提高生产质量：高速数字成像增强传统机器视觉

机器视觉是一种经过验证的过程控制工具，适用于各种工业自动化应用。传统上，该技术集成了商用现成 (COTS) 成像传感器、照明模块和处理器，以在零件沿着生产线移动时引导、检查或识别零件。与人类操作员相比，机器视觉系统快速、准确且可重复，可在快节奏的制造环境中提高产品质量、降低废品率并提高生产率。

虽然运营优势显而易见，但高速数字成像进一步扩展了机器视觉的优势、功能和用例。凭借其高分辨率、快速帧速率和流媒体功能，高速相机可在需要实时分析或长时间记录时间的挑战性应用中实现机器视觉，例如半导体制造、航天飞机发射、铁路检查等。由于这些原因，高速机器视觉系统可以捕获传统视觉系统无法捕获的内容，从而揭示肉眼无法看到的太小或太快的过程。

高速机器视觉相机的主要特性

高速机器视觉相机在几个方面与传统机器视觉相机不同。高速相机集成了定制设计的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 传感器，取代了 COTS 或电荷耦合器件 (CCD) 传感器。当专为高速应用而设计时，CMOS 传感器可提供无与伦比的速度和灵敏度，从而在缺陷检测、零件测量等机器视觉应用中实现更详细的检查和更高的产量。配备了数百万像素 CMOS 传感器的高速机器视觉相机即使在具有挑战性的帧速率下也能实现卓越的图像质量。

理想的功能

高速机器视觉相机在生命科学应用、弹道测试、3D 打印等领域正在取得进展。

机器视觉相机仅仅速度更快是不够的；它们必须被设计来处理它。除了超过 67,000 fps 的快速帧速率之外，在为机器视觉应用选择高速相机时，还需要牢记以下功能：

分辨率： Phantom 机器视觉相机采用高达 9 兆像素的 CMOS 传感器。这些数百万像素的传感器与相机的小像素尺寸相结合，可以以较快的帧速率生成更详细的图像。

光敏感度： 一般来说，像素尺寸越小，成像细节越多，这在需要显微镜的应用中尤其重要。 CMOS 传感器的像素尺寸小至 5.6 微米，从而实现高原生 ISO。因此，尽管高速机器视觉应用所需的曝光时间较短，但这些相机仍能实现出色的图像质量。

曝光时间： Phantom 相机的曝光时间低至 1 微秒。此功能连同高光灵敏度和小像素尺寸，可充分冻结高速运动，同时消除运动模糊。

动态范围： 当图像有很多阴影，或者主体的颜色与其背景几乎相同时，动态范围就会发挥作用。相机的动态范围越高，传感器可以检测到的阴影清晰度就越高。 Phantom 机器视觉相机的动态范围在 54.8 至 59.7 分贝之间，适合半导体检测等较暗的应用。

除了高度定制的传感器之外，高速机器视觉相机还利用铜 CoaXPress (CXP) 电缆技术，使其能够将大量数据实时传输到兼容的行业标准后端图像采集卡。这种即时传输数据的能力避免了在将数据下载到计算机之前将数据保存到相机有限的 RAM 中的耗时过程。当与现成的 DVR 单元结合使用时，这些流媒体摄像机还支持航空航天领域的长时间记录应用，例如火箭动力学、飞机动力学和弹道学等。

CXP6协议是目前最快的标准数据传输方法。每根铜缆可实现从摄像机到后端接收器每秒 6.25 吉比特的数据传输速率。最新的 CXP12 标准使该速率加倍，使 CXP6 和 CXP12 成为需要高吞吐量的相机的理想选择。

由于其光灵敏度和快速帧速率，高质量流媒体相机非常适合半导体检测。

虽然大多数机器视觉相机可提供高达每秒 2 吉像素的数据吞吐量，但世界上最快的流媒体相机可实现高达每秒 9 吉像素的直接数据传输速度。这些相机按行分割和传输图像，然后使用简单的算法将每个图像拼接在一起，从而使更高的帧速率和分辨率成为可能。通过依靠通用编程接口 GenICam，这些相机还可以方便地进行配置并集成到现有系统中。

实时配置与长记录配置

高速机器视觉系统中的后端配置取决于许多变量，包括所需的帧速率、分辨率和记录时间。为了进行实时分析，用户可以利用流媒体摄像机上多达 16 个标准 CXP6 通道。 CXP6 电缆可实现长达 68 米的通信距离，而光纤连接器可实现长达 200 公里的更远距离。用户还可以利用相机的通用输入/输出 (GPIO) 来实现快速、灵活的信号发送和同步。

其他硬件和软件组件包括：

• App专用图像采集卡和CXP6图像采集卡；

• 软件，包括图像采集卡 API、Matlab®、LABVIEW 或任何后处理视觉工具；

• 图像处理硬件，通常是GPU微处理器或FPGA；

• 具有 PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）Gen3 插槽的计算机。

虽然大多数高速应用在数百毫秒内完成，但机器视觉应用可能需要更长的记录时间（例如几分钟到半小时）以适应航天飞机发射等事件。为了克服与如此大量数据相关的存储挑战，高速机器视觉相机可以将数据直接传输到具有多个 TB 空间的 DVR 单元。这种即插即用的设置使用户可以轻松存储传入的数据以供稍后分析。

扩展传统机器视觉应用

得益于高速机器视觉相机，制造商可以实现更高分辨率和记录精度的成像。这些功能提高了生产线速度和产量，减少了瓶颈并降低了单位成本。同时，这些流媒体相机可以捕获使用传统机器视觉相机很难看到的纳米级目标，更不用说分析了，从而将机器视觉从过程控制工具转变为诊断工具。因此，机器视觉在生命科学、半导体制造、制药等行业越来越受欢迎。

高速机器视觉的一些最新应用领域包括：

半导体检查： 高速机器视觉相机在半导体制造这个由吞吐量驱动的行业中发挥着越来越重要的作用。具体来说，他们可以在零件缺陷出现时立即识别和标记零件缺陷，从而降低与缺陷相关的成本和停机时间，提高吞吐量，并将检查时间降至最低。

高质量机器视觉相机在半导体应用（通常涉及亚微米尺寸）所需的光灵敏度、信噪比和快速帧速率之间取得必要的平衡。例如，Phantom S990 流媒体摄像头的全分辨率为 4,096 × 2,304，具有 6.75 μm 像素尺寸、9.6e 噪声和 938 fps 记录速度，生成高质量图像，使成像软件能够检测指示缺陷的明暗区域之间的细微变化。

高速光谱仪： 高速光谱仪用于许多食品和饮料、制药和农业应用，将白光衍射成各种波长以产生吸收光谱，从而可以检测某些材料的存在。这一过程的一项新兴应用涉及使用高速机器视觉相机验证药片的化学成分。摄像机记录平板电脑沿着传送带移动的过程。然后，根据到达镜头的衍射、吸收和透射光，相机可以标记有缺陷的药片，同时保持生产线的运转。

由于其快速记录速度和光敏感性，高速流媒体摄像机非常适合这种新兴应用。除了提供非接触式检查方法外，这些相机还可以轻松地同时检查同一视野内的数十片药片，从而提高关键制药操作的吞吐量。

流媒体相机功能

在机器视觉流应用中，图像数据通过 CXP 电缆技术直接流向图像采集卡和 PC 或长记录 DVR。用户可以立即访问这些数据以进行实时应用或长期记录，并且仅受 PC 或 DVR 中的存储量的限制。

• 高速流媒体摄像机的其他功能包括：

• 可配置位深度—8/12 位、8/10 位

• 采用 CXP6 技术，适用于一些功耗低于 27 伏的流媒体

• GenICam 合规性，易于集成

• 与 PCIe3 CXP6 图像采集卡的兼容性

• GPIO 提供常见和高级信号功能

• 可扩展数据传输以减少数据需求

铁路检查： 高速机器视觉相机有可能改变铁路系统的检查方式。与传统的机器视觉相机不同，传统的机器视觉相机在一年中会因雨、雪或沙尘暴而浪费宝贵的时间，而流媒体相机提供了在恶劣的天气条件下进行观察所必需的高帧速率、分辨率和光灵敏度。与大多数相机不同的是，它们无需使用额外的镜头滤镜即可处理白光。

流媒体摄像机的其他新兴应用领域包括生命科学，例如细胞诊断；小瓶识别和溶血；弹道测试；激光焊接；和3D打印。

本文由 Vision Research（新泽西州韦恩）视觉应用工程师 Uma Gobena 撰写。如需了解更多信息，请访问此处。