机器视觉系统设计的新挑战

随着机器视觉技术和能力的进步，新的应用程序不可避免地出现，帮助最终用户以新颖的方式提高效率和生产力。 不断发展的机器视觉空间中的一个不变因素是对高质量、一致的照明的需求。 机器视觉系统设计和规范的新挑战需要一种创新的照明选择方法。
        找到合适的光强度
        由于行业需求，照明选项必须扩展以适应不断提高的速度、分辨率和高级应用。 这些要求通常与更少的曝光时间相关。 作为补偿，最好的通用解决方案是均匀分布的高强度照明和短曝光时间。
        LED 是一种常见的高效强光源，可以解决这些光强度挑战。 在非连续应用中，可以以更高的电流对 LED 施加脉冲，从而将输出提高三到八倍。 这通常被称为过载。 这样做可以提供更大的光强度，但会带来时间挑战。 在不降低图像质量的情况下提供全光强度需要精确控制脉冲速率和形状。
        这些快速快门事件的理想脉冲形状是方波。 脉冲两侧的缓慢边缘会导致运动模糊。 为了提供均匀分布的高强度光，LED 必须在整个快门周期内达到并保持 100% 的强度。 外部 LED 驱动器可能具有来自布线的寄生阻抗，这会导致更宽的脉冲和倾斜边缘，从而导致系统抖动和图像模糊。
        内部 LED 驱动器在快速达到 0% 到 100% 和 100% 到 0% 强度时面临的挑战更少。 这些快速的开/关周期创建了一个方形的信号脉冲形状，可以与快门速度紧密匹配，以实现更好的高速机器视觉。
       

       

                图 1：脉冲形状与其绝对强度一样重要。虽然氙灯（黑线）的强度相对较高，但由于脉冲控制不佳，只有 10% 的光有效。带有外部控制器的 LED 光源（红线）显示出通常与外部驱动器相关的不可避免的寄生阻抗。在主板（蓝线）附近集成驱动器和控制器的集成架构允许 LED 在 300-500 ns 时间范围内实现全功率，并提供持续时间在微秒范围内的可重复、高强度脉冲。
        脉冲速率和形状在高速应用中很重要，因为过驱动的 LED 具有有限的占空比，因此每一微秒都很重要。 例如，如果一个过驱动的 LED 具有 10% 的占空比并且脉冲持续 1 ms，则它必须再保持关闭 9 ms。LED 需要保持点亮以提供高质量、高强度、均匀分布的光的时间越长，占空比越长，从而导致每秒捕获的图像越少。
        在超速模式下运行时间过长会损坏 LED。 此外，不同的波长或颜色具有不同的最大电流。 在不损坏 LED 的情况下最大化光输出需要使用当今市场上可用的高级驱动器。 这些驱动器使用微处理器来提供可重复的强度控制脉冲。 此类驱动器应该能够自动设置每个 LED、波长和应用的限制。
        通过使用智能集成 LED 驱动器可以解决光强度挑战并最大限度地减少模糊，尤其是在高速应用中，该驱动器能够安全地超速驱动 LED 以最大限度地提高照明输出。 使用微处理器的高级照明解决方案还可以提供诸如可以动态改变其强度的自适应照明等功能。 在移动视野 （FOV） 或在覆盖区域上聚焦以改变角度、方向或突出显示特定对象时也可以找到这种场合。
        寻找正确的视野
        动态改变系统 FOV 的能力需要智能机器视觉解决方案。 如果一个物体太远或太近，它会对图像质量产生重大影响，尤其是在高速时。 连接的设备正在推动更高水平的集成、控制和实时数据。 自适应智能机器视觉解决方案在很大程度上依赖于优化与相机和视觉系统的即插即用集成，以便它们无缝协同工作。
        为了提供适用于自适应机器视觉系统的即插即用解决方案，许多公司设计了预建的视觉系统。 除了面向未来的视觉系统之外，基于组件的视觉解决方案还可以提供相同的优势。 与预建相比，基于组件的系统更灵活，会随着需求或技术而变化。
        例如，提高高级视觉检测系统的处理能力可能有助于捕捉随着时间的推移机器磨损的细微变化，从而改进系统。 预建系统很难或不可能升级，并且可能有限或严重依赖外部光源。 在研究自适应智能机器视觉解决方案时，请考虑以下几点：

•                 可扩展性       
  
•                 灵活性       
  
•                 处理限制       
  
•                 照明解决方案       
  
•                 技术发展的速度
  

        工业界的一个共同主题是事半功倍。 单线处理多个产品、包装和流程。 使用具有自适应照明的高级视觉系统可以动态更改其 FOV 以适应需求和实时数据。 例如，一个 10 度的镜头可以在狭窄的区域内提供最大的投影。 对于较大的区域，可以使用 50 度广角镜头。 先进的解决方案可以将一排三个 LED 与 10 度、30 度和 50 度透镜混合和匹配，以实现 10 到 50 度之间的均匀、均匀的 FOV。 这种灵活性适用于具有各种尺寸包装的包装线。 自适应光可以调整到每个盒子的高度，以减少误读标签。
        另一个应用是机器对机器的点胶检测，例如喷漆或涂胶。 持续的运动需要一个自适应智能系统，该系统可以记录、跟踪和验证流程是否在规范范围内完成，而不会占用节拍时间或占地面积。 检查过程可能还需要高分辨率图像来检测小的缺陷。
       

       

                使用先进的视觉照明解决方案，通过 8 英寸 FOV 以每小时约 100 英里的速度发射乒乓球以获得此图像。光以 1.5 mS 间隔的四个 10 uS 脉冲超速频闪。球在焦点上，刻字和标志清晰可辨。
        线扫描成像照明挑战
        先进的视觉和检测流程正在推动相机分辨率的提高。 随着相机分辨率的增加，像素大小通常会减小。 较小的像素通常与降低的全阱容量（像素在引入饱和之前存储光生电荷的能力）有关。 可以通过增加增益进行补偿来增加光灵敏度，但这也会放大图像噪声。 随着像素尺寸的缩小和帧速率的增长，公司需要能够与其他机器视觉技术保持同步的技术。
        为了在更高的速度和光强下保持质量，更大的像素可以提供更大的全阱容量。 线扫描相机通常与更大的像素和更大的光强度相关联，以高速捕获单条线。 挑战在于光线不遵循一条线，因此会丢失一些光线，这使得 FOV 很重要。 此外，减小 FOV 会增加放大倍数。 如果没有自适应镜头，较小的 FOV 需要相应较高的光强度。 一些线扫描相机中的小 FOV 对于增加光强度是不切实际的。
        在连续应用中，区域扫描相机可以增加照明强度以捕捉传送带的一部分、关闭并在错过已通过的部分之前再次扫描。 线扫描相机要做到这一点，它必须连续扫描。 线扫描相机的 LED 不会有关闭周期。 对于零件连续移动的检测应用，与面扫描相机相比，线扫描相机通常是一种具有成本效益的解决方案。 但是，如果没有自适应智能视觉解决方案，并且取决于速度和 FOV，线扫描相机可能变得不切实际。
        为了解决这一挑战，公司可能会选择使用双条线灯。 这些类型的产品具有智能功能，是前两个挑战的结合，它们无缝地协同工作，提供必要的 FOV 和强度，使线扫描相机成为实用、经济高效的解决方案。此外，如果使用区域扫描相机，或者以后升级到，照明很容易适应新技术。 双条灯可以通过蓝牙连接以改变强度、FOV 等，因为线条会随着时间的推移而变化。
        随着行业要求更高的速度，以及更多的更少，机器视觉提供了一个解决方案。 在为您的应用研究解决方案时，请务必考虑光强度、FOV 和线扫描相机方面的挑战。 寻找能够处理和适应生产速度和不断变化的技术的智能照明解决方案。 具有基于组件的自适应智能软件的灵活硬件将帮助您的公司保持在机器视觉解决方案的领先地位。
        编辑：黄飞

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