2D视觉系统选型

2D视觉系统选型2D视觉系统选型明确客户需求硬件选型流程图相机选型计算相机分辨率计算相机帧率相机数据接口镜头选型镜头靶面FA镜头焦距选型远心镜头焦距选型补充镜头知识单像元分辨率单像素精度通过目标的运动速度计算相机曝光时间镜头接口镜头光圈与F#光源选型光源的作用和选型步骤光源颜色选型举例线阵相机和镜头选型线阵与面阵线阵与面阵区别线阵相机的特性线扫相机的选型线阵相机参数线扫相机的选型计算实例一计算实例二物距安装高度和检测幅宽行频调整线阵镜头选型线阵镜头参数镜头接口类型相机与镜头搭配注意事项线阵镜头的选型选型案例一选型案例二2D视觉系统选型明确客户需求视觉项目通常都是针对一个具体产品实现识别、定位、检测等功能项目开展的第一步是向客户了解需求只有详细、准确的了解客户需求、项目信息才能为后续实现视觉功能提供依据、支撑、指引。视觉项目的客户需求一般包含以下几个方面1.检测范围检测目标的外形尺寸当目标有不同规格时按照客户需求考虑兼容性2.检测精度最小缺陷尺寸定位精度、组装精度3.安装空间高度方向空间如镜头、光源的工作距离范围水平方向的空间如光源直 径范围4.检测速度生产或检测单个产品的时间或者单位时间内生产或检测产品的个数5.目标运动速度当飞拍或线阵相机应用场景时目标相对于相机的运动速度6.检测准确率漏检率和过检率7.检测目标特性检测目标的颜色、形状、粗糙度等8.性价比。以使用表格的形式梳理、记录客户需求示例如下图需求搜集表所示硬件选型流程图明确客户需求后可参考如下选型流程图进行相机、镜头、光源的选型相机选型相机选型流程图如下图所示相机型号由型号系列、相机分辨率、帧率/行频、通信接口、颜色组成分别对应的客户需求的输入信息计算相机分辨率分辨率选型计算需要的输入信息是检测范围、检测精度。一、通过检测目标尺寸计算视野范围FOV计算公式视野范围1.2~1.5×检测目标尺寸计算示例检测目标尺寸为100mm×50mm求视野范围计算结果1.2×【100mm×50mm】【120mm×60mm】1.5×【100mm×50mm】【150mm×75mm】视野范围FOV【120mm×60mm】~【150mm×75mm】二、通过视野范围FOV和检测精度计算相机分辨率用R表示相机分辨率相机横纵方向像元的数量如2448×2048用FOV表示视野范围用l表示检测精度最小缺陷尺寸或定位组装精度用n表示最小特征的像元个数n≥2通常为2个或3个像素计算公式RFOV/l×n计算示例100mm×50mm的检测目标检测0.1mm的缺陷计算相机分辨率。计算结果长边像元个数≈1.2至1.5×100/0.1×22400至3000短边像元个数≈1.2至1.5×50/0.1×21200~1500选型实例MV-CA050-10GM2448×20482400×1200理论上满足条件。计算相机帧率帧率FPS/行频帧率是面阵相机每秒钟拍照的张数行频是线阵相机每秒钟拍照的行数1.帧率选型需要输入检测速度2.行频计算需要输入运动速度和像素像元精度3.像素精度计算需要输入视野范围FOV和相机分辨率一、通过检测速度计算帧率计算公式帧率检测速度;计算示例检测速度每秒定位10个工件(单个工件视觉定位时间0.1s)求帧率计算结果帧率10注计算帧率时应包含软件处理图像所需时间1/(拍照时间处理时间) 检测速度。二、通过检测速度计算行频通过视野范围FOV和相机分辨率计算像素精度计算公式像元精度FOV/相机分辨率计算示例视野范围409.6mm相机分辨率8K8192求像素精度计算结果像素精度409.6/81920.05mm通过目标运动速度和像素精度计算行频计算公式行频运动速度/像素精度计算示例像素精度0.05mm,运动速度1m/s求行频计算结果行频(1m/s) /0.05mm20KHz注意曝光时间1/行频,否则会影响实际行频。相机数据接口相机数据通信接口有GigE、USB3.0、10GigE、CameraLink、CoaXPress等等如下图常见相机接口所示不同通信接口通信距离和通信速度不同最常用的是GigE相机。镜头选型如下图所示为镜头选型流程图定焦镜头型号由型号系列、焦距、分辨率组成远心镜头型号由型号系列、倍率、工作距离组成镜头靶面镜头选型一般遵循两个原则镜头像方分辨率与相机相匹配镜头的靶面尺寸需要大于等于相机靶面尺寸下图镜头与相机靶面尺寸示意图所示从左至右依次是镜头靶面尺寸等于相机Sensor尺寸镜头靶面尺寸小于相机Sensor尺寸镜头靶面尺寸大于相机Sensor尺寸。左边的图1/3靶面的sensor 传感器最合适的肯定是配1/3靶面的镜头中间的图如中间的图。镜头面积小于传感器sensor上的四周会有光线盲点所呈现出来的图像 四周就会是黑的俗称暗角黑影。右边的图镜头覆盖面积大于传感器这样虽然不会像中间的图一样产生暗角但明显镜头的性能被浪费了这种情况其实也不可取。FA镜头焦距选型焦距f选型计算输入信息相机靶面尺寸S、视野范围FOV、镜头工作距离WD范围。一、通过相机分辨率和像元尺寸计算相机靶面尺寸计算公式相机靶面尺寸S相机分辨率×像元尺寸计算示例相机分辨率【2448×2048】像元尺寸3.45um求靶面尺寸计算结果MV-CA050-11GM相机【2448×2048】×3.45um【8.45mm×7.1mm】。二、通过检测范围计算视野范围FOV上文已做介绍。三、工作距离WD的范围为客户需求输入信息四、相机靶面尺寸S、通过视野范围FOV、工作距离WD和镜头焦距。基础公式S/FOVf/WD;计算公式fS/FOV×WD;计算示例相机靶面尺寸【8.45mm×7.1mm】视野范围【120mm×60mm】工作距离355mm求镜头焦距?计算结果f8.45mm/120mm×355mm25mm。远心镜头焦距选型倍率β选型输入信息相机靶面尺寸S、视野范围FOV、镜头工作距离WD范围。计算公式βS/FOVf/WD计算示例视野范围FOV【10mm×5mm】最小检测缺陷20um相机MV-CA013-20GM靶面尺寸【6.144mm×4.915mm】WD80mm计算结果β6.144/100.6144选型实例MVL-HT-05-110满足要求实际视野范围FOV6.144/0.512.288mm镜头分辨率12.61um工作距离110mm。补充镜头知识单像元分辨率单像素精度单像素精度是表示视觉系统综合精度的指标表示一个像元对应检测目标的实际物理尺寸是客户重点关注的视觉系统参数计算公式1单像素精度视野范围FOV/相机分辨率计算示例视野范围横向120mm相机分辨率横向2448求单像素精度计算结果单像素精度120/24480.04902mm计算公式2单像元精度像元尺寸/镜头放大倍率β计算示例像元尺寸3.45um镜头放大倍率β0.07求单像素精度计算结果单像元精度3.45/0.0703849.02um通过目标的运动速度计算相机曝光时间在面阵相机飞拍场景和线阵相机的应用场景时经常需要计算相机的曝光时间因为在目标运动场景中曝光时间过长会导致图像模糊曝光时间计算输入信息单像素精度、检测目标的运动速度。计算公式曝光时间n×像素精度/运动速度n表示允许n个像素的模糊带。计算示例像素精度6.9um目标运动速度1m/s求曝光时间计算结果曝光时间6.9/16.9us像素精度越高目标运动速度越快则曝光时间越短对光源的亮度要求越高所以飞拍或线阵相机场景需要高亮光源或者频闪光源瞬间大电流实现高亮度。当极限光源亮度仍不能满足需求时可适当加大相机增益值但需信号和噪声会被同时放大镜头接口在进行镜头选型过程中需要注意镜头和相机的机械接口相匹配工业镜头常见的机械接口如下M12、C/CS、F、M42×1、M58×0.75、M72×0.75。镜头光圈与F#镜头的光圈是镜头通光量的参数光圈大小用F#表示。F#越小表示镜头内部光阑的通光孔径越大、进入镜头的光越多图像越亮同时分辨率越高F#越大光阑的通光孔径越小图像越暗但景深越大。光源选型光源选型流程图如下图所示光源的作用和选型步骤一.什么是适合的光源突出目标增强图像对比度锐化图像减少图像过度像素过滤干扰降低图像处理 难度稳定性适应大批量产品的个体差异性图像效果稳定。二.什么是好的成像效果对比度要求目标与背景灰度值一般相差30以上过渡像素满足精度检测要求均匀性要求图像整体灰度均匀不均匀但灰度差不影响图像处理真实性与颜色有关的需要颜色真实亮度适中不过度曝光背景尽量淡化。三.光源选型步骤光源选型步骤如下图正常选型流程所示初选光源的步骤分析目标与背景的颜色(灰度)差异如果存在明显的颜色差异、材质差异或者特殊材质时优先选择红、绿、蓝、红外、紫外等光源。如果目标与背景没有明显的颜色特征时常用白光光源。分析目标与背景的形状差异如果目标与背景存在明显的形状差异比如台阶边缘、斜面、弧面等可以选择高角度和低角度明场、暗场光源方案。虽然两种打光方式会产生灰度相反的图像但都能够突出目标应保证安装高度可根据安装空间选取适合的光源避免光源处在中间位置分析目标与背景的粗糙度差异如果目标与背景有粗糙度的差异打亮“粗糙平面”和“镜面平面”目标大面积光源如面光穹顶光无影光是很好的选择。如果需要打亮背景就需要使用低角度暗场光源了。分析其他因素对目标产生的干扰例如环境光干扰、反光等情况需要根据设备实际情况进行分析对于反光通常可采用偏振的方法过滤反光。注意:只有镜面平面产生的反光才能被偏振片过滤。光源颜色选型的原理吸收与反射色环不同材质反射差异光源颜色选型的应用增加对比度。根据目标亮度是否大于背景亮度增加目标与背景对比度有两种不同的方法如下图正增加对比度所示光源颜色选型举例检测绿色纸盒上的白色字符白色字符是目标黑色字符和绿色是背景目标亮度大于背景亮度。由于目标的亮度已经很高所以选用降低背景亮度的方法使用背景的相对色照明绿色的相对色是红色选用红光光源具体效果如下图绿色纸盒白色字符效果图所示参考2D视觉系统选型线阵相机和镜头选型线阵与面阵线阵与面阵区别线阵相机的特性线扫相机的选型线阵相机参数行频(Acquisition Line Rate)即相机每秒钟输出的图行数。在自由运行模式下行频自行设定在触发模式下行频与输入的行信号有关。行高(Height)行高是指拼成一帧图像所需要的行数即一帧图像的纵向分辨率。帧率行高线阵相机的帧率与行频成正比与行高成反比关系。即帧率行频/行高线扫相机的选型计算分辨率幅宽/最小检测精度每行需要的像素图A幅宽被拍摄物图B幅宽被拍摄物图C幅宽≈被拍摄物 确定像素精度幅宽/像素数像素精度确定行频每秒运动速度/像素精度理想行频根据分辨率与行频选定相机计算实例一需求幅宽为1800毫米、客户要求精度1毫米、运动速度25000mm/s相机1800/11800像素最少2000像素选定为2k相机。如想提高清晰度则可用2-5个像素表达1mm则在现有像素值上乘以2-5倍。像素精度1800/20480.9理想行频25000mm/0.9mm27.8KHz选择实际行频大于27.8KHz的2K相机即可计算实例二物距安装高度和检测幅宽针对上面选型有如下问题线阵相机选型这里选择8K以上使用时候是否通过调整高度保证所有像素刚好覆盖检测幅宽否则是不是会出现部分像素拍的不是检测幅宽内的内容是的核心就是用物距安装高度镜头焦距把光学视场FOV对到检测幅宽。但一般不会、也不必让8K每一颗像素都刚好卡死在400mm 上。线阵相机一条线就是传感器那一排像素。FOV线方向≈单像素物面尺寸×有效像素数FOV刚好400mm8192点全用在幅宽上物面精度约400/8192≈0.049mm/pix比算出来的0.067mm更细这是最“吃满分辨率”的用法。FOV大于400mm两边有像素拍到幅宽外机架、导边、空白。软件ROI裁掉即可幅宽内精度会变粗一点。FOV小于400mm两边布料拍不全这才是问题不能靠“裁像素”补。所以不是“8K就必须全部像素都拍检测区”而是FOV至少要盖住400mm多出来的像素可以不用。高度怎么调高度物距是调FOV的主要手段之一升相机→FOV变大→mm/pix变粗降相机→FOV变小→mm/pix变细还要配镜头焦距。焦距定了再用高度微调。选型时通常先定机械允许的工作距离传感器靶面宽度8K线阵大约几十mm量级看具体型号目标FOV400mm再加一点余量→反推焦距装机后再微调高度/对焦。实际怎么用更稳很少把FOV卡成精确400.00mm常见是光学FOV做成410–430mm跑偏、安装公差、边缘畸变软件只取中间对应400mm的像素确认裁完后有效精度仍≤0.067mm/pix例如FOV420mm、用满8K420/8192≈0.051mm/pix仍满足0.2mm缺陷用3个像素。若FOV拉到550mm550/8192≈0.067mm/pix刚好卡在计算值余量就没了。4K为什么不够400/4096≈0.098mm/pix0.2mm缺陷大约只有2个像素比他们按3像素算的要求差所以才上8K。8K的余量就是给你FOV略大于400mm、又不掉精度用的。行频调整首先设定以下变量Hc线阵相机的线数如2K4K8K16K等单位pixelLo目标物的幅宽单位mmVo目标物运行速率单位mm/sVc线阵相机线扫描速率单位Hz即 线/sPH横向精度(每个像素代表的实际宽度单位mm横向扫描精度目标物的幅宽/线阵相机的线数即PHLo/HcPL纵向精度(每个像素扫描的实际长度单位mm纵向扫描精度目标物运行速率/线阵相机线扫描速率即PLVo/Vc要想成像条件好需要横向分辨率和纵向分辨率相等Lo/HcVo/Vc相机的线扫描速率为Vc (Hc ×Vo)/Lo其中Hc是线阵相机的线数 Lo目标物的幅宽Vo目标物运行速率。线阵镜头选型线阵镜头参数法兰距相机接口定位面到像面的距离机械后截距镜头最后的机械面到像面的距离光学后截距镜头最后端镜片表面顶点到像面的距离镜头接口类型工业相机中有各种不同直径或法兰距的相机相应地存在与其匹配的多种镜头。镜头接口相机和镜头的连接处通常有C口、 CS口、 K口和F口等相机与镜头搭配注意事项线阵镜头的选型选型案例一选型案例二参考线阵相机和镜头选型案例介绍线阵相机及镜头选型方法简介选型与参数计算