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机器视觉技术在成像系统的未来发展

发布时间: 2019-09-27发布者: 浏览量: 88

 机器视觉成像在很大程度上是由性能驱动的。比如我们查找零件的特性、边缘检查、测量等等。性能需求和成本压力导致了基于组件的成像系统。虽然模块化组件可以帮助带来最佳的性能/成本比,但它们也会让用户缺乏从消费成像设备中获得的完全集成的体验。
    相比之下,普通消费者成像设备的世界是由特性、功能和易用性驱动的。一个好的或更好的图像确实很重要,但是图像质量很大程度上是由人眼对整个场景的判断。在映像级别,机器视觉是一个更高的子集,而消费者级别的设备通常不驱动规范。然而,作为一个完整的成像设备或成像系统,安全的普及和各种形式的网络摄像头已经开始影响人们的预期。
    在高端安全和网络相机中,相机、变焦镜头和照明都是一个集成成像系统的一部分。用户可以通过一个通用的界面完全控制图像的所有重要部分,包括摄像机、镜头和照明。相机、镜头和照明子系统之间是可互操作的。用户可以手动对焦,控制光圈设置,如果配备变焦功能,可以调整快门速度等相机设置,还可以设置光强。如果设备启用了web,用户可以通过物联网技术从任何internet接入点远程使用控制界面。
    在典型的机器视觉技术系统中,摄像机、镜头和照明是独立的项目,每个部件都有自己的性能标准。相机主要是C-mount与各种螺纹光学工作。这些镜头通常是手动控制的。照明是一个独立的系统。如果组件之间有任何通信,那么它是特定于供应商的和专有的。尽管相机和照明系统可能都有网络连接用于控制,但如果相机和照明之间需要同步或频闪计时,则必须运行单独的I/O电缆来分发触发信号。即使光学是为远程控制而机动化的,也需要一个镜头控制卡来驱动镜头并感知任何机动轴的位置。现在它有了自己的软件和操作环境。该功能开始接近理想的概念,但让用户远远不能获得预期的完全集成的体验。

用于访问GenICam相机的图层

图1:今天典型的机器视觉系统。摄像机是标准化的,但是镜头和照明系统是通用接口上的专有系统,并被视觉系统软件视为第三方插件。
    在当今大多数机器视觉系统中,摄像机、照明和镜头系统的实现如图1所示。相机是通过GenICam和其中一个物理AIA或JIIA标准以标准化的方式实现的。如果有照明或镜头控制器,它们很可能使用消费标准版本的千兆以太网或USB接口,并将自己作为第三方定制插件呈现给主机软件;不是所有三种设备类型的通用API。
    不过,这种情况正在开始改变。在AIA、EMVA和JIIA标准委员会的活动意味着今天有更多的可能。2017年,由Gardasoft、CCS Inc.和Smart Vision Lights公司领导的一个团队成功地将照明的开端纳入GenICam标准。2019年初,一批制造商成立了先进光学集团,并与GenICam委员会接洽,开始增加光学元件。
    完成后,这项工作将允许GenICam成为相机、镜头和照明之间的一个公共层,并允许这些设备在任何AIA或JIIA标准物理接口上运行;相机链接,GigE视觉,USB视觉,CoaXpress,或相机链接HS。这是一个有前途的发展,使我们更接近理想的愿景-图2。
    当我们讨论集成控制的理想远景和潜在用户的即插即用期望时,还需要注意电源和时间方面的问题。这里讨论的所有接口都提供了接口上的电源,包括USB3和以太网(PoE)。透镜和大尺寸LED灯现在可以通过网络连接由一根电缆可靠地供电。
此外,IEEE 1588精确时间协议(PTP)适用于以太网设备。IEEE 1588 PTP允许网络上的以太网设备共享公共系统时钟之外的定时,从而自动同步事件。GenICam和GigE Vision标准支持IEEE 1588 PTP,但只是可选的。USB Vision和USB3接口还没有类似的功能。然而,它可能在技术上是可行的,并且可以开发。摄像机链接、摄像机链接HS和CoaXpress都是实时的或低延迟的,足以允许跨网络设备之间发送信号。用户讨厌I/O电缆,并在设备之间引发问题。这种情况可能即将结束。
    功能的巩固和GenICam的扩展所带来的好处也可能有助于满足其他方面的期望。如果我们还考虑工业物联网(IIoT)和系统构建者及其用户对智能云连接的需求,那么GenICam也可能被视为IIoT和智能云连接的潜在推动者。IIoT本身是关于设备信息的交换和报告。有许多设备、数据类型和方法可以将这些数据打包并从设备或系统报告给IIoT层。GenICam通过一个名为标准特性命名约定(SFNC)的子组件对设备通信进行标准化。SFNC对设备中每个函数的名称(标签)、控制寄存器和有效范围进行标准化。它可能是包装这些标准响应并将其报告给IIoT层的完美层。

    图2:我们即将提供理想的“完全集成”视觉体验。用户可以拥有基于组件的系统的性能和灵活性,同时还可以受益于跨标准视觉接口的无缝控制。
    将所有这些结合起来,今天所有必要的部分都已经存在,以使基于即插即用组件的机器视觉系统的理想愿景成为现实。这是第一次,用户可以想象购买USB或以太网摄像机、照明设备和镜头,把它们插入供电的集线器,让它们在物理接口上自动同步,并通过一个标准化的API或GUI无缝地控制它们。设想高性能成像组件被控制,就像它们是完全集成的安全或web摄像机一样。这些完全集成的机器视觉系统甚至可能成为具有智能云连接的IIoT网络中的智能系统。
    如果这种机器视觉系统的理想愿景是可能的,那么为什么今天没有一个标准化的答案呢?答案在于,当前的AIA和JIIA接口标准缺乏系统级的方法,实现这里描述的全部功能所需的许多元素仍然是可选的。要真正实现这个理想的愿景,将意味着这里描述的所有元素都必须适用于所有设备和软件。要在当前的接口标准中实现,必须对每个接口进行扩展,以需要所有必要的元素。或者,可以提出一个新的系统级标准,将所有必需的元素放在一起,并定义任何缺失的部分。目前还不清楚这将如何实现。然而,看看可用的部分以及与用户对其视觉系统的期望之间的差距,很难想象这个理想的视觉系统在未来是否存在。

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