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關于視覺傳感器的工作原理、應用和選型

視覺傳感技術是傳感技術七大類中的一個,視覺傳感器是指通過對攝像機拍攝到的圖像進行圖像處理,來計算對象物的特征量(面積、重心、長度、位置等),并輸出數據和判斷結果的傳感器。視覺傳感器是整個機器視覺系統信息的直接來源,主要由一個或者兩個圖形傳感器組成,有時還要配以光投射器及其他輔助設備。視覺傳感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圖像。


視覺傳感的工作原理


視覺源于生物界獲取外部環境信息的一種方式,是自然界生物獲取信息的最有效手段,是生物智能的核心組成之一。人類80%的信息都是依靠視覺獲取的,基于這一啟發研究人員開始為機械安裝“眼睛”使得機器跟人類一樣通過“看”獲取外界信息,由此誕生了一門新興學科——計算機視覺,人們通過對生物視覺系統的研究從而模仿制作機器視覺系統,盡管與人類視覺系統相差很大,但是這對傳感器技術而言是突破性的進步。視覺傳感器技術的實質就是圖像處理技術,通過截取物體表面的信號繪制成圖像從而呈現在研究人員的面前。


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視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數以千計的像素。圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來衡量,以像素數量表示。在捕獲圖像之后,視覺傳感器將其與內存中存儲的基準圖像進行比較,以做出分析。例如,若視覺傳感器被設定為辨別正確地插有八顆螺栓的機器部件,則傳感器知道應該拒收只有七顆螺栓的部件,或者螺栓未對準的部件。此外,無論該機器部件位于視場中的哪個位置,無論該部件是否在 360 度范圍內旋轉,視覺傳感器都能做出判斷視覺傳感技術的出現解決了其他傳感器因場地大小限制或檢測設備龐大而無法操作的問題,由此廣受工業制造界的歡迎。


視覺傳感技術包括3D視覺傳感技術,3D視覺傳感器具有廣泛的用途,比如多媒體手機、網絡攝像、數碼相機、機器人視覺導航、汽車安全系統、生物醫學像素分析、人機界面、虛擬現實、監控、工業檢測、無線遠距離傳感、顯微鏡技術、天文觀察、海洋自主導航、科學儀器等等。這些不同的應用均是基于3D視覺圖像傳感器技術。特別是3D影像技術在工業控制、汽車自主導航中具有急迫的應用。


智能視覺傳感技術也是一種視覺傳感技術,智能視覺傳感技術下的智能視覺傳感器也稱智能相機,是近年來機器視覺領域發展最快的一項新技術。智能相機是一個兼具圖像采集、圖像處理和信息傳遞功能的小型機器視覺系統,是一種嵌入式計算機視覺系統。它將圖像傳感器、數字處理器、通訊模塊和其他外設集成到一個單一的相機內,由于這種一體化的設計,可降低系統的復雜度,并提高可靠性。同時系統尺寸大大縮小,拓寬了視覺技術的應用領域。


智能視覺傳感器的易學、易用、易維護、安裝方便,可在短期內構建起可靠而有效的視覺檢測系統等優點使得這項技術得到飛速的發展。視覺傳感器的圖像采集單元主要由CCD/CMOS像機、光學系統、照明系統和圖像采集卡組成,將光學影像轉換成數字圖像,傳遞給圖像處理單元。


視覺傳感技術的應用


一、汽車車身視覺檢測系統


車身成型是汽車制造的關鍵工序之一,對車身的各項指標要求嚴格,需對車身進行100%的檢測。傳統的車身檢測方法是利用三坐標測量機,其操作復雜,速度慢,工期長,只能進行抽檢。通常,車身的關鍵尺寸主要是擋風玻璃尺寸、車門安裝處棱邊位置、定位孔位置等。因此視覺傳感器分布于這些位置附近,測量其相應的棱邊、孔、表面的空間位置尺寸。在生產線上設計測量工位,車身定位后,置于一框架內,框架由縱橫分布的金屬柱、桿構成,可根據需要在框架上靈活安裝視覺傳感器。根據測量點的數量可安裝相應數量的視覺傳感器,(通常情況下每個視覺傳感器測量一個被測點),根據不同形式的傳感器包括雙目立體視覺傳感器、輪廓傳感器等多種類型。


測量系統工作過程為:由生產線運送車身到測量工位進行準確定位,然后傳感器按要求順序開始工作,計算機采集檢測點圖像并進行處理,計算出被測點的空間三維坐標,計算值與標準值比對,得出檢測結果,并將車身送出測量工位。


二、截面尺寸在線視覺測量系統


在工業生產中,無縫鋼管是一類重要的工業產品,而它的質量參數則是制造的重要數據,其中鋼管的直線度及截面積是主要的幾何參數,是控制無縫鋼管制造質量的關鍵,但由于以下原因使得參數的測量成為難題:


1、無縫鋼管采取非接觸式測量,且制造現場環境惡劣;


2、無縫鋼管的空間尺寸大,這也要求檢測系統具備很大的測量空間。視覺傳感技術的出現解決了上述問題,視覺傳感技術采用的是非接觸式測量且測量范圍大。


測量系統由多個結構光傳感器組成,傳感器上結構光投射器投射的光平面和被測鋼管相交,得到鋼管截面圓周上的部分圓弧,傳感器測量部分圓弧在空間中的位置。系統中每一個傳感器實現一個截面上部分圓弧的測量,通過適當的數學方法,由圓弧擬合得到截面尺寸和截面圓心的空間位置,由截面圓心分布的空間包絡,得到直線度參數。測量系統在計算機的控制下,可在數秒內完成測量,滿足實時性要求。


三、三維形貌視覺測量


在三維形貌數字化測量技術是逆向工程和產品數字化設計、管理及制造的基礎支撐技術。它所實現三維形貌數字化測量的機理是將視覺非接觸、快速測量和最新的高分辨力數字成像技術相結合。由于所測量的物體多是大型、具有復雜表面的物體,測量通常分為局部三維信息獲取和整體拼接兩部分,先利用視覺掃描傳感器對被測形貌各個局部區域進行測量,再采用拼接技術將各部分形貌進行拼接最終得到完整圖像。


這項傳感器的視覺掃描測頭采用局域雙目立體視覺測量原理設計。形貌整體拼接實質上是將所采集到的數據放到公共坐標上,這樣就能得到整體的數據描述。通過高分辨率數碼相機從測量空間的上方以不同的角度和位置對被測量進行數據收集,運用光束定向交匯平差原理得到控制點空間坐標并建立全局坐標系,最后通過各個坐標系進行關聯、轉換,完成數據拼接。


如何選擇視覺傳感器?


目前,如何選擇機器視覺傳感器在當代的應用可謂是越來越廣泛,如何選擇機器視覺傳感器是值得我們好好學習的,現在我們就深入了解如何選擇機器視覺傳感器。相機是機器視覺系統的眼睛,而相機的心臟是圖像傳感器。傳感器的選擇取決于準確性、輸出、靈敏度、機器視覺系統的成本以及對應用要求的充分理解。對傳感器主要性能的基本理解能夠幫助開發人員迅速縮小他們的查找范圍,找到合適的傳感器。


大多數的機器視覺系統的用戶認識到相機是系統的關鍵要素,經常把它當作視覺系統的“芯片”。相機本身是一個復雜的系統:包括鏡頭、信號處理器、通訊接口,以及最核心的部分——把光子轉換成電子的器件:圖像傳感器。鏡頭和其它的部件共同配合來支持相機的功能,傳感器最終決定相機的最高性能。


業內的許多討論都集中在加工技術上,以及CMOS和CCD傳感器孰優孰劣。這兩種技術都有其優勢和不足之處,所加工的傳感器有著不同的性能。最終用戶關心的不是傳感器是“如何”被制造出來的,而是其在最終應用中的表現。


在指定的應用中,三個關鍵的要素決定了傳感器的選擇:動態范圍、速度和響應度。動態范圍決定系統能夠抓取的圖像的質量,也被稱作對細節的體現能力。傳感器的速度指的是每秒鐘傳感器能夠產生多少張圖像和系統能夠接收到的圖像的輸出量。響應度指的是傳感器將光子轉換為電子的效率,它決定系統需要抓取有用的圖像的亮度水平。傳感器的技術和設計共同決定上述特征,因此系統開發人員在選擇傳感器時必須有自己的衡量標準,詳細的研究這些特征,將有助于做出正確的判斷。