高速相機(jī)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)瞄準(zhǔn)過(guò)程監(jiān)控應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間： 2019-07-03發(fā)布者： 瀏覽量： 2299
在許多機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用中，通常使用工業(yè)相機(jī)、照明光源、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在產(chǎn)品制造過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。例如，檢查罐裝食品、瓶子、發(fā)動(dòng)機(jī)零件和電子子組件的標(biāo)簽方向、填充水平、條形碼以及目標(biāo)物是否存在（見(jiàn)圖1）。
圖1：高速相機(jī)系統(tǒng)可以檢查罐裝食品、瓶子、發(fā)動(dòng)機(jī)零件和電子子組件的標(biāo)簽方向、填充水平、條形碼以及目標(biāo)物是否存在。這種高速生產(chǎn)系統(tǒng)本身也必須受到監(jiān)控，以診斷可能發(fā)生的任何機(jī)械故障。
為了高速生產(chǎn)這些產(chǎn)品，復(fù)雜的機(jī)械傳送帶和剔除機(jī)制必須沿著生產(chǎn)線高速驅(qū)動(dòng)這些產(chǎn)品。由于這些產(chǎn)品的生產(chǎn)速度非?？欤虼松a(chǎn)設(shè)備的任何故障或失靈，都會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)線暫停、維修和重新啟動(dòng)，從而導(dǎo)致昂貴的停機(jī)成本。如果與故障相關(guān)的問(wèn)題立即被隔離，那么制造商就可以更快地修復(fù)故障，減少停機(jī)成本。為了隔離這些故障問(wèn)題，制造商使用高速視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)檢查產(chǎn)品的特性，并監(jiān)控正在使用的傳送帶和剔除機(jī)制。
現(xiàn)在，已經(jīng)有一些公司生產(chǎn)集成系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行這些任務(wù)。與實(shí)施機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)一樣，選擇使用什么樣的系統(tǒng)，高度依賴于特定的應(yīng)用。被監(jiān)控的生產(chǎn)線或生產(chǎn)過(guò)程的速度，決定了系統(tǒng)中部署的機(jī)器視覺(jué)相機(jī)、相機(jī)接口、觸發(fā)機(jī)制、主機(jī)（或“事件記錄器”）和照明等產(chǎn)品的類型。
更為重要的是，如果發(fā)生故障，系統(tǒng)的用戶界面必須允許操作員快速隔離故障源頭，并通知相關(guān)主管人員。
在典型的監(jiān)控系統(tǒng)中，一臺(tái)相機(jī)或一系列相機(jī)與事件記錄器連接，以捕獲一系列高速圖像。對(duì)這些圖像進(jìn)行分析，并診斷任何機(jī)械設(shè)備故障的原因（見(jiàn)圖2）。
圖2：在典型的監(jiān)控系統(tǒng)中，一臺(tái)相機(jī)或一系列相機(jī)與事件記錄器連接，以捕獲一系列高速圖像。對(duì)這些圖像進(jìn)行分析，并診斷任何機(jī)械設(shè)備故障的原因。
在這種配置中，一旦系統(tǒng)被觸發(fā)，無(wú)論是從相機(jī)觸發(fā)還是通過(guò)事件記錄器觸發(fā)，圖像都會(huì)被存儲(chǔ)一段預(yù)先設(shè)定的時(shí)間，以便以后回放和分析。在監(jiān)控此類高速事件時(shí)，系統(tǒng)可以通過(guò)幾種不同的方式觸發(fā)。如果一條高速裝瓶產(chǎn)線因任何原因出現(xiàn)故障，那么沿著生產(chǎn)線通過(guò)的瓶子數(shù)量將會(huì)減少。
傳感系統(tǒng)
此類事件通常使用不同類型的傳感器檢測(cè)，其中最常用的是光電傳感器。這些傳感器檢測(cè)從傳感器發(fā)出和接收的光之間的強(qiáng)度變化。Pepperl+Fuchs等公司提供此類光電傳感器，這類傳感器也可用于計(jì)算通過(guò)生產(chǎn)線的瓶子數(shù)量，因?yàn)閭鞲衅鲗z測(cè)一系列可測(cè)量的脈沖。如果脈沖之間的周期發(fā)生了顯著變化，則可以對(duì)傳感器進(jìn)行編程，以輸出PNP/NPN信號(hào)來(lái)觸發(fā)相機(jī)或計(jì)算機(jī)。
光電傳感器有多種類型，從透射型傳感器、反射型傳感器到漫反射型傳感器和色彩傳感器，所有這些傳感器都可用于檢測(cè)高速生產(chǎn)線上可能發(fā)生的任何虛假事件。例如，當(dāng)此類機(jī)械發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備的振動(dòng)水平可能會(huì)增加。因此，振動(dòng)分析系統(tǒng)可以用來(lái)確定生產(chǎn)設(shè)備的狀況。
通過(guò)使用傳感器測(cè)量設(shè)備的位移、速度和加速度，可以監(jiān)測(cè)振動(dòng)水平，并將這些傳感器的輸出結(jié)果與預(yù)期值范圍進(jìn)行比較，再利用這個(gè)比較結(jié)果觸發(fā)相機(jī)或計(jì)算機(jī)。Hansford Sensors等公司生產(chǎn)此類傳感器。
光電傳感器、振動(dòng)傳感器和聲學(xué)傳感器，都可以用來(lái)觸發(fā)圖像捕捉序列，也可以用來(lái)處理來(lái)自相機(jī)的信息。這可以通過(guò)使用相對(duì)簡(jiǎn)單的算法分析捕獲的圖像、并在發(fā)生任何變化時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，可以分析圖像的灰度值，并與已知參考值的范圍進(jìn)行比較?；蛘?，可以將傳入圖像之間的像素到像素的差異與參考圖像進(jìn)行比較，如果這些差異超出指定范圍，系統(tǒng)將觸發(fā)記錄圖像序列。
減少延遲
在開(kāi)發(fā)此類系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)集成商必須認(rèn)識(shí)到，無(wú)論選擇何種傳感器或相機(jī)，傳感器或相機(jī)檢測(cè)到事件的時(shí)間，與開(kāi)始記錄圖像序列的時(shí)間之間，存在一定的時(shí)間延遲。這個(gè)時(shí)間延遲從幾微秒到幾毫秒不等，這取決于圖像序列是使用相機(jī)上的I/O觸發(fā)器觸發(fā)的，還是使用事件記錄器上的I/O觸發(fā)器觸發(fā)的。
為了減少延遲，許多系統(tǒng)使用相機(jī)I/O觸發(fā)器觸發(fā)，就像使用事件記錄器或可編程邏輯控制器（PLC）時(shí)一樣，由于輪詢中斷并向相機(jī)生成觸發(fā)信號(hào)需要時(shí)間，因此延遲將更長(zhǎng)。在這里，最小延遲是由“通過(guò)軟件輪詢輸入并生成相機(jī)觸發(fā)器以啟動(dòng)圖像序列所需的時(shí)間”決定的。
同樣，使用相機(jī)或運(yùn)行在事件記錄器或PLC上的軟件，來(lái)檢測(cè)和分析捕獲的圖像也會(huì)增加延遲，因?yàn)檫@將涉及圖像捕獲、圖像分析，然后生成一個(gè)輸出信號(hào)。因此，使用相機(jī)觸發(fā)系統(tǒng)往往更復(fù)雜，并且具有更長(zhǎng)的系統(tǒng)延遲。
正如如何觸發(fā)相機(jī)在此類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中起著重要作用一樣，選擇使用哪種相機(jī)同樣重要。為高速成像而設(shè)計(jì)的相機(jī)，往往都是針對(duì)特定應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)的。例如，對(duì)于彈道和汽車碰撞測(cè)試等應(yīng)用，即使是最快的相機(jī)接口，也不能用1024×1024的CMOS傳感器來(lái)捕獲圖像序列。
因此，Vision Research和Photron等相機(jī)廠商開(kāi)發(fā)出了Phantom V2512和FastCam SA-Z等相機(jī)，它們分別能以高達(dá)10000fps和25000fp的幀率，捕獲1280×800×12位像素和1024×1024×12位像素的圖像數(shù)據(jù)。因此，相機(jī)需要捕獲數(shù)百GB的數(shù)據(jù)。
為了捕獲這些圖像，此類相機(jī)必須設(shè)計(jì)為具有千兆字節(jié)的板載存儲(chǔ)器，以便圖像序列可以捕捉、存儲(chǔ)，然后通過(guò)高速接口傳輸，后續(xù)再用運(yùn)動(dòng)分析軟件進(jìn)行分析。此類接口通?；贕igE或10GigE標(biāo)準(zhǔn)。
這種高速相機(jī)的接口選擇有幾個(gè)原因。首先，GigE接口是可擴(kuò)展的，目前的范圍包括GigE、10GigE、40GigE和100GigE。其次，與CoaXPress（CXP）等支持高達(dá)100Gbit/s帶寬的標(biāo)準(zhǔn)不同，價(jià)格經(jīng)濟(jì)的基于PC的圖像采集卡，通過(guò)相機(jī)與計(jì)算機(jī)連接，從而降低系統(tǒng)成本。最后，盡管基于CXP標(biāo)準(zhǔn)的最大電纜長(zhǎng)度約為70m，但基于GigE的方案可以使用電纜將相機(jī)到計(jì)算機(jī)的連接距離擴(kuò)展到100m。
利用GigE Vision的強(qiáng)大功能，相機(jī)供應(yīng)商正在推出低成本、高速相機(jī)，這些相機(jī)不需要板載相機(jī)內(nèi)存來(lái)存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)。雖然這種相機(jī)仍然不能用于非常高速的應(yīng)用，但它們正被部署在要求較低的工廠過(guò)程監(jiān)控應(yīng)用中。
例如，Imperx B0620是一款640×480像素的CCD GigE相機(jī)，具有以太網(wǎng)供電（PoE）功能，它可以與Imperx公司的以太網(wǎng)/IP過(guò)程視頻記錄器（EIPVR）連接，以250fps或更低的幀率錄制60秒或更長(zhǎng)的視頻。在運(yùn)行中，系統(tǒng)自動(dòng)將圖像保存到記錄系統(tǒng)，并使用Imperx公司的記錄和回放軟件，以用戶可配置的回放速度觀看記錄的事件（見(jiàn)圖3）。因此，可以部署該系統(tǒng)來(lái)消除線路中斷，排除機(jī)械設(shè)備故障，而無(wú)需昂貴的專用高速相機(jī)或基于CXP的高成本解決方案。
圖3：記錄和回放軟件，能以用戶配置的回放速度，觀看記錄的事件。
為了以250fps的幀率捕獲圖像，并消除圖像模糊，通常使用頻閃LED照明。在這里，閃光燈的發(fā)射必須與相機(jī)的曝光時(shí)間同步。為了確保這一點(diǎn)，制造商提供了專用的頻閃燈。例如，Imperx提供LED PoE環(huán)形燈，以簡(jiǎn)化此類LED的安裝。在設(shè)計(jì)中，環(huán)形燈通過(guò)PoE接口驅(qū)動(dòng)，可以直接從相機(jī)觸發(fā)（見(jiàn)圖4）。
圖4：Imperx公司提供LED PoE環(huán)形燈，以簡(jiǎn)化LED頻閃燈的安裝。在設(shè)計(jì)中，環(huán)形燈通過(guò)PoE接口驅(qū)動(dòng)，可直接從相機(jī)觸發(fā)。
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