高速数字成像增强传统机器视觉，提升生产质量

机器视觉是多种工业自动化应用中经验证的过程控制工具。传统上，该技术集成现货（COTS）成像传感器、照明模块和处理器，引导、检测或识别生产线移动零件。相比人工操作员，机器视觉系统快速、准确、可重复——改善产品质量、降低废品率、提升快节奏制造环境生产力。

虽然运营效益明确，但高速数字成像进一步扩展机器视觉效益、能力和用例。得益于高分辨率、高帧率和流式传输能力，高速相机使机器视觉应用于需实时分析或长记录时间的挑战性应用，如半导体制造、航天飞机发射、铁路检测等。因此高速机器视觉系统捕捉传统视觉系统无法捕捉的内容，揭示人眼无法看清的过小或过快过程。

高速机器视觉相机关键特性

高速机器视觉相机在几方面区别于传统机器视觉相机。替代COTS或电荷耦合器件（CCD）传感器，高速相机集成专为高速应用设计的互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器。专为高速设计的CMOS传感器提供无与伦比速度和灵敏度，带来机器视觉应用中更详细检测和更高良率，如缺陷检测、零件测量等。集成数百万像素CMOS传感器的高速机器视觉相机在挑战性帧率下实现卓越图像质量。

理想特性

高速机器视觉相机在生命科学应用、弹道测试、3D打印等领域获得青睐。

机器视觉相机不仅要更快；必须设计为能应对高速。除超67,000fps帧率外，选择高速相机用于机器视觉应用时还需考虑以下特性：

分辨率： Phantom机器视觉相机集成高达900万像素CMOS传感器。这些百万像素传感器——结合相机小像素尺寸——在高帧率下产出更详细图像。

感光度： 通常像素尺寸越小，成像细节越丰富——显微镜应用尤为重要。CMOS传感器像素尺寸小至5.6微米，产生高原生ISO。结果这些相机在高速机器视觉应用必要的低曝光时间下仍实现优异图像质量。

曝光时间： Phantom相机曝光时间低至1微秒。此能力——结合高感光度和小像素尺寸——充分冻结高速运动并消除运动模糊。

动态范围： 图像阴影多或主体与背景颜色近似时动态范围发挥作用。相机动态范围越高，传感器能检测更多阴影定义。Phantom机器视觉相机动态范围在54.8至59.7分贝间，适合半导体检测等较暗应用。

除高度定制传感器外，高速机器视觉相机利用铜CoaXPress（CXP）线缆技术，实时将海量数据传输至兼容的工业标准后端帧采集器。这种即时流式传输数据能力避免了先存储到相机有限RAM再下载到计算机的耗时过程。配合现货DVR单元，这些流式相机也支持航空航天等长记录应用，如火箭动力学、飞机动力学、弹道学等。

CXP6协议是目前最快标准数据传输方法。每根铜缆实现从相机到后端接收机6.25Gbps数据传输率。更新的CXP12标准将此速率翻倍，使CXP6和CXP12均适合高吞吐量相机。

得益于感光度和高帧率，高质量流式相机成半导体检测理想选择。

大多数机器视觉相机提供高达2吉像素/秒数据吞吐，世界最快流式相机实现高达9吉像素/秒直接数据传输速度。这些相机按行分割传输图像，再用简单算法拼接每幅图像——使更高帧率和分辨率成为可能。依赖GenICam通用编程接口，这些相机也便于配置和集成到现有系统。

实时与长记录配置

高速机器视觉系统后端配置取决于多个变量，包括所需帧率、分辨率和记录时间。实时分析可利用流式相机上多达16标准CXP6通道。CXP6线缆通信达68米，光纤连接器达200公里。用户也可利用相机通用输入输出（GPIO）进行快速灵活信令同步。

其他硬软件组件包括：

• 应用专用帧采集器和CXP6帧采集卡；
• 软件，含帧采集器API、Matlab®、LABVIEW或任何后处理视觉工具；
• 图像处理硬件，通常为GPU微处理器或FPGA；
• 带PCIe（外设组件互连高速）Gen3插槽的计算机。

大多数高速应用在几百毫秒内完成，但机器视觉应用可能需更长记录时间——如几分钟到半小时——以适应航天飞机发射等事件。为克服此类海量数据存储挑战，高速机器视觉相机可直接流式传输数据到DVR单元，其具多TB空间。这种即插即用设置让用户轻松存储后续分析的输入数据。

拓展传统机器视觉应用

得益于高速机器视觉相机，制造商实现更高分辨率和记录精度成像。这些特性提高线速和产量、减少瓶颈、降低单位成本。同时这些流式相机能捕捉纳米级目标，否则用传统机器视觉相机难以看清——更别提分析——将机器视觉从过程控制工具转变为诊断工具。结果机器视觉在生命科学、半导体制造、制药等行业获青睐。

高速机器视觉最新应用领域包括：

半导体检测： 高速机器视觉相机在半导体制造中扮演越来越重要角色，该行业由吞吐量驱动。具体而言，它们快速识别标记零件缺陷即时出现，降低缺陷相关成本和停机时间、提升吞吐量、将检测时间压至最低。

高质量机器视觉相机在感光度、信噪比和半导体应用所需高帧率间取得必要平衡，通常涉及亚微米尺度。全4,096×2,304分辨率下，Phantom S990流式相机如6.75μm像素尺寸、9.6e-噪声、938fps记录速度，生成高质量图像让成像软件检测指示缺陷的明暗区域细微变化。

高速光谱仪： 用于许多食品饮料、制药、农业应用，高速光谱仪将白光衍射为各波长创建吸收光谱，使检测特定物质存在成为可能。新兴应用涉及用高速机器视觉相机验证药片化学成分。相机记录传送带移动药片。然后基于到达透镜的衍射、吸收、透射光，相机可标记缺陷药片，同时保持生产线运行。

得益于高记录速度和感光度，高速流式相机成此新兴应用理想选择。除提供非接触检测法外，这些相机能轻松在同一视野同时检测数十片药片，提升关键制药操作吞吐量。

流式相机特性

机器视觉流式应用中，图像数据直接通过CXP线缆技术流向帧采集器和PC或长记录DVR。用户可即时访问此数据用于实时应用或长记录，仅受PC或DVR存储量限制。

• 高速流式相机其他特性包括：
• 可配置位深度——8/12位、8/10位
• 部分流式相机由CXP6技术供电，消耗<27伏特
• GenICam合规易于集成
• 兼容PCIe3 CXP6帧采集器
• GPIO提供通用和高级信令功能
• 可扩展数据传输减少数据需求

铁路检测： 高速机器视觉相机有潜力改变铁路系统检测方式。与传统机器视觉相机因雨雪沙尘暴损失宝贵时间不同，流式相机提供高帧率、分辨率和感光度，能透过恶劣天气条件。与大多数相机不同，它们也能处理白光无需额外滤镜。

流式相机其他新兴应用领域包括生命科学如细胞诊断、安瓿识别和溶血；弹道测试；激光焊接；3D打印。

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