對于工業(yè)領域中期待真正高效和低成本的機器視覺系統(tǒng)的工程師來講，不需要再繼續(xù)等待了。高性能和智能圖像感應攝像頭、合適的光照波長、更強的處理能力、更加智能的軟件算法以及先進的通信接口鏈路等一系列技術進步，最終將催生出能夠提高生產(chǎn)率水平、實現(xiàn)更高品質和更可靠的終端產(chǎn)品的系統(tǒng)。

先進的圖像處理算法與多核處理等新興技術的融合，再加上內存成本的不斷下降，為視覺系統(tǒng)廣泛用于更大范圍的工業(yè)自動化應用領域創(chuàng)造了條件(請參見“Successes Mount In The Machine-Vision Market”一文)。這些技術進步推進的常見機器視覺任務包括通過/不通過產(chǎn)品質量評估以及精確的3D檢測。

CMOS進軍CCD領域

由于CMOS成像器成本的暴跌和性能水平的不斷攀升，CMOS攝像機從電荷耦合設備(CCD)成像器中接手了更多的任務。最重要的是，這些不斷縮小的CMOS傳感器攝像頭具有更高的操作靈活性。但是，由于某些工業(yè)應用仍然需要CCD傳感器攝像頭無與倫比的性能，因此CCD傳感器攝像頭并沒有遭到冷落。

典型的高級CCD彩色圖像傳感器有Teledyne Dalsa公司開發(fā)的Genie和Boa攝像頭(圖1)。Genie攝像頭采用高分辨率(1034×779像素)、120幀/s的索尼傳感器，這種傳感器可實現(xiàn)吉比特以太網(wǎng)(GigE)的數(shù)據(jù)傳輸能力，有效傳輸距離長達100米。Boa攝像頭附帶的軟件可以實現(xiàn)從定位機器人處理器到完整裝配驗證等各類應用的可擴展解決方案。

圖1：Teledyne Dalsa公司開發(fā)的高級CCD彩色圖像傳感器Genie(a)和Boa(b)攝像頭代表了兩種最新的機器視覺彩色成像器，
可用于實現(xiàn)工業(yè)檢查和貨品監(jiān)控

CMOS圖像傳感器一般采用40納米工藝以及氧化鉿和氧化鉭等特殊材料，基于300mm的晶圓制成。據(jù)估計，去年圖像傳感器的銷量為17億個。盡管其中一大部分都用在了消費電子產(chǎn)品中，但這些傳感器也開始涉足機器視覺和醫(yī)療成像等應用領域。

據(jù)加拿大Chipworks公司工藝分析師Ray Fontaine表示，CMOS傳感器領域已經(jīng)出現(xiàn)了非常多的創(chuàng)新。他指出，雖然CMOS圖像傳感器一般都需要每個像素四個晶體管，但是新的設計實現(xiàn)了大幅的縮減。事實上，索尼公司(Sony)現(xiàn)在采用的晶體管共享方案可以將每個像素的晶體管總數(shù)降至1.375。

德國弗勞恩霍夫微電子電路和系統(tǒng)研究所(IMS)就是CMOS圖像傳感器性能取得巨大進步的一個例子。研究人員采用0.5μm像素開發(fā)了一款溫度范圍為–40°C至115°C 的CMOS圖像傳感器，從而使其可用于嚴苛的工業(yè)環(huán)境(圖2)。CCD成像器的工作溫度范圍的上限約為60°C。

圖2：CMOS圖像傳感器能夠工作在–40°C至115°C 的溫度范圍，從而可適應嚴苛的工業(yè)環(huán)境

“開發(fā)可在高溫下工作的攝像頭的主要問題在于暗電流的增加，”IMS光學傳感器系統(tǒng)部領導兼項目負責人Werner Brockherde表示。工作溫度上升8°C，暗電流就會翻倍，這會增大電子噪聲，降低攝像頭的動態(tài)范圍，影響在低光照環(huán)境下記錄圖像的能力。此外，產(chǎn)生的贗像或模糊還會降低圖像品質。

應對這個挑戰(zhàn)的關鍵在于隱藏每個像素的光電二極管，在p-n結頂部將兩個p-n結堆疊在一起。這樣，由于p-n結不在表面，研究人員就可以避免表面復合問題，這個問題是產(chǎn)生暗電流的最大因素。

如今，微型CMOS圖像傳感器攝像頭在機器視覺應用中獲得了廣泛的應用，有些已經(jīng)超越了工業(yè)領域的應用范圍。例如，Basler Vision Technologies公司的五百萬像素攝像頭尺寸僅29×29×42mm，具有GigE和以太網(wǎng)供電(PoE)接口(圖3)。

圖3：Basler Vision Technologies公司的微型Ace系列CMOS攝像頭尺寸僅29×29×42mm，
支持GigE和以太網(wǎng)供電(PoE)接口。

該公司表示，這是具有PoE通信能力的同類GigE攝像頭中尺寸最小的一個產(chǎn)品。分辨率范圍為VGA到100幀/s的幀速率下五百萬像素(全分辨率下幀速率為14幀/s)。這種攝像頭最近已獲準用于多種醫(yī)療和交通系統(tǒng)，標價為349歐元。

3D視覺

三維攝像頭技術可以在生產(chǎn)期間測量物體的形狀和色彩，這有助于提高產(chǎn)品質量，降低生產(chǎn)成本。增加色彩功能進一步增加了質量和成本控制優(yōu)勢。

3D機器視覺一般用于水果和蔬菜、木材、化妝品、烘焙食品、電子組件和醫(yī)藥產(chǎn)品的評級。它可以提高合格產(chǎn)品的生產(chǎn)能力，在生產(chǎn)過程的早期就報廢劣質產(chǎn)品，從而減少了浪費。這種功能非常適合用于高度、形狀、數(shù)量甚至色彩等產(chǎn)品屬性的成像。

就像人眼一樣，機器視覺攝像頭所感知的待查產(chǎn)品色彩是有差別的，這取決于照明光源和圖像傳感器類型(及其鏡頭)。大多數(shù)機器視覺系統(tǒng)都提供灰度級產(chǎn)品圖像分析。不過，在某些情況下，彩色機器視覺軟件需要精確地檢測產(chǎn)品圖像的形狀和輪廓。

大多數(shù)彩色攝像頭都由單個采用彩色濾波器陣列或馬賽克的傳感器組成。這種馬賽克一般由以特定模式覆蓋在傳感器像素上的紅、藍、綠(RGB)三色的光學濾波器組成。然后馬賽克通過將原始傳感器數(shù)據(jù)轉換成每個像素的RGB值進行解碼。

更高速度和更高性能的微處理器的出現(xiàn)催生了各種新型機器視覺應用?，F(xiàn)在，機器視覺設計人員正專注于開發(fā)各種用于實現(xiàn)比色法、更好的色度和亮度分解以及彩色馬賽克解碼的獨立于硬件的算法。

同時，他們發(fā)現(xiàn)，除了Advanced Micro Devices和英特爾公司的傳統(tǒng)CPU之外，還有更多的硅處理引擎可供選擇。ASIC、DSP、FPGA和圖形處理單元(GPU)可以為設計人員提供更多軟件算法開發(fā)工具。

Matrox Imaging公司的GatorEye GigE視覺攝像頭就是目前市場上的一款3D CCD彩色成像器(圖4)。由于具有堅固、防塵和可洗的外殼，這種達到IP67級別的工業(yè)攝像頭旨在用于非常嚴苛的環(huán)境。

圖4：Pleora Technoligies GigE視覺標準專門針對實時切換的視頻網(wǎng)絡，支持高達10Gbps的吞吐量。
來自不同供應商的基于以太網(wǎng)的視覺產(chǎn)品能夠無縫組合，從而避免了時間的浪費和昂貴的集成問題。

GatorEye攝像頭具有激光線提取功能：只有圖形的激光線被提取到子像素精度，從而產(chǎn)生相應的位置深度/高度陣列。該激光線隨后被發(fā)送到GigE鏈路，以減輕接口的負載，從而使得控制PC專注于處理待檢產(chǎn)品的測量和分析任務。

該攝像頭針對特定分辨率、幀速率和格式要求設計了六種傳感器配置，提供單色或彩色版本。這些配置包括640×480像素、110幀/s、1/3英寸格式；1280×960像素、22.5幀/s、1/3英寸格式；以及1600×1200像素、15幀/s、1/1.8英寸格式。

至于連接外部設備的能力，GatorEye攝像頭可連接光耦合觸發(fā)輸入、選通輸出、八種通用輸入/輸出(GPIO)以及用于直接驅動LED照明源的控制電流源。此攝像頭采用工業(yè)環(huán)境普遍采用的12至24V直流電源或者PoE電源，采用PoE電源時，電源和以太網(wǎng)流共用一根電纜。

Matrox公司還提供彩色圖像分析軟件。例如，Matrox Design Assistant就是一款綁定了該公司的Iris GT等智能攝像頭的集成式開發(fā)環(huán)境。用戶可以通過構建流程圖，而不是采用Visual Basic、C、C++或C#等語言編寫程序或腳本來創(chuàng)建機器視覺應用。

開發(fā)工作一旦完成，項目(或流程圖)就會被上傳并存儲在Matrox Iris GT的本地位置。然后項目就可以在智能攝像頭上執(zhí)行，而不需要任何PC。事實上，在這種情況下，項目是采用可編程邏輯控制器(PLC)通過以太網(wǎng)鏈路進行監(jiān)測和控制的。

更亮的光源

氣體放電光源由于具有相對平坦的光譜而主導了機器視覺照明市場。不過，由于增強的LED光源具有更亮的輸出、更長的壽命和更加適中的價格，這種格局正在發(fā)生變化。此外，針對LED的輸出波長的一致性和統(tǒng)一性也正在提升，這是機器視覺方案成功的關鍵問題。

機器視覺光源廠商也專注于LED光源。他們正在開發(fā)針對不同用戶階層的光學裝置，這種光學裝置不僅包含成套組件，還包含光源的擴散器和偏光器，可以最好地滿足客戶的需求。

LED驅動器越來越智能是機器視覺照明向LED領域發(fā)展的另一個推動力，有些LED驅動器已與圖像傳感器集成到同一個芯片中。智能的日益增長使光源能夠提供更加精確的光強度控制，并推動LED用于頻閃燈應用，從而獲得更長的LED壽命。

選擇合適的接口

攝像頭技術的不斷提升以及為支持高速和高精度工業(yè)檢測而產(chǎn)生的對更高帶寬的需求給連接攝像頭與控制電腦的接口帶來了越來越大的壓力。過去十年來，CameraLink和GigE這兩種接口標準已經(jīng)有效地滿足了這些需求。IEEE 1394B標準也是如此，不過這種標準具有復雜的布線要求，并且傳輸距離只有幾米。現(xiàn)在，10GigE、CameraLink HS和USB 3.0等新興接口標準有望取而代之(請參見表)。

Pleora Technologies公司的GigE Vision標準已證明該標準可滿足目前的實時交換視頻網(wǎng)絡要求，且支持高達10Gbps的吞吐能力(圖5)。GigE Vision標準可實現(xiàn)不同供應商的以太網(wǎng)視覺產(chǎn)品的無縫集成，可避免任何潛在的集成問題。

該標準可以更加方便地利用以太網(wǎng)平臺固有的性能屬性，比如網(wǎng)絡靈活性、可擴展性、高吞吐能力、長距離傳輸能力和全雙工專用連接。該標準還可以更加輕松地在廣泛使用的價格適中的以太網(wǎng)單元上實現(xiàn)各種應用，這些以太網(wǎng)單元包括交換機、網(wǎng)絡接口芯片/卡以及Cat-5/6或光纖線纜等。此外，其標準化環(huán)境可以實現(xiàn)基于以太網(wǎng)交換架構的新一代網(wǎng)絡視頻應用。

除了接口電路之外，大多數(shù)現(xiàn)代機器視覺數(shù)字攝像頭還內置了真正的圖像采集卡板——這種裝置一般是插在主機電腦的插槽中。圖像采集卡一般接受和處理來自模擬或數(shù)字攝像頭的攝像頭圖像信號。它們一般都附帶模數(shù)轉換器(對于模擬攝像頭而言)、緩沖存儲器和接口電路，主機處理器可以通過接口電路來控制數(shù)據(jù)采集和訪問。

隨著越來越多的攝像頭開始走數(shù)字路線，圖像采集卡板的概念也開始日益模糊，這意味著采集和處理電路可以集成到圖像傳感器所在的外殼中。許多機器視頻專家表示，采用CameraLink和10GigE等更高速率的接口鏈路將對圖像采集卡板市場產(chǎn)生不利影響。這些專家質疑圖像采集卡是否能以其目前的形式和功能繼續(xù)存在。

不過其他機器視覺專家不同意這種觀點，他們指出，模擬攝像頭市場仍然存在這種需求。因此只要這種需求繼續(xù)存在，圖像采集卡就會繼續(xù)提供有用的功能。此外，隨著攝像頭開始向數(shù)字領域演進，圖像采集卡產(chǎn)品也正在順應時勢，提供更專業(yè)的功能。這些功能包括緩沖、控制、處理、帶寬和確定性。這些專家普遍感覺到，由于工作效率高和易于理解，許多OEM仍在繼續(xù)采用基于過去技術的圖像采集卡。

應該指出的是，GigE、IEEE 1394和USB 2.0等一些不需要圖像采集卡的接口標準存在著固有的局限性。雖然這些標準是網(wǎng)絡兼容或者總線兼容的標準，允許多個機器視覺攝像頭連接至同一個接口，但是必須采用適當?shù)拇_定機制，以便攝像頭能夠共用同一個總線，避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突。

這意味著人為地產(chǎn)生了延遲或不可預測性，而這可能是一些應用無法接受的。單從這一個原因來看，圖像采集卡也會與機器視覺攝像頭和接口的技術進步繼續(xù)共存下去。以此類推，新型圖像采集卡也正在緊跟機器視覺的發(fā)展步伐，以便更好地滿足機器視覺應用的需求。

比利時Euresys A.B.公司的GrabLink系列就是這樣一個例子(圖6)。該系列的版本包括GrabLink Base、Grab-Link Dual Base和GrabLink Full，分別適用于基本幀、中等幀和全幀CameraLink接口。這些圖像采集卡可以提供板上處理能力，比如三個查找表操作器和Bayer CFA解碼器。此外，其廣泛的I/O線路可與各種傳感器和編碼器兼容。

GrabLink Full板支持另外兩個版本。它支持10-tap CCD攝像頭，提供64位處理能力的四通道PCI Express總線。該板針對用于打印、網(wǎng)絡和平板顯示檢測以及3D和生產(chǎn)檢測等應用的高端、高速和高分辨率的面掃描和線掃描傳感器。

機器視覺市場正在走向成功

MarketsandMarkets公司發(fā)表的一篇標題為“2010-2015年的全球機器視覺和視覺導引機器人市場”的新報告預計，全球機器視覺系統(tǒng)和元器件市場將以9.3%的年復合增長率(CAGR)增長(見圖)，到2015年市場總額將達到153億美元。攝像頭和智能攝像頭元器件將占這種增長的四分之一以上。該報告稱，亞太地區(qū)以兩位數(shù)的增長主導全球機器視覺市場，北美地區(qū)則緊隨其后。

自動化成像協(xié)會(AIA，全球唯一的全球機器視覺貿易組織)進行的一項研究與上述預估意見一致。該研究指出，機器視覺銷量的增長率應為2.6%至4.6%，具體取決于目前的經(jīng)濟復蘇情況和工業(yè)生產(chǎn)領域的變化率。這種增長是繼2009年出現(xiàn)29.2%的下降之后發(fā)生的，這種下降更多地體現(xiàn)的是最近“大衰退”所產(chǎn)生的后果。

由于今年一月頒布了食品安全現(xiàn)代化法案，對更多機器視覺應用的需求將出現(xiàn)更加火爆的增長。該法案要求食品加工行業(yè)(無論是國內還是海外食品供應商)應該具有更高級別的產(chǎn)品可追溯性，這最終將有助于提高公眾健康水平。

該法案的規(guī)定包括根據(jù)要求向美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)提供更多訪問食品加工設備相關記錄的權力。其目的在于提高食品來源的跟蹤力度，而公眾健康問題正是由問題食品引起的。美國食品藥品監(jiān)督管理局將在加工行業(yè)的配合下，開發(fā)出有效跟蹤和追蹤水果和蔬菜的新方法，從而確保任何有問題的產(chǎn)品都可以安全及時地找出。機器視覺軟件將在這個過程中發(fā)揮關鍵作用。