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【行業】視覺感測器

阿新 • • 發佈：2020-09-03

目錄

1. 什麼是視覺感測器

視覺感測器幾大技術要點詳解！

基恩士

康耐視

歐姆龍：影象處理系統

Basler

Balluff

傳統來說，視覺感測器是 鏡頭+控制板

的簡單組合。但隨著微控制器效能的提升，對高清鏡頭的支援飛速提升，同時，隨著邊緣計算的效率不斷提升，視覺感測器已經從 機器視覺系統 的前端部分，演變成了完整的嵌入式裝置。所以現在的”視覺感測器“概念更加寬泛。

機器視覺系統 的組成：

  • 軟體
    • 嵌入式系統
    • 專用影象處理軟體
  • 硬體
    • 視覺感測器
      • 影象感測器
        • 鐳射掃描器
        • 線陣和麵陣CCD攝像頭
        • 數字攝像機
      • 整合光源
      • 處理器
      • 通訊模組
    • 整合主機板
    • 核心處理器

特徵：

  • 高整合度：配備外設
  • 安裝靈活：一般獨立為嵌入式裝置
  • 易用：軟體完成度高，現裝現用
  • 維護：穩定的可用性，一般不需要開機除錯

2. 使用場景

通過機器視覺，代替人工的檢測領域。以及定位、智慧計算等場景。

  • 檢測，代替人工

    檢測注射器中橡膠包裝是否存在或有缺陷

  • 計數

    識別不均勻混合物缺陷或藥片數量

  • 尺寸測量

    檢測產品箱尺寸

  • 輔助定位

    機械手視覺

  • 3D測量

3. 同類競品

3.1. 傳統的視覺感測器

視覺感測器是整個機器視覺系統資訊的直接來源（採集影象），主要由一個或者兩個圖形感測器組成。視覺感測器的主要功能是獲取足夠的機器視覺系統要處理的最原始影象。

  1. 小型低質就是它的標籤
  2. 往往需要另行配置光源
  3. 功能單一，難以進行復雜的工作
  4. 解析度很低，往往只能進行有無的判斷，無法進行量化計算

3.2. 工業相機

工業相機俗稱攝像機，相比於傳統的民用相機而言，它具有高的影象穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，相機結構緊湊結實不易損壞，連續工作時間長，可在較差的環境下使用。

  1. 工業相機只能用於影象採集，不具備影象處理能力，必須配合:
    • 工控機及作業系統
    • 業務實現軟體
    • 如不具備光源，還需要新增外接的光源
  2. 不具備產品針對性，需要專業人員除錯安裝
  3. 往往不包含正版的開發軟體
  4. 開發工作複雜，一般需要在特定作業系統和特定開發語言下進行

工業相機與民用相機的區別:

  1. 工業相機的效能穩定可靠易於安裝，相機結構緊湊結實不易損壞，連續工作時間長，可在較差的環境下使用，一般的數碼相機是做不到這些的。例如：讓民用數碼相機一天工作24小時或連續工作幾天肯定會受不了的。
  2. 工業相機的快門時間非常短，可以抓拍高速運動的物體。
  3. 工業相機的影象感測器是逐行掃描的，而普通的相機的影象感測器是隔行掃描的，逐行掃描的影象感測器生產工藝比較複雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數公司能夠提供這類產品，例如Dalsa、Sony，而且價格昂貴。
  4. 工業相機的幀率遠遠高於普通相機。
    工業相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機只能拍攝2-3幅影象，相差較大。
  5. 工業相機輸出的是裸資料(raw data)，其光譜範圍也往往比較寬，比較適合進行高質量的影象處理演算法，例如機器視覺(Machine Vision)應用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜範圍只適合人眼視覺，並且經過了mjpeg壓縮，影象質量較差，不利於分析處理。
  6. 工業相機(Industrial Camera)相對普通相機(DSC)來說價格較貴。

3.3. AOI檢測裝置

AOI檢測裝置通過高清CCD攝像頭自動掃描PCBA產品，採集影象，測試的檢測點與資料庫中的合格的引數進行比較，經過影象處理，檢查出目標產品上的缺陷，並通過顯示器或自動標誌把缺陷顯示/標示出來，供維修人員修整和SMT工程人員改善工藝。

  1. 價格昂貴，動輒幾萬十幾萬
  2. 體積龐大，需要佔用單獨的工位執行檢測
  3. 除錯安裝的週期較長，維護往往需要聯絡原廠
  4. 軟體不易升級，裝置一旦採購了，往往很難改變應用場景

3.4. 新式的視覺感測器

3.4.1. 基恩士

  • 高效的軟體演算法

    基恩士的嵌入端運算元向來計算高效，執行穩定。其視覺感測器預配備了以下功能：顏色、形狀、邊緣、直徑、寬度、節距、字元識別等，可通過簡單的場景設定，快速解決已上問題。

  • 最先進的硬體配置

    • 高亮度 Hi-R 照明

    • 抑制影象失真的高效能 HP-Quad 透鏡

    • 偏光鏡: 降低高反光工件的光暈影響

    • 圓型照明輔助附件

  • 智慧化的硬體自動匹配

    • 亮度自動調節

    • 高速、高精度自動對焦

  • AI: 自動應對環境變化

    • 抑制環境光

    • 油汙

    • 位置偏移

    • 表面的偏差

3.4.2. 康耐視

3.4.3. *OpenMV

4. 行業分析

5. 市場策略

6. 行業應用案例

  • 工業檢測
  • 包裝檢測
  • 汽車自主導航
  • 汽車車身視覺檢測系統
  • 鋼管直線度、截面尺寸線上視覺測量系統

  • 檢測包裝的印刷和標記

  • 檢測包裝容器的數量

  • 檢測保險絲盒生產線中繼電器的顏色

  • 檢測車輪等部件的形狀

  • 檢測化妝品包裝列印情況

  • 檢測火花塞等部件形狀

  • 檢測零件缺陷

  • 檢測汽車零部件的形狀

  • 檢測容器的密封性

  • 檢測食品生產日期的印刷

  • 確認注塑截止日期

7. 效能引數

  • 動態範圍

    動態範圍決定系統能夠抓取的影象的質量，也被稱作對細節的體現能力。

    • 感測器能夠工作的曝光範圍（亮度的倍數）
    • 其次是感測器能夠數字化畫素訊號的電平的數量，用位數表示

  • 速度

    感測器的速度指的是每秒鐘感測器能夠產生多少張影象和系統能夠接收到的影象的輸出量。

    • 幀頻，也就是感測器傳送畫素資料到系統所需要的時間。
    • 感測器為了採集一幅有用的影象所需的曝光時間。

  • 響應度

    響應度指的是感測器將光子轉換為電子的效率，它決定系統需要抓取有用的影象的亮度水平。

7.1. 動態範圍

感測器的動態範圍一定程度上決定機器視覺系統所產生的影象質量，位數越高，系統能夠分辨的影象的細節就越細微。對更低的暗電流噪音和高精度的需求的日益提高，使感測器的成本變得越來越昂貴。然而，不是所有的應用都需要精細的影象。

例如，郵包分揀或電子生產檢查，8位的動態範圍就可以有效地工作。但是，醫療和空中偵察就需要14位的動態範圍。

7.2. 速度

幀頻永遠都不會比曝光時間快，因此幀頻是用來說明感測器效能的通用量值。

當成像的物體處於運動狀態時，為防止出現影象模糊，必須要求高的採集速度。因此對於高輸出量的檢測系統和對高速運動物體的成像應用需要高速的感測器。

7.3. 響應度

應用中所需的幀頻越高，用於曝光的時間就越少。為了減少曝光時間，設計師需要增加光照的亮度，如果不增加亮度，就只能選擇高響應度的感測器。

響應度是指在給定的曝光條件下，所產生的訊號的強度（V）。在影象感測器中，有三個因素控制響應度：第一是量子的效率，或者說是每個光子所產生的電子的數量。第二個要素是儲存電荷（q）的感測器輸出電路的電容（C）的大小，電荷的訊號電壓公式是V=q/C。第三個要素是感測器的輸出放大器增益。如果感測器在與噪音等量的曝光水平下執行時，增益本身並不能提高感測器的響應度。

7.4. 關聯

速度和動態範圍是相互關聯的，為了快速地傳送影象，感測器必須快速地對每一個畫素的資料進行數字化。這就意味著模擬到數字轉換器需要快速地形成一個穩定的輸出。

從物理層面和設計角度上講，速度應該讓步於動態範圍。電路執行的速度越快，產生的熱量就越多。感測器的暗電流噪音隨著溫度的增加而增加，因此感測器的速度越高，其噪音就越大，動態範圍就越低。高速的感測器比低速的感測器的噪音更大，而且能提供的動態範圍更低。

開發人員在為他們的機器視覺系統選購感測器時，必須在動態範圍，速度和響應度這三個關鍵要素之間做出取捨。高速度和低光照度將導致噪音增加並降低動態範圍。在動態範圍允許的情況下，對成像細節的高要求也需要提高光照強度以彌補較低的響應度。感測器本身所具有的物理屬性，不可避免地要在這三項關鍵要素之間做出平衡。

以上提到的三項關鍵要素並不是構成感測器選擇的唯一考量，另外還有兩項重要的因素：感測器的解析度和畫素間距，其中任何一項都能夠影響影象的質量，並且與上述三項關鍵要素相互作用。

7.4.1. 解析度

解析度是指由多少個畫素構成一幅影象，它是反映感測器尺寸和畫素間距的量值。應用所需要的感測器的解析度決定於幾項相關的要素：包括視野、工作距離、感測器大小和畫素間距以及系統所要求的採集空間細節所需的畫素的數量等。感測器的解析度越高，其時鐘必須執行得越快，以獲得需要的幀頻。因此，感測器的解析度對速度有非常大的影響。

7.4.2. 畫素間距

畫素間距定義單個畫素區域的大小，與感測器的大小共同作用來決定感測器的解析度。由於感測器通常只有有限的大小可選，所以畫素的間距越小，其解析度就越高。畫素間距能夠影響響應度，但是間距越小，每個畫素能夠採集光子的活動區域就越小。

7.5. 影象曝光的原理

曝光的動態範圍表示感測器能夠正常工作的亮度水平。當光子撞擊影象感測器的活動畫素區域時產生電子，感測器將其捕獲並存儲起來以備系統讀取。撞擊活動區域的光子數越多，產生的電子數就越多，在讀取的間隔中，該過程持續的時間越長，被儲存的電子就越多。決定感測器曝光動態範圍的引數之一就是填充儲存阱的曝光。製造感測器的半導體加工工藝和電路設計共同決定阱的容量或深度。

電子噪音是感測器能夠工作的最低曝光水平，儘管沒有任何光子撞擊活動的畫素區域，影象感測器也將以熱量發射的形式產生電子。要產生可識別的訊號，必須有足夠的光子撞擊活動的畫素區域，以便在儲存阱中有比暗電流噪音所產生的電子數更多的電子。感測器的最低曝光率是產生至少與噪音電子同樣多的光電子數。只有在超過噪音等量的曝光水平時，感測器才能產生有用的資訊。

感測器的曝光動態範圍是由其物理和電路設計所決定的功能，而數字動態範圍只是由電路設計所決定的功能。影象感測器的數字動態範圍只是說明它能夠提供給視覺系統的明顯的曝光值。8位的感測器有256個灰度級，10位的有1024個，以此類推。表示動態範圍的位數並不是反映感測器能夠響應的最高曝光的必須要素，但是這兩者通常是相對應的。

比暗電流噪音水平小的等量的訊號度不能產生有用的資訊，類似地，如果數字化值大於感測器的最大訊號值，也不會產生額外的資訊。在實踐中，感測器需要設計成等量訊號度與暗電流噪音水平等值，並有足夠訊號步進度達到飽和的曝光訊號水平。按此方式設計，感測器的數字動態範圍與其曝光動態範圍說明的是同一事物：飽和等量曝光與噪音等量曝光的比率。

8. 3D視覺感測器

9. 結語

隨著全球製造中心向中國轉移，2019年中國已成為繼北美、歐洲之後，全球第三大機器視覺應用市場。

目前，工業是機器視覺應用比重最大的領域，在工業機器人視覺下游應用中，又以消費電子製造和汽車製造為主，兩者分別應用佔比為46.6%和10.2%。

工業機器視覺在消費電子製造中應用包括晶圓切割、3C 表面檢測、觸控式螢幕製造、AOI 光學檢測、PCB 印刷電路、電子封裝等;在汽車製造中的應用包括車身裝配檢測、面板印刷和質量檢測、字元檢測、零件尺寸的精密測量、工業零部件表面缺陷檢測等。

未來，隨著消費電子類產品，如手機，電腦等等組裝生產過程中的引導、測量、檢測等相關需求的不斷湧現，我國工業機器視覺市場規模也將保持25%以上的年增長速度。

提供更好的產品和服務，是合傑願同各位一道，追求的目標和方向。

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