工业相机在智能工厂中的应用

寂静回声

我国现已进入转型发展、提质增效的关键阶段。在市场竞争激烈、劳动力成本上升、资源环境约束加剧等严峻挑战下，智能制造的水平急需提高，如大幅度采用机器视觉技术，一种用计算机来模拟人的视觉功能、具有人脑的一部分功能。通过视觉技术，控制器可以从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于智能工厂的实际检测、测量和控制。
工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，相机的选择不仅直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。
工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，市面上工业相机大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相机。
图1所示的CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器，它集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。其突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它器件是以电流或者电压为信号。这类成像器件通过光电转换形成电荷包，而后在驱动脉冲的作用下转移、放大输出图像信号。典型的CCD相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、垂直驱动器、模拟/数字信号处理电路组成。

CMOS图像传感器的是上世纪末随着超大规模集成电路制造工艺技术的发展才得以迅速发展。它将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，具有局部像素的编程随机访问的优点。CMOS图像传感器以其良好的集成性、低功耗、高速传输和宽动态范围等特点在高分辨率和高速场合得到了广泛的应用。
1.智能工厂选择工业相机的参数
在智能工厂中，选择工业相机会考虑以下参数：
（1）分辨率：相机每次采集图像的像素点数，对于数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于模拟相机则是取决于视频制式，PAL制为768*576，NTSC制为640*480，模拟相机已经逐步被数字相机代替，且分辨率已经达到6576*4384。
（ 2 ）像素深度：即每像素数据的位数，一般常用的是8Bit，对于数字相机机一般还会有10Bit、12Bit、14Bit等。
（3）最大帧率/行频：相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数，对于线阵相机为每秒采集的行数。
（4）曝光方式和快门速度：对于线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间；面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10微秒，高速相机还可以更快。
（5）像元尺寸：像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。数字相机像元尺寸为3μm~10μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。
（6）光谱响应特性：是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm－1000nm，一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。
（7）接口类型：有Camera Link接口，以太网接口，1394接口、USB接口输出，目前最新的接口有CoaXPress接口。
举例说明： 如某检测任务是尺寸测量， 产品大小是18mm*10mm，精度要求是0.01mm，流水线作业，检测速度是10件/秒，现场环境是普通工业环境，不考虑干扰问题。

首先知道是流水线作业，速度比较快，因此选用逐行扫描相机；视野大小可以设定为20mm*12mm（考虑每次机械定位的误差，将视野比物体适当放大），假如能够取到很好的图像（比如可以打背光），而且软件的测量精度可以考虑1/2亚像素精度，那么需要的相机分辨率就是20/0.01/2=1000pixcel（像素），另一方向是12/0.01/2=600pixcel，也就是说相机的分辨率至少需要1000*600pixcel，帧率在10帧/秒，因此选择1024*768像素（软件性能和机械精度不能精确的情况下也可以考虑1280*1024pixcel），帧率在10帧/秒以上的即可。
2. 工业相机参数的调整对工厂实际生产的影响
（1）相机曝光参数
分别相机的曝光参数来说，模拟增益、曝光时间的值之间的关系非常密切。通过实验发现，模拟增益、曝光时间的值越高大，曝光越强。

（2）相机白平衡参数
先启用白平衡的自动模式，再将白平衡设置为手动档模式，并分别调节其红色、绿色增益，观察其效果变换。

（3）相机白尺寸、对比度、亮度等参数
通过白尺寸的调节可控制镜头下想要截取的部分。通过移动对比度条块控制对比度的大小，观察成像发生如下变化：相机对比度的值越小时，成像色彩越弱；对比度的值越大，成像的色彩越饱满。应将其调至适当的值，以避免太小导致成像模糊或太大导致颜色太过厚重。

总之，在智能制造中，工业相机可以快速获取大量信息，易于自动生产，也易于同设计信息以及加工控制信息集成。同时，应用工业相机能够大幅降低人工检验的成本，严控产品质量，加快生产速度和效率，极大地提升企业竞争力。