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需要EMVA数据

快门阴影线:图像伪影
快门阴影线:图像伪影

为特定应用选择相机时应遵循哪项标准,此问题已经是老生常谈。欧洲机器视觉协会(European Machine Vision Association,简称EMVA)也已将此纳入考虑,继而出台了EMVA 1288标准。该标准定义了测量数据的方法,而这些数据则界定了工业相机或其中感光芯片的成像质量和灵敏度。

要选择合适的相机型号,关键是要比较相机的EMVA数据。只有EMVA数据方可展示出相机的功能或合适程度。

然而,EMVA数据未必总是能找出全部与芯片设计相关的问题。例如,有一种称为“快门阴影线”的图像伪影——这类问题凭肉眼可以立刻发现,却不会影响EMVA值。再者,还有诸如坏点或闪点等时有发生的问题。

使用样机进行全面测试对用户大有裨益。测试的重点在于仔细检查相机,并尽可能贴近实际环境或应用。并非所有的算法都会对成像质量问题做出同样灵敏的反应。通常只有大品牌制造商才能够提供可信赖的成像质量。在各类情况下,可靠的、有保证的成像质量标准都很有用,不但节省测试时间,还可以免去您优化自己的应用的麻烦。

关键在于相机尺寸、硬件性能和选择多样的功能包

显然,还有些相机特点,EMVA标准并未涵盖,例如设计尺寸、使用的硬件,以及相机对环境影响(尤其是指温度和温度改变或电磁干扰)有多敏感。如果相机不符合这些标准,即便其数据符合应用所需,有可能仍然不适用。

相机尺寸

芯片尺寸相同,外壳大小各异
芯片尺寸相同,外壳大小各异

相同的芯片可以出现在设计完全不同的相机中。在机器视觉市场上,29x29的外壳尺寸和C口已成为大到2/3”的芯片和部分1”芯片的标配,当然还有尺寸更小的CMOS芯片和各种的板级型号(即安装在板上且不带外壳的工业相机成品)。更小尺寸的相机,灵活度更高,在系统内占用空间更少。但由于仍需要考虑耗电量和散热管理,所以最小尺寸的相机往往并非最适用的。通常,这些方面是标准工厂自动化应用的重点关注内容。而至于其他应用领域(例如医疗工程),外壳就必须达到特定的工业标准。在数字显微镜等领域中,由于人们可以见到相机本身,因而使用舒适、外观新颖的相机设计也较为重要。

相机硬件

相机硬件中存在各类看不见的特性,即便相机采用的芯片完全相同,这些特性也会对相机表现产生不同的影响。首先是FPGA,它是复杂的可配置逻辑单元,可以是安装在硬件端的数字开关,也可以是专用的微型处理器,具体形式多样。FPGA是相机众多概念的核心。功能强大的FPGA结合高效固件,让许多固件功能(尤其是图像优化)得以在相机内实现,从而减少PC或处理板的处理负荷。RAM可以协助用于临时储存图像的硬件,提升数据稳定性。对于需要在短时间内、通过高带宽配置获取大量图像的应用而言,RAM是一项重要因素。

相机的温度/发热

在帧速率方面,新版CMOS芯片的帧速率显著高于旧版CMOS芯片或CCD芯片。在性能提升的同时,这也会带来更高的功耗,同时相机内部会产生更多热量。相机内部升温会让各种应用出现问题,影响成像质量。比较相机温度时需要特别注意一点:务必确保在相同帧速率和分辨率的条件下进行测量。要在产热的同时进行散热,相机设计就显得尤为重要。如果散热不足,温度升高,不仅会加重图像噪声,还可能损害组件。基于绝对外壳温度时,不易探测出相机热力设计的差别;而当比较相机内核和外壳的温度时,热力设计的差别较明显。在测量温度时,应该按照未来的目标应用情景来安装相机,充分考虑到镜头和邻近物体的几何结构。

彩蛋: 固件功能和高稳定性的数据传输

由于相机的固件和软件各不相同,即便使用相同的芯片,相机的表现仍会有较大差异。这里的关键在于既要符合GenICam等标准(“针对相机”),也要兼容GigEVision和USB3 Vision接口标准。这些标准管理和定义了相机的通信通道和接口,有助于降低集成工作量,并提供可靠的数据传输质量。

此外,相机在固件和相关软件的效率方面也存在不少差异。首先,这涉及相机集成所需的工作:并非所有相机制造商都能够为相机控制提供成熟的软件和驱动环境,或打造能兼容不同操作系统和编程语言的编程环境。然而这些往往是任何大型系统设计都必须满足的必要条件。

另一个差异体现在相机的数据稳定性方面。例如,如果为帧缓冲器妥善设置了相机固件,就可以大大提升数据稳定性,在高带宽/帧速率的情况下表现更佳。

尽管有些视觉系统能通过相同芯片来获得更好的效果,但很大程度上提升视觉系统性能还是要依靠标准化或专有的功能。

以下列举两个基于Basler ace相机的实例:

相同的芯片,不同的数据处理:没有通过固件进行图像优化(左边)和有通过固件进行图像优化(右边)
相同的芯片,不同的数据处理:没有通过固件进行图像优化(左边)和有通过固件进行图像优化(右边)

具有价值的相机固件功能包括成像质量优化等。一些应用对颜色保真度(医疗)、精确轮廓(条形码或车牌读取),或结合色彩识别(电路板生产领域的组件侦测和放置定位)的清晰细节等有较高要求,此时成像质量优化功能就能派上用场。

序列器功能的使用案例。
序列器功能的使用案例。

部分相机有提供序列器功能。在摄影序列里,序列器功能会迅速按照预定义计划,逐张图像地改变相机设置。如果需要在短时间内强调物体的不同属性,序列器是必不可少的。例如交通监控、玻璃检测系统和实验室自动化系统。

选择相机:就是选择长期的“合作伙伴”

一旦决定了系统采用哪一款相机后,也相当于确定了未来多年的设计合作伙伴。与著名的大型相机制造商合作是较为理想的选择。

交付能力和质量均发挥着关键作用。如果优先注重在精益的生产流程中实现最低的资本投入、掌握库存状况和做到及时交货,那么企业的交付组件能力就显得更加重要,这样才能避免在供应链中造成“浪费”。并非所有工业相机制造商都能够满足以上的严苛要求。而相机供应商应具备在短时间内交付、应对变化多端的订单数量、快速灵活处理大型项目等能力,并以此作为企业秉承的核心理念。

谈到相机的质量和功能,可靠性和稳定性最为重要。通过严格测试和精确校准,能够确保每一台相机的表现如预期般出色,收集的数据可用于持续管控生产过程。

如果相机的表现未如预期理想,会出现什么情况?不论从生产线还是从客户层面而言,品牌的市场规模和定位通常就能体现出制造商在管理质量问题、迅速分析问题、吸取教训并快速解决问题的能力。