机一般有三种方案:飞行时间法、结构光法、双目立体视觉法,简单介绍如下:
(1)飞行时间是从Time of Flight直译过来的,简称ToF。其测距原理是通过连续发射经过调制的特定频率的光脉冲(一般为不可见光)到被观测物体上,然后接收从物体反射回去的光脉冲,通过探测光脉冲的飞行(往返)时间来计算被测物体离相机的距离,见图9。
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图9 飞行时间测距原理
(2)结构光法就是使用提前设计好的具有特殊结构的图案(比如离散光斑、条纹光、编码结构光等),将图案投影到三维空间物体表面上,使用另外一个相机观察在三维物理表面成像的畸变情况。如果结构光图案投影在该物体表面是一个平面,那么观察到的成像中结构光的图案就和投影的图案类似,没有变形,只是根据距离远近产生一定的尺度变化。但是,如果物体表面不是平面,那么观察到的结构光图案就会因为物体表面不同的几何形状而产生不同的扭曲变形,而且根据距离的不同而不同,根据已知的结构光图案及观察到的变形,就能根据算法计算被测物的三维形状及深度信息,见图10。
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图10 结构光测距原理
(3)双目立体视觉法仿人眼成像原理,通过计算空间中同一个物体在两个相机成像的视差得到物体离相机的距离,其算法也是根据三角关系计算,见图11。
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图11 双目视觉测距原理
这三种3D视觉方案在检测距离上、精度、检测速度各有优缺点,适用于不同的应用场景,目前处于三国鼎立之势,如表2。结构光方案优势在于技术成熟,深度图像分辨率可以做得比较高,但容易受光照影响,室外环境不适宜使用;ToF方案抗干扰性能好,视角更宽,不足是深度图像分辨率较低,主要用于简单避障和视觉导航,不适合高精度场合。双目方案,成本相对前两种方案,但是深度信息依赖纯软件算法得出,此算法复杂度高,难度很大,处理芯片需要很高的计算性能,同时它也继承了普通RGB摄像头的缺点:在昏暗环境下以及特征不明显的情况下并不适用。当然这三种方案在发展过程中也有一些互相融合趋势,如主动双目+结构光,取长补短,使3D相机能适应更多的场景。也有一些场合可同时使用,如智能手机前置基本确认会采用结构光来做人脸识别,但是后置用来做增强现实(AR)应用,结构光和ToF方案都有应用机会。
表2 3D视觉方案优缺点比较
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纵观机器视觉的发展,主要经历了从黑白到彩色、从低分辨率到高分辨率、从静态到动态、从2D走向3D演变过程,工业相机作为核心硬件,其技术的迭代变化也是遵循相应的发展。随着工业自动化以及机器视觉应用领域多元化发展,工业相机市场也随着机器市场的火热而水涨船高。虽然目前高分辨率、高速等高端工业相机技术还主要掌握在国外大厂手中,包括基恩士、康耐视、Basler、AVT、Teledyne DALSA等,不过随着国内相机厂商技术的不断积累和突破,国产工业相机品牌也开始从低端市场开始逐步取代进口,如大恒图像、华睿科技等。我们相信随着全球制造中心从欧美向亚洲转移,中国从制造大国向制造强国的升级和转型过程,在市场和政策利好的背景下,这对中国的工业相机厂商而言,正是突破和迎头赶超的好时机。
工业相机接口标准详解
工业相机还被称作工业摄像头、工业摄像机、工业照相机等等。从其芯类型中被分为工业CCD相机和工业CMOS相机,从其信号种类里又分为工业模拟相机、工业数字相机。工业相机已经被广泛应用于工业生产线在线检测、智能交通,机器视觉,科研,军事科学,航天航空等众多领域。
目前,市面上也出现了越来越多的工业相机品牌,相机厂商都给出了大量的相机参数,比如:相机接口、芯片类型、量子效应、帧率等。一般非行业内人士,在面对这些参数时往往会无所适从。根据长期的相机使用经验,朗锐智科为大家总结出目前使用比较广泛的工业相机接口知识!
工业相机数据传输接口方式有很多种,包括CoaxPress、CameraLink接口、USB接口、Gige接口等。
工业相机接口标准详解
(1)Camera Link接口。
1、需要单独的CameraLink接口,不便携,导致成本过高。
2、Camera Link接口的相机,实际应用中比较少。
3、传输速度是目前的工业相机中快的一种总线类型。一般用于高分辨率高速面阵相机,或者是线阵相机上。
4、传输距离近。
(2)USB2.0接口
1、USB2.0接口的工业相机,是早应用的数字接口之一,开发周期短,成本低廉,是目前为普通的类型。
2、所有电脑都配置有USB2.0接口,方便连接,不需要采集卡;缺点是其传输速率较慢,理论速度只有480Mb(60MB)。
3、传输速率低,糟糕的协议(Bulk-OnlyTransport(BOT)协议)与编码方式,数据只有30MB/S左右。
4、在传输过程中CPU参与管理,占用及消耗资源较大。
5、USB2.0接口不稳定,相机通常没有坚固螺丝,因此在经常运动的设备上,可能会有松动的危险。
6、传输距离近,信号容易衰减。
(3)USB3.0接口
1、USB 3.0的设计在USB 2.0的基础上新增了两组数据总线,为了保证向下兼容,USB 3.0保留了USB 2.0的一组传输总线。
2、在传输协议方面,USB3.0除了支持传统的BOT协议,新增了USB Attached SCSI Protocol(USAP),可以完全发挥出5Gbps的高速带宽优势。
3、由于总线标准是近几年才发布,所以协议的稳定性同样让人担心。
4、传输距离问题,依然没有得到解决。
(4)GIGE千兆网接口
1、千兆网协议稳定。
2、千兆网接口的工业相机,是近几年市场应用的重点。使用方便,连接到千兆网卡上,即能正常工作。
3、需要注意一些特殊的细节,如早期的NI的软件,可能对千兆网卡的芯片有要求,需要使用INTEL的芯片才可以正常驱动GIGE相机,而使用如Realtek的芯片网卡,就无法响应。
4、在千兆网卡的属性中,也有与1394中的Packet Size类似的巨帧。设置好此参数,可以达到更理想的效果。
5、传输距离远,可传输100米。
6、可多台同时使用,CPU占用率小。
工业相机行业的产业链覆盖全球
目前大多数工业相机都采用GbE介面,除了成本低廉外,容易与工业电脑介接,组成庞大复杂的自动化系统也是其一大优势。搭载USB3.0的工业相机也因为同样的理由,而在市场上越来越受到欢迎。
至于智能相机,本质上已经是一台迷你型工业电脑。以朗锐智科的PCM-6410工业相机为例,除了光学、影像感测器、数位讯号处理器等相机的元素外,该相机还搭载第7代英特尔?酷睿?处理器,可以直接在相机上执行各种视觉演算法。这种智能相机具备体积小、部署简单的优势,适合用在小规模自动化系统,或是与机器手臂结合,引导机器手臂作业。
工业相机主要包括镜头、感光传感器、网络芯片编码器、滤光片等。目前全球镜头厂商主要有:富士能、施耐德、卡尔蔡司、东正光学、普密斯;CMOS/CDD的生产厂商有日本索尼、日本松下、美国Aptina;网络芯片编码器生产厂商有:华为海思、美国TI、台湾智源、NXP等;而整机厂商有:中国海康、大华、云从、大恒等,国外Sony、BASLER、BAUMER等。
如何解决工业相机中常见故障
随着现在技术越来越发展,工业相机也越来越被更多人所知,那么大家在使用工业相机过程中遇到一些问题怎么解决呢,下面请跟着轩展科技小编来看看吧
一.没有图像运行DEMO?
化解之道:
1.打开镜头光圈,或拧下镜头以查看是否有感光。
2.驱动安装是否正常;
3. DEMO是否使用连续采集模式。
二.如何连接外部触发器?
解决方案:参考手册外的触发设置,一般用TRI +,TRI + live连接;触发信号用于高低电平触发或脉冲信号触发。
第三,图像的颜色不正确和有偏色?
解决方案:使用参考手册设置白平衡。
四.图像拍摄不完整(显示)?
化解之道:
1.验证摄像机的分辨率是否调整到。
2. DEMO显示比例可以调整显示区域。
3.调整视野大小,如果摄像机连接固定镜头,则只能通过移动物体距离改变视野;如果相机与变焦镜头连接,它首先固定视野然后聚焦;如果相机连接了放大的镜头,它可以改变放大倍率来调整视野。
五,噪点很多,不清晰?
解决方案:参考说明设置增益。增益越小,噪声越清晰。
6.拍摄(显示)的图像是否太暗?
解决方案:参考说明设置曝光时间。曝光时间越长,图像越亮。
7.使用支撑阴影拍摄(显示)移动物体?
解决方案:使用LED光源拍摄时,手动调整曝光时间和增益尽可能小。
苏州技优电子技术服务有限公司承接的维修设备有:各工业相机维修,CCD相机维修,工业摄像机维修,CCD摄像机维修,伺服驱动器维修、变频器维修、电源维修、工控主板、驱动板、接口板、信号处理板、温度控制仪器、数控系列各种控制板、工控机、注塑机CPU板、人机界面、温度板、位置板、比例板、放大板、比例阀、注塑机机械手主板、操作盒等自动化设备控制单元维修。公司拥有的电路板维修测试仪,维修技术团队成员都具备10+年以上设备维修实战经验,设备修复率高、维修交期短、价格低、*原理图。主要维修的有BALSER、teli、cognex、西门子、ABB、欧姆龙、伦茨、松下、富士、施耐德、法那科、安川、台达、东芝、三菱、百格拉等。公司客户行业涉及机械制造、注塑业、橡胶、电路板制造工厂、印刷、电梯、汽车生产、发电、电镀、、食品、包装等。公司秉承“顾客至上,锐意进取”的经营理念,坚持“客户”的原则为广大客户提供的服务。欢迎惠顾!