2020年8月5日 机器视觉与计算机视觉技术

机器视觉相机类型以及接口标准详解

随着成像技术的进步,相机及其接口的类型不断演变,以满足大量应用的需求。对于检测和分析至关重要的半导体,电子,生物技术,装配和制造行业中的机器视觉应用而言,使用最好的相机系统来完成手头的任务对于获得最佳图像质量至关重要。 从模拟和数码相机 ,逐行扫描和隔行扫描格式到FireWire和GigE接口,理解照相机类型,数字接口,电源和软件等参数为从成像新手转向成像专家提供了一个很好的机会。

相机类型及其优势

模拟与数码相机

在最一般的层面上,相机可以分为两种类型:模拟和数字。模拟摄像机实时传输连续可变的电子信号。这个信号的频率和幅度然后被模拟输出设备解释为视频信息。模拟视频信号的质量和解释的方式都会影响最终的视频图像。而且,这种数据传输方式有利有弊。通常情况下,模拟摄像机比数字摄像机便宜并且简单,使其成为普通视频应用的经济高效和简单的解决方案。但是,模拟摄像机的分辨率(电视线数量)和帧速率都有上限。例如,在美国被称为NTSC的最常见的视频信号格式之一被限制为约800个电视线(通常为525)和每秒30帧。  PAL标准使用625条电视线,每秒25帧的帧频。 模拟摄像机也很容易受到电子噪声的影响,这取决于电缆长度和连接器类型等一些常被忽视的因素。

数码相机作为最新引进并稳步成为最受欢迎的数码相机,以电子信号的形式传输二进制数据(“零和零”)。尽管与给定像素的光强度相对应的电压是连续的,但是模数转换过程将其离散化并且在0(黑色)和2N-1之间分配灰度值,其中N是编码。 输出设备然后将二进制数据转换成视频信息。重要的是数字和非模拟相机类型独特的两个主要区别:

  1. 数字视频信号在离开摄像机时与到达输出设备时完全相同。
  2. 视频信号只能用一种方式解释。

这些差异消除了由于显示而导致的信号传输和由输出设备解释的错误。 与模拟相机相比,数码相机通常提供更高的分辨率,更高的帧速率,更少的噪音和更多的功能。 不幸的是,这些优势与成本相关 – 数码相机通常比模拟相机更昂贵。 此外,功能丰富的相机可能会涉及更复杂的设置,即使是只需要基本功能的视频系统。 在大多数情况下,数码相机也被限制在较短的电缆长度。表1提供了模拟和数字相机类型的简要比较。

表1:模拟摄像机和数码相机类型的比较
Analog Cameras 模拟相机 Digital Cameras 数码相机
垂直分辨率受模拟信号带宽的限制 垂直分辨率不受限制; 在水平和垂直方向上都能提供高分辨率
标准尺寸的传感器 没有带宽限制,提供大量的像素和传感器,从而获得高分辨率
计算机和捕捉板可用于数字化,但不是显示所必需的 计算机和捕捉板(在某些情况下)需要显示信号
模拟打印和录制轻松纳入系统 信号可以被压缩,因此用户可以在低带宽中传输
信号容易受到噪音和干扰,从而导致质量损失 输出信号是数字的;信号处理过程中几乎没有信号损失
有限的帧率 高帧率和快门

隔行与逐行扫描相机

相机格式可以分为隔行扫描,逐行扫描,区域扫描和行扫描。 为了便于比较,最好将它们分为隔行与逐行以及面积与行距。 传统的CCD相机在传感器上使用隔行扫描。 传感器分为两个场:奇数场(第1,3,5 …行)和偶数场(第2,4,6 …行等)。 然后将这些字段合并为一个完整的框架。 例如,以每秒30帧(fps)的帧速率,每个字段以1/60秒读取。 对于大多数应用程序,隔行扫描不会导致问题。 然而,在高速应用中可能会出现一些麻烦,因为到第二个场被扫描时,物体已经移动了。 这会导致图像中出现鬼影或模糊效果(图1a  –  1b)。在图1a中,注意TECHSPEC®Man如何用隔行扫描传感器拍摄照片时出现歪斜。

相反,逐行扫描通过顺序扫描行(第1,2,3,4,…行)解决了高速问题。 不幸的是,逐行扫描的输出还没有被标准化,因此在选择硬件时应该小心。 一些逐行扫描相机提供了模拟输出信号,但很少有显示器能够显示图像。出于这个原因,建议采集卡将数字化模拟图像进行显示。

 

面积扫描与线扫描相机

在区域扫描相机中, 成像透镜将要成像的物体聚焦到传感器阵列上,并且在像素级上对图像进行采样以用于重建(图2)。如果图像没有快速移动或者对象不是非常大,这很方便。 熟悉的数字即取即拍相机是区域扫描设备的例子。使用线扫描相机,像素以线性方式排列,这使得阵列非常长(图2)。 长阵列是理想的,因为每次曝光读出的信息量大大减少,读出速度由于没有列移位寄存器或多路复用器而增加;换句话说,当物体移动经过相机时,图像被逐行地取出并用软件重建。

 图2:区域扫描技术示意图(左)线扫描技术示意图(右)
 表2:区域扫描相机和线扫描相机的比较
 区域扫描相机 线扫描相机
 4:3(H:V)比例(典型值) 线性传感器
大型传感器 更大的传感器
高速应用 高速应用
快速快门时间 构建图像一次一行
比线扫描更低的成本 物体在传感器下通过
比线性扫描更广泛的应用范围 理想的捕捉宽对象
简单的安装 特殊的对齐和时间要求; 复杂的整合,但简单的照明

 

时间延迟和积分(TDI)与传统的线扫描相机

在传统的线扫描摄像机中,物体移动通过传感器,图像逐行扫描。 由于重建图像的每一行来自线性阵列的短时间曝光,所以收集的光很少。因此,这需要大量照明(想想复印机或文件扫描仪)。另一种方法是时间延迟和积分(TDI)线扫描相机。 在这些布置中,多个线性阵列并排放置。第一个阵列暴露后,电荷被转移到相邻的线路。 当物体移动线条间距时,在第一个物体上面进行第二次曝光,依此类推。因此,物体的每一行被重复地成像,并且曝光被相互相加(图3a-3b)。这减少了噪音,从而增加了信号。 而且,它展示了触发的概念,其中像素阵列的曝光与对象的运动和照明的闪光同步。

数码相机接口

由于传输噪声,失真或其他信号劣化不会影响正在传输的信息,数码相机在过去的十年中已经流行起来。由于输出信号是数字信号,传输过程中几乎没有信息丢失。随着越来越多的用户转向数码相机,成像技术也已经进入了包括众多的数字接口。成像景观将在另一个十年里有很大的不同,但现在最常见的接口是采集卡,GigE和USB(表3)。

与许多摄像机选择标准一样,没有单一的最佳选择接口,而是必须为手头的应用选择最合适的设备。异步或确定性传输允许数据传输收据,保证信号完整性,由于双向通信而使传输时间超时。在等时传输中,发生预定的分组传输(例如,每125μs),保证时间,但是允许以高传输速率丢弃分组的可能性。

采集卡

图像处理通常涉及使用计算机。采集卡允许用户将模拟摄像机信号输出到计算机中进行分析; 或模拟信号(NTSC,YC,PAL,CCIR),捕获板包含一个模数转换器(ADC),用于数字化信号进行图像处理。 其他人可以实时查看信号。 然后用户可以捕捉图像并保存以供将来的操作和打印。 捕捉板包含基本捕捉软件,允许用户保存,打开和查看图像。 术语捕获板也指PCI卡,它是从数码相机接口获取和解释数据所必需的,但不是基于标准的计算机连接器。

FireWire(IEEE 1394 / IIDC DCAM标准)

由于FireWire端口在计算机上的广泛使用, FireWire (又名IEEE 1394)是一种流行的串行等时摄像机接口。尽管Firewire.a是传输速率较慢的接口之一,但FireWire.a和FireWire.b都允许连接多台摄像机,并通过FireWire电缆提供电源。 不推荐使用热插拔/热插拔功能,因为连接器的设计可能会导致电源引脚短路,从而导致信号引脚短路,从而可能损坏端口或设备。

CameraLink®

CameraLink®是专门为机器视觉应用开发的高速串行接口标准,最引人注目的是涉及自动化检测和过程控制的标准。

采集卡需要使用,并且必须单独向摄像机供电。因为除了低压差分对LVDP信号线之外还需要特殊的布线,因此需要单独的异步串行通信通道来保持数据传输的全部带宽。单电缆基座配置允许专门用于视频的255 MB / s传输。双路输出(完整配置)允许单独的摄像机参数发送/接收线路,以在极端高速应用中释放更多的数据传输空间(680 MB / s)。

 

CameraLink®HS(高速)是CameraLink®接口的扩展,通过使用更多的电缆,可实现更高的速度(15米高达2100MB /秒)。 此外,CameraLink®HS还可以支持最长约300米的光纤电缆。

 GigE(GigE视觉标准)

GigE基于千兆以太网互联网协议,使用标准的Cat-5和Cat-6电缆作为高速摄像机接口。标准的以太网硬件,如交换机,集线器和中继器可以用于多台摄像机,但是每当使用非对等(直接摄像机到卡)连接时,必须考虑整体带宽。在GigE Vision中 ,相机控制寄存器基于EMVA GenICam标准。链路汇聚(LAG,IEEE 802.3ad)可选地在一些摄像机上并行使用多个以太网端口来提高数据传输速率,并且通过多播来分配处理器负载。在某些摄像机的支持下,网络精确时间协议(PTP)可用于同步连接在同一网络上的多个摄像机的时钟,从而在相关的曝光之间建立固定的延迟关系。设备是可热插拔的。

 USB(通用串行总线)

由于USB 2.0在计算机中普遍存在,因此它是一种流行的界面。 速度不高,但方便; 最大可达速度取决于USB外设组件的数量,因为总线的传输速率总共固定为480Mb / s。 电缆在任何电脑商店都可以买到。在某些情况下,与笔记本电脑一样,可能需要单独为相机供电。

USB 3.0具有USB 2.0即插即用的优点,同时还允许更高的数据传输速率。

 

CoaXPress是一种单线高带宽串行接口,可实现高达6.25Gb / s的传输速率,电缆长度可达100m。 多条电缆可用于高达25Gb / s的速度。就像PoE一样,同轴电缆也是一个可用的选项。

CoaXPress图像采集卡是必需的。

 表3:常用数码相机接口的比较
 数字信号选项 FireWire 1394.b CameraLink® USB 2.0  USB 3.0  千兆以太网
图片
 
 数据传输速率:  800 Mb / s 3.6 Gb / s(全配置) 480 Mb / s 5Gb / s的 1000 Mb / s
 设备: 多达63个 1 多达127个 多达127个 无限
捕获委员会: 可选的 需要 可选的 可选的 不需要
 功率: l可选的 需要 可选的 可选的 必需(PoE可选)

给相机供电

许多相机接口允许通过信号电缆远程向相机供电。 如果情况并非如此,则通常通过Hirose连接器(也允许触发接线和I / O)或标准的AC / DC适配器类型连接来提供电源。 即使在照相机可以通过卡或端口供电的情况下,使用可选的电源连接也是有利的。 例如,菊链式FireWire相机或从笔记本电脑运行系统是额外功率的理想情况。 此外,具有大型高速传感器和板载FPGA的摄像机需要比通过信号电缆更多的功率。

 以太网供电(PoE)

 

目前,可用的电源注入器允许特定的摄像机通过GigE电缆为摄像机供电。如果空间限制不允许摄像机拥有自己的电源,如在工厂地面安装或户外应用中,则这一点很重要。在这种情况下,注入器会沿着电缆线的某处添加标准电缆,传输到摄像机和计算机。但是,并非所有的GigE相机都是PoE兼容的。与其他接口一样,如果需要峰值性能,电源应与信号电缆分开供电。在PoE中,电源电压是基于使用比标准相机可提供的电压更高的电压的标准; 这需要更多的电子元件,并导致更多的功耗,这需要复杂的散热设计,以避免热噪声增加,从而损失图像质量。

模拟CCD输出信号

模拟视频信号有几种不同的格式。 格式定义了帧速率,显示行数,专用于显示和消隐的时间,同步,带宽和信号细节。 在美国,电子工业协会(EIA)将单色信号定义为RS-170。 彩色版本被定义为RS-170A,通常被称为国家电视标准委员会(NTSC)。 RS-170和NTSC都是复合信号。这意味着所有的颜色和强度信息被合并为一个信号。 T有一些分量信号(YC和RGB)将色度(颜色)与亮度(颜色强度)分开。CCIR是欧洲的单色标准,而PAL和SECAM是欧洲的颜色标准。  注意:相机和显示格式必须相同以获得适当的图像。

笔记本电脑和相机

尽管许多数码相机接口可供笔记本电脑使用,但强烈建议您避免使用标准笔记本电脑进行高质量和/或高速成像应用。通常,笔记本电脑上的数据总线不能支持完整的传输速度,并且资源不能充分利用高性能摄像机和软件。特别是,大多数笔记本电脑中的以太网卡标准的性能远远低于台式电脑可用的PCIe卡。

相机软件

一般而言,在成像软件方面有两种选择:特定于相机的软件开发工具包(SDK)或第三方软件。

SDK包含应用程序编程接口和代码库,用于开发用户定义的程序,以及简单的图像查看和采集程序,不需要任何编码,并提供简单的功能。 使用第三方软件,摄像机标准(GenICam,DCAM,GigE Vision)对于确保功能非常重要。第三方软件包括NI LabVIEW™,MATLAB®,OpenCV等。通常,第三方软件能够运行多个摄像头并支持多个接口,但最终由用户来确保功能。

尽管存在用于成像应用的大量相机类型,接口,功率要求和软件,但是了解每种应用的优缺点允许用户为任何应用选择最佳组合。无论应用程序是否需要高数据传输,长电缆长度和/或菊花链,摄像机组合都可以达到最佳效果。
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