【行业】视觉传感器

目录

• 1. 什么是视觉传感器
• 2. 使用场景
• 3. 同类竞品
  • 3.1. 传统的视觉传感器
  • 3.2. 工业相机
  • 3.3. AOI检测设备
  • 3.4. 新式的视觉传感器
    • 3.4.1. 基恩士
    • 3.4.2. 康耐视
    • 3.4.3. *OpenMV
• 4. 行业分析
• 5. 市场策略
• 6. 行业应用案例
• 7. 性能参数
  • 7.1. 动态范围
  • 7.2. 速度
  • 7.3. 响应度
  • 7.4. 关联
    • 7.4.1. 分辨率
    • 7.4.2. 像素间距
  • 7.5. 图像曝光的原理
• 8. 3D视觉传感器
• 9. 结语

1. 什么是视觉传感器

视觉传感器几大技术要点详解！

基恩士

康耐视

欧姆龙：图像处理系统

Basler

Balluff

传统来说，视觉传感器是 镜头+控制板 的简单组合。但随着单片机性能的提升，对高清镜头的支持飞速提升，同时，随着边缘计算的效率不断提升，视觉传感器已经从 机器视觉系统 的前端部分，演变成了完整的嵌入式设备。所以现在的”视觉传感器“概念更加宽泛。

机器视觉系统 的组成：

• 软件
  • 嵌入式系统
  • 专用图像处理软件
• 硬件
  • 视觉传感器
    • 图像传感器
      • 激光扫描器
      • 线阵和面阵CCD摄像头
      • 数字摄像机
    • 集成光源
    • 处理器
    • 通讯模块
  • 集成主板
  • 核心处理器

特征：

• 高集成度：配备外设
• 安装灵活：一般独立为嵌入式设备
• 易用：软件完成度高，现装现用
• 维护：稳定的可用性，一般不需要开机调试

2. 使用场景

通过机器视觉，代替人工的检测领域。以及定位、智能计算等场景。

• 检测，代替人工

  检测注射器中橡胶包装是否存在或有缺陷

  

• 计数

  识别不均匀混合物缺陷或药片数量

  

• 尺寸测量

  检测产品箱尺寸

  

• 辅助定位

  机械手视觉

  

• 3D测量

3. 同类竞品

3.1. 传统的视觉传感器

视觉传感器是整个机器视觉系统信息的直接来源（采集图像），主要由一个或者两个图形传感器组成。视觉传感器的主要功能是获取足够的机器视觉系统要处理的最原始图像。

1. 小型低质就是它的标签
2. 往往需要另行配置光源
3. 功能单一，难以进行复杂的工作
4. 分辨率很低，往往只能进行有无的判断，无法进行量化计算

3.2. 工业相机

工业相机俗称摄像机，相比于传统的民用相机而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等，相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可在较差的环境下使用。

1. 工业相机只能用于图像采集，不具备图像处理能力，必须配合:
   • 工控机及操作系统
   • 业务实现软件
   • 如不具备光源，还需要添加外置的光源
2. 不具备产品针对性，需要专业人员调试安装
3. 往往不包含正版的开发软件
4. 开发工作复杂，一般需要在特定操作系统和特定开发语言下进行

工业相机与民用相机的区别:

1. 工业相机的性能稳定可靠易于安装，相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可在较差的环境下使用，一般的数码相机是做不到这些的。例如：让民用数码相机一天工作24小时或连续工作几天肯定会受不了的。
2. 工业相机的快门时间非常短，可以抓拍高速运动的物体。
3. 工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通的相机的图像传感器是隔行扫描的，逐行扫描的图像传感器生产工艺比较复杂，成品率低，出货量少，世界上只有少数公司能够提供这类产品，例如Dalsa、Sony，而且价格昂贵。
4. 工业相机的帧率远远高于普通相机。
   工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅图片，而普通相机只能拍摄2-3幅图像，相差较大。
5. 工业相机输出的是裸数据(raw data)，其光谱范围也往往比较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法，例如机器视觉(Machine Vision)应用。而普通相机拍摄的图片，其光谱范围只适合人眼视觉，并且经过了mjpeg压缩，图像质量较差，不利于分析处理。
6. 工业相机(Industrial Camera)相对普通相机(DSC)来说价格较贵。

3.3. AOI检测设备

AOI检测设备通过高清CCD摄像头自动扫描PCBA产品，采集图像，测试的检测点与数据库中的合格的参数进行比较，经过图像处理，检查出目标产品上的缺陷，并通过显示器或自动标志把缺陷显示/标示出来，供维修人员修整和SMT工程人员改善工艺。

1. 价格昂贵，动辄几万十几万
2. 体积庞大，需要占用单独的工位执行检测
3. 调试安装的周期较长，维护往往需要联系原厂
4. 软件不易升级，设备一旦采购了，往往很难改变应用场景

3.4. 新式的视觉传感器

3.4.1. 基恩士

• 高效的软件算法

  基恩士的嵌入端算子向来计算高效，运行稳定。其视觉传感器预配备了以下功能：颜色、形状、边缘、直径、宽度、节距、字符识别等，可通过简单的场景设置，快速解决已上问题。

• 最先进的硬件配置

  • 高亮度 Hi-R 照明

  

  • 抑制图像失真的高性能 HP-Quad 透镜

  

  • 偏光镜: 降低高反光工件的光晕影响

  

  • 圆型照明辅助附件

  

• 智能化的硬件自动匹配

  • 亮度自动调节

  

  • 高速、高精度自动对焦

  

• AI: 自动应对环境变化

  • 抑制环境光

  

  • 油污

  

  • 位置偏移

  

  • 表面的偏差

  

3.4.2. 康耐视

3.4.3. *OpenMV

4. 行业分析

5. 市场策略

6. 行业应用案例

• 工业检测
• 包装检测
• 汽车自主导航
• 汽车车身视觉检测系统
• 钢管直线度、截面尺寸在线视觉测量系统

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• 检测包装的印刷和标记

  

• 检测包装容器的数量

  

• 检测保险丝盒生产线中继电器的颜色

  

• 检测车轮等部件的形状

  

• 检测化妆品包装打印情况

  

• 检测火花塞等部件形状

  

• 检测零件缺陷

  

• 检测汽车零部件的形状

  

• 检测容器的密封性

  

• 检测食品生产日期的印刷

  

• 确认注塑截止日期

  

7. 性能参数

• 动态范围

  动态范围决定系统能够抓取的图像的质量，也被称作对细节的体现能力。

  • 传感器能够工作的曝光范围（亮度的倍数）
  • 其次是传感器能够数字化像素信号的电平的数量，用位数表示

• 速度

  传感器的速度指的是每秒钟传感器能够产生多少张图像和系统能够接收到的图像的输出量。

  • 帧频，也就是传感器传送像素数据到系统所需要的时间。
  • 传感器为了采集一幅有用的图像所需的曝光时间。

• 响应度

  响应度指的是传感器将光子转换为电子的效率，它决定系统需要抓取有用的图像的亮度水平。

7.1. 动态范围

传感器的动态范围一定程度上决定机器视觉系统所产生的图像质量，位数越高，系统能够分辨的图像的细节就越细微。对更低的暗电流噪音和高精度的需求的日益提高，使传感器的成本变得越来越昂贵。然而，不是所有的应用都需要精细的图像。

例如，邮包分拣或电子生产检查，8位的动态范围就可以有效地工作。但是，医疗和空中侦察就需要14位的动态范围。

7.2. 速度

帧频永远都不会比曝光时间快，因此帧频是用来说明传感器性能的通用量值。

当成像的物体处于运动状态时，为防止出现图像模糊，必须要求高的采集速度。因此对于高输出量的检测系统和对高速运动物体的成像应用需要高速的传感器。

7.3. 响应度

应用中所需的帧频越高，用于曝光的时间就越少。为了减少曝光时间，设计师需要增加光照的亮度，如果不增加亮度，就只能选择高响应度的传感器。

响应度是指在给定的曝光条件下，所产生的信号的强度（V）。在图像传感器中，有三个因素控制响应度：第一是量子的效率，或者说是每个光子所产生的电子的数量。第二个要素是存储电荷（q）的传感器输出电路的电容（C）的大小，电荷的信号电压公式是V=q/C。第三个要素是传感器的输出放大器增益。如果传感器在与噪音等量的曝光水平下运行时，增益本身并不能提高传感器的响应度。

7.4. 关联

速度和动态范围是相互关联的，为了快速地传送图像，传感器必须快速地对每一个像素的数据进行数字化。这就意味着模拟到数字转换器需要快速地形成一个稳定的输出。

从物理层面和设计角度上讲，速度应该让步于动态范围。电路运行的速度越快，产生的热量就越多。传感器的暗电流噪音随着温度的增加而增加，因此传感器的速度越高，其噪音就越大，动态范围就越低。高速的传感器比低速的传感器的噪音更大，而且能提供的动态范围更低。

开发人员在为他们的机器视觉系统选购传感器时，必须在动态范围，速度和响应度这三个关键要素之间做出取舍。高速度和低光照度将导致噪音增加并降低动态范围。在动态范围允许的情况下，对成像细节的高要求也需要提高光照强度以弥补较低的响应度。传感器本身所具有的物理属性，不可避免地要在这三项关键要素之间做出平衡。

以上提到的三项关键要素并不是构成传感器选择的唯一考量，另外还有两项重要的因素：传感器的分辨率和像素间距，其中任何一项都能够影响图像的质量，并且与上述三项关键要素相互作用。

7.4.1. 分辨率

分辨率是指由多少个像素构成一幅图像，它是反映传感器尺寸和像素间距的量值。应用所需要的传感器的分辨率决定于几项相关的要素：包括视野、工作距离、传感器大小和像素间距以及系统所要求的采集空间细节所需的像素的数量等。传感器的分辨率越高，其时钟必须运行得越快，以获得需要的帧频。因此，传感器的分辨率对速度有非常大的影响。

7.4.2. 像素间距

像素间距定义单个像素区域的大小，与传感器的大小共同作用来决定传感器的分辨率。由于传感器通常只有有限的大小可选，所以像素的间距越小，其分辨率就越高。像素间距能够影响响应度，但是间距越小，每个像素能够采集光子的活动区域就越小。

7.5. 图像曝光的原理

曝光的动态范围表示传感器能够正常工作的亮度水平。当光子撞击图像传感器的活动像素区域时产生电子，传感器将其捕获并存储起来以备系统读取。撞击活动区域的光子数越多，产生的电子数就越多，在读取的间隔中，该过程持续的时间越长，被存储的电子就越多。决定传感器曝光动态范围的参数之一就是填充存储阱的曝光。制造传感器的半导体加工工艺和电路设计共同决定阱的容量或深度。

电子噪音是传感器能够工作的最低曝光水平，尽管没有任何光子撞击活动的像素区域，图像传感器也将以热量发射的形式产生电子。要产生可识别的信号，必须有足够的光子撞击活动的像素区域，以便在存储阱中有比暗电流噪音所产生的电子数更多的电子。传感器的最低曝光率是产生至少与噪音电子同样多的光电子数。只有在超过噪音等量的曝光水平时，传感器才能产生有用的信息。

传感器的曝光动态范围是由其物理和电路设计所决定的功能，而数字动态范围只是由电路设计所决定的功能。图像传感器的数字动态范围只是说明它能够提供给视觉系统的明显的曝光值。8位的传感器有256个灰度级，10位的有1024个，以此类推。表示动态范围的位数并不是反映传感器能够响应的最高曝光的必须要素，但是这两者通常是相对应的。

比暗电流噪音水平小的等量的信号度不能产生有用的信息，类似地，如果数字化值大于传感器的最大信号值，也不会产生额外的信息。在实践中，传感器需要设计成等量信号度与暗电流噪音水平等值，并有足够信号步进度达到饱和的曝光信号水平。按此方式设计，传感器的数字动态范围与其曝光动态范围说明的是同一事物：饱和等量曝光与噪音等量曝光的比率。

8. 3D视觉传感器

9. 结语

随着全球制造中心向中国转移，2019年中国已成为继北美、欧洲之后，全球第三大机器视觉应用市场。

目前，工业是机器视觉应用比重最大的领域，在工业机器人视觉下游应用中，又以消费电子制造和汽车制造为主，两者分别应用占比为46.6%和10.2%。

工业机器视觉在消费电子制造中应用包括晶圆切割、3C 表面检测、触摸屏制造、AOI 光学检测、PCB 印刷电路、电子封装等;在汽车制造中的应用包括车身装配检测、面板印刷和质量检测、字符检测、零件尺寸的精密测量、工业零部件表面缺陷检测等。

未来，随着消费电子类产品，如手机，电脑等等组装生产过程中的引导、测量、检测等相关需求的不断涌现，我国工业机器视觉市场规模也将保持25%以上的年增长速度。

提供更好的产品和服务，是合杰愿同各位一道，追求的目标和方向。