八相機(jī)系統(tǒng)方案
摘要：
隨著機(jī)器視覺的發(fā)展，單相機(jī)系統(tǒng)在機(jī)器視覺中的局限性越來越明顯，多相機(jī)系統(tǒng)已成為機(jī)器視覺發(fā)展的趨勢。針對單相機(jī)系統(tǒng)的局限，本文提出了以千兆以太網(wǎng)工業(yè)相機(jī)組成的八相機(jī)機(jī)器視覺應(yīng)用方案。該方案成功解決了單相機(jī)系統(tǒng)的局限性，能同時(shí)檢測多個(gè)目標(biāo)，且已有成功應(yīng)用案例。
關(guān)鍵詞：多相機(jī)系統(tǒng)、機(jī)器視覺、千兆以太網(wǎng)
1、引言
國內(nèi)自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展為機(jī)器視覺帶來了更為廣闊的市場空間，而機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心部件工業(yè)相機(jī)也同樣得到巨大的發(fā)展。因此，高性價(jià)比的多相機(jī)機(jī)器視覺系統(tǒng)顯得極為重要。
多相機(jī)系統(tǒng)中各相機(jī)可以相互獨(dú)立的工作，對產(chǎn)品進(jìn)行不同角度的檢測。目前，多相機(jī)系統(tǒng)在立體監(jiān)控、工業(yè)檢測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，比如：半導(dǎo)體和LED行業(yè)的集成和封裝設(shè)備制造、多表面檢測、晶體行業(yè)等。
限制多相機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)瓶頸為計(jì)算機(jī)資源占用率和帶寬。目前，市面已有四相機(jī)系統(tǒng)。該類相機(jī)在一定程度上克服了多相機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，可以同步采集圖像，也可工作于觸發(fā)模式，但該類相機(jī)系統(tǒng)在應(yīng)用上仍存在一定的局限性，即只能從四個(gè)角度進(jìn)行圖像采集，當(dāng)目標(biāo)需要采集的圖像多于四個(gè)面的時(shí)候，該類相機(jī)系統(tǒng)有一定局限性。比如煙盒包裝檢測系統(tǒng)，需要檢測煙盒的六個(gè)面，如采用四相機(jī)系統(tǒng)，則需要兩組相機(jī)系統(tǒng)，兩臺電腦，增加了成本。針對四相機(jī)系統(tǒng)只能從四個(gè)角度進(jìn)行圖像采集或只能檢測四個(gè)目標(biāo)的缺陷，本方案提出了可以從八個(gè)方向采集圖像或者可以同時(shí)檢測八個(gè)目標(biāo)的八相機(jī)系統(tǒng)。
2、相機(jī)選型
常用的工業(yè)相機(jī)的接口類型通常有：USB、IEEE1394、千兆以太網(wǎng)（GigE）?，F(xiàn)有的USB接口類型包括USB2.0和USB3.0，USB2.0的帶寬為40MB，傳輸距離5m，主要特點(diǎn)：易用，成本低，無標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但穩(wěn)定性差；USB3.0的帶寬400MB，傳輸距離3m，有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，但成本很高。1394a/1394b帶寬為40MB/80MB，傳輸距離4.5m，主要特點(diǎn)： CPU占用低，適用于多相機(jī)場合，有標(biāo)準(zhǔn)的DCAM協(xié)議，但長距離傳輸價(jià)格高。GigE的帶寬為100MB，傳輸距離100m，主要特點(diǎn)：傳輸距離遠(yuǎn)，線纜價(jià)格低，但CPU占用稍高，對主機(jī)要求配置較高。
從上分析可知，各接口的主要特點(diǎn)如下：USB接口相機(jī)主要存在穩(wěn)定性差，帶寬沒保證、CPU占用率高和不適合長距離傳輸?shù)娜毕荨?394帶寬較USB2.0寬，但長距離傳輸價(jià)格高。在當(dāng)前計(jì)算機(jī)配置越來越高的環(huán)境下，主機(jī)的配置已不是GigE的局限，此外，GigE接口傳輸距離遠(yuǎn)，線纜價(jià)格低，非常適合長距離多相機(jī)場合。綜合對比各接口類型的特點(diǎn)和本方案的實(shí)際需求情況，本方案采用GigE做為相機(jī)接口。
3、系統(tǒng)組成及測試結(jié)果分析
3.1 系統(tǒng)組成
以GigE為接口的八相機(jī)機(jī)器視覺系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、華用科技千兆以太網(wǎng)接口工業(yè)相機(jī)等組成。系統(tǒng)采用兩塊四通道的千兆以太網(wǎng)的PCI-E卡，八個(gè)相機(jī)通過千兆以太網(wǎng)接口跟計(jì)算機(jī)通信。八臺相機(jī)獨(dú)立工作，互不干擾，用戶可以根據(jù)需求選擇相應(yīng)的相機(jī)(彩色/黑白，分辨率，幀率)。 在本次測試中采用的是HV500GM相機(jī)，該相機(jī)為500萬像素的黑白工業(yè)相機(jī)，當(dāng)采用全分辨率2592*1944時(shí)最高幀率為14fps。該相機(jī)體積只有33.3mmx32.6mmx52.3mm，重量輕，采用鋁合金材料外殼，堅(jiān)固耐用，散熱良好， 特別適合尺寸受限的場合。圖1為華用工業(yè)相機(jī)。
圖1 華用工業(yè)相機(jī)
3.2 測試結(jié)果及分析
在本次測試中采用的電腦配置如下：
處理器：intel(R) core i7-3770k 主頻3.5GHz；
內(nèi)存：4G；
系統(tǒng)：WindowsXP。
測試1
打開四個(gè)相機(jī)，運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。從測試結(jié)果可以看出，四個(gè)相機(jī)都能在全分辨率最高幀率14fps下正常工作。在運(yùn)行時(shí)，CPU占有率<8%，內(nèi)存使用約為145M。
圖2 四個(gè)相機(jī)以14fps運(yùn)行結(jié)果
測試2
同時(shí)打開八個(gè)相機(jī)，以14fps采集圖像時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。從測試結(jié)果可以看出，八個(gè)相機(jī)不能同時(shí)工作。
圖3 八個(gè)相機(jī)以14fps運(yùn)行結(jié)果
測試中，屏幕為白色的部分表示相機(jī)沒有工作。從測試1和測試2可以看出，測試1中四個(gè)相機(jī)可以以14fps同時(shí)正常工作，但測試2中八個(gè)相機(jī)不能以14fps同時(shí)正常工作，有兩個(gè)相機(jī)沒有工作。在測試中2592*1944分辨率時(shí)一張圖片大小為2592*1944/1024/1024=4.8M。在測試1中，當(dāng)只接四個(gè)相機(jī)以14fps采集圖像時(shí)，占用帶寬為4.8*14*4=269M，四個(gè)相機(jī)可以同時(shí)工作。在測試2中，當(dāng)采用八個(gè)相機(jī)同時(shí)以14fps采集圖像時(shí)，占用帶寬為4.8*14*8=538M，八個(gè)相機(jī)不能同時(shí)工作。四個(gè)相機(jī)時(shí)占用的帶寬為269M，八個(gè)相機(jī)占用的帶寬為538M，八個(gè)相機(jī)不能全部工作可能是由于帶寬不夠的原因。為了確認(rèn)是否帶寬的影響，再進(jìn)行一次測試。
測試3
同時(shí)打開八個(gè)相機(jī)，以1fps采集圖像時(shí)，運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。從測試結(jié)果可以看出，八個(gè)相機(jī)不能同時(shí)工作。
圖4 八個(gè)相機(jī)以1fps運(yùn)行結(jié)果
從測試3可以看出，八個(gè)相機(jī)以1fps時(shí)，有一個(gè)相機(jī)不能正常工作(屏幕為白色的部分)。在這次測試中，八個(gè)相機(jī)占用的帶寬為4.8*1*8=38.4M，這帶寬是小于四個(gè)相機(jī)以14fps采集圖像時(shí)占用的269M的帶寬的。從以上分析可以看出，帶寬不是決定八個(gè)相機(jī)能否同時(shí)工作的唯一因素。
針對前三次測試時(shí)產(chǎn)生的問題，本方案提出了一種能使八個(gè)相機(jī)均能正常工作的方法。測試4為對該方法的驗(yàn)證結(jié)果。
測試4
采用本方案的方法，打開八個(gè)相機(jī)，運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。從測試結(jié)果可以看出八個(gè)相機(jī)能穩(wěn)定工作，采集非常好，運(yùn)行時(shí)CPU占用率<12%,內(nèi)存使用約為220M。
圖5 采用本方案的方法八相機(jī)運(yùn)行結(jié)果
從上分析可知，當(dāng)只接四個(gè)相機(jī)時(shí)，能使相機(jī)采集速度最快，而接八個(gè)相機(jī)時(shí)，則需適當(dāng)降低采集速度。用戶可根據(jù)實(shí)際情況，使某些相機(jī)采集速度低一些，而另一些相機(jī)采集速度高一些。此外，華用科技千兆網(wǎng)系列工業(yè)相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)與Labview、MIL、Halcon、OpenCV等第三方視覺開發(fā)軟件無縫鏈接。
4 行業(yè)應(yīng)用案例
目前該方案已在工業(yè)檢測等行業(yè)內(nèi)得到了較為廣泛的應(yīng)用。已成功應(yīng)用于SMT貼片機(jī)，LED固晶機(jī)，隧道檢測儀等。
4.1 SMT貼片機(jī)應(yīng)用案例
貼片機(jī)是用來實(shí)現(xiàn)高速、高精度的貼放元器件的設(shè)備，是整個(gè)SMT生產(chǎn)中最關(guān)鍵的設(shè)備。本公司開發(fā)的八相機(jī)系統(tǒng)現(xiàn)已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)某公司的SMT貼片機(jī)。圖6為八相機(jī)系統(tǒng)在SMT貼片機(jī)上的應(yīng)用。
圖6 八相機(jī)系統(tǒng)的SMT貼片機(jī)
貼片機(jī)選擇其中兩個(gè)相機(jī)用于PCB基板的定位，另外六個(gè)相機(jī)進(jìn)行貼片定位，可同時(shí)貼六片芯片，大大的提升了貼片速度。
4.2 隧道檢測儀
隧道檢測儀主要用于檢測隧道內(nèi)部是否存在安全隱患。目前，八相機(jī)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于隧道檢測儀。圖7為八相機(jī)系統(tǒng)在隧道檢測儀上的應(yīng)用。
圖7 八相機(jī)系統(tǒng)在隧道檢測儀上的應(yīng)用
該設(shè)備裝備了八個(gè)相機(jī)，當(dāng)設(shè)備從隧道中通過時(shí)，八個(gè)相機(jī)從八個(gè)角度對隧道內(nèi)部進(jìn)行圖像采集。從而避免了一些位置出現(xiàn)圖像采集不到的情況。
5 結(jié)束語
多相機(jī)應(yīng)用是機(jī)器視覺發(fā)展的趨勢，具有良好的應(yīng)用前景。相對于單相機(jī)，多相機(jī)有著無可替代的優(yōu)勢，多相機(jī)應(yīng)用將在工業(yè)測量、檢測等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。
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