高性能视觉传感器
发布时间：2006-07-25 作者：Mark T. Hoske，CONTROL ENGINEERING 主编
价格便宜、能清晰观测过程状况的高性能视觉传感器已经出现、或者即将出现，这取决于你如何评价工业过程中廉价视觉传感器的应用。
随着技术的发展，视觉传感器的安装和使用变得简单。除此以外，不同供应商的产品技术特性也各不相同。一般而言，视觉传感器比光电传感器功能更强、更加复杂和昂贵，但与嵌入式或基于PC的视觉系统相比则恰好相反。不过视觉传感器也有不同等级，看起来很清楚的是，在更多应用中视觉传感器应该能比以前提供更高性能的视觉感知能力。
图1：Checker 传感器的照片 (封面, 左边和下边)由Cognex 公司提供。
“视觉传感器具有安装简单、尺寸小、功耗低及价格便宜等特点和功能，”Dalsa Coreco集团的ipd发展策略总监Ben Dawson说。“技术是雷同的，但是完善的视觉系统具有性能更高的硬件和通用性更好的软件。主要差别就是其目标市场的不同：视觉传感器瞄准的是终端用户，而视觉系统通常被OEM集成到产品当中。”
按照Banner Engineering公司的视觉传感器业务经理Jeff Schmitz的说法，机械视觉系统和视觉传感器是“完全不一样的东西。视觉系统价格昂贵，针对用户的需求而定制，配备了多种组件工具以满足极端困难的应用——这也体现了其15000至20000美元的昂贵身价。此外其软件也是定制的，并且需要PC来处理图像。”然而Cognex公司说他们的Checker传感器（封面图像）不算视觉传感器，该产品看起来与其它同类产品具有一些相同的特点。Cognex公司的Checker传感器产品营销经理John Keating称其为高端传感器，对于需要多个光电传感器的应用场合，它是一种更佳的解决方案。他说：“Checker每分钟能够采集和处理30000幅图像，检测目标是否出现，检查局部特征，而无需光电传感器。（Checker的眼睛是128x100象素的图像传感器。）与视觉传感器不同的是，虽然Checker能够提供确定的输出用于注册或卷筒/剪切/打孔/打印等应用，”Keating说道。“Checker传感器没有视觉工具，”但却被设计用于探测某一部分是否具有所需要的特征。一步一步的设置过程与光电传感器类似。视觉工具和视觉系统提供数据，而Checker则只给出成功/失败的探测结果，他说道。
图2：在高质量的传感器图像中，左边，2 个亮度传感器和一个对比度传感器检测活塞定位环是否出现。在糟糕的传感器图像中，所有3个传感器都失效了，指示结果是活塞环消失了。
所有的机械视觉系统都具有相同的组成部分：照明灯、光学部分（镜头、图像传感器）、图像捕捉器、图像处理和分析部分以及通讯部分，Matrox Imaging公司的生产线经理Pierantonio Boriero解释道。低端视觉系统与完善的机械视觉系统之间的差别是集成度和性能，而不是功能，Boriero说道。智能摄像头（低端视觉系统）把大部分组件集成为一个套装，其性能也较低；而高端视觉系统允许用户对组件进行选择（即便图像捕捉和图像处理软件很可能来自同一供应商），这可以为用户提供尽可能好的性能，他说。
通常视觉传感器都有明确的目的或任务，例如读取条形码或识别色彩，National Instruments公司的视觉产品经理Kyle Voosen说道。“但是操作人员现在也开始把某些视觉传感器用于简单的机械视觉任务，例如检测目标是否出现或是目标计数。视觉传感器使工业测量传感器和机械视觉系统之间的界线变得模糊。”
在高端产品方面，视觉传感器可以是多用途的，独立运行，配置多种算法，配备大约200种软件工具包、具有不同的照明灯和镜头，其价格范围从5000美元到20000美元不等，Omron Electronics有限责任公司的战略营销经理Robert Lee说。对于大多数一般应用的基于PC的视觉系统而言，软件、取景器和I/O卡都是单独购买的，Lee说道。通用性较差、而满足特定应用的系统可能需要花费5000美元或更多。新一代智能视觉传感器的安装设置非常容易，价格在1000美元到2000美元之间，配备有限的工具包就可满足许多一般应用的需求，他说。
优势，局限
ipd的Dawson说，“视觉传感器适用于快速捕捉画面，监测部件尺寸或检测一定类别的缺陷。视觉传感器的设计使工程师可以快速、简单地完成设置，而工程师本人也许对视觉技术并不熟悉。视觉传感器目前还未能达到每秒兆级字节（或是兆级象素）的数据传送速率。”特殊的需求或应用，例如LCD盘的检查，就需要采用完善的机械视觉系统，Dawson建议说。
Cognex公司的Keating说低端视觉传感器就是在原有视觉传感器的基础上减少了某些特性和工具的结果。因此低端视觉传感器保留了原有视觉传感器的复杂性，却不具备原来的性能。Checker的应用包括在组装时控制部件定位，或是卷筒机、标签机或是包装机械上切割材料，Keating说道，Checker还可以用于无注册标志的产品和标签的注册工作。
如今视觉传感器在价格上已经与嵌入式视觉系统或基于PC的视觉系统具有可比性，NI公司的Voosen说。对于简单明了的视觉任务，例如确认一个标签是否出现，这种传感器应用地非常好，他说。比大家已经意识到的廉价更为重要的是软件的简化。如果说基于PC的视觉系统是编程的、智能摄像头是组态的，那视觉传感器就是自学习的，Voosen解释道。通常“学习”按钮就是视觉传感器操作人员的唯一输入设备，单一的“成功/失败”指示就是操作员能够看到的唯一输出。这种方式大大简化了系统的设置，当然这也减少了视觉传感器可以从事的应用范围，Voosen补充道。
Omron公司的Lee说：低端视觉传感器已经变得性价比更高、更小、更易于紧密安装、而且更加便捷；它们还具有多种工具包用于各种不同的应用。新型智能传感器，例如Omron公司的 ZFV，拥有内置的1.8英寸监视器，这使得ZFV的编程可以简单地通过图标驱动的菜单来进行，并实时获取高品质CCD图像，Lee说。ZFV可以在一分钟时间内检测10000个部件，而无需任何特殊的设备（例如手提电脑或复杂的软件等）。Lee说：采用ZFV的整个过程就是“对准镜头，教给传感器工作，然后开始吧！”这种小型传感器具有内置照明灯，减少了操作设置时间，如今费用的天平已经发生改变，他说。简单的传感器受限于CCD尺寸、照明灯或是分辨率而无法应付某些需要高端系统的应用。低端视觉传感器通常都是预编程的、或者固化了特定程序于闪寸中，这使其不能方便地进行修改；但是ZFV可以编程应对多种应用，Lee说。
新型的应用
视觉传感器不需要PC来处理图像或是把结果传送到PLC或其它控制设备，Banner公司的Schmitz说道。“因为视觉传感器并非为特定应用而设计，它们可以很容易地从一个应用移植到另一个应用。而且视觉传感器的设置、组态和支持都非常简单，生产线上的人就可以完成这些工作。我同意，视觉传感器不能处理极端苛刻、需要视觉系统的应用，但是其低成本（范围在1000美元到3000美元之间）的特点，使其可以应用于无法承受昂贵视觉系统的场合。”
低端系统通常被设计用来处理与传感器功能类似的出现/消失的应用，美国Keyence公司的视觉和激光标记部门的机械视觉团队领导Joshua Jelonek说。由于其低价、低象素、低特性，“因此人们对其的性能期望也比较低。这些传感器的设计就是为了满足快速和廉价的运行，而且具有最少的产品特性，”Jelonek说道。
图3：Banner Engineering 公司所提供的视觉传感器是Presence-Plus P4 系列产
品，该产品具备简单的学习能力，可以使用9 种语言。
ipd的Dawson说视觉传感器的范围很广，从非常低端的单一功能、硬接线的产品，例如用于测量单点色彩的传感器，到灵活、多功能的传感器，例如ipd的视觉传感器Appliances。视觉传感器的标准应用（检查罐头或者瓶子上的标签）可能会花费几个小时，与之相比，开发和规划一个需求的视觉任务花费的工程时间则数以月计，Dawson说。“视觉传感器设置快速、简单的特点开辟了一个新的应用空间，在这类应用中视觉传感器被作为控制过程中一种新的标准组件，而不是过程或机械设计中的驱动因素。”
汽车工业
Cognex公司In-Sight视觉传感器的主任产品营销经理Mark Sippel说：工业界从廉价的和便于使用的视觉技术上获得了很多好处，汽车制造商和供应商就是很好的例子。“产品包装的应用也从这些技术优势上受益。任何需要使用条形码、特别是2维条形码的行业，都可以从视觉传感器的技术优势和低成本的跟踪手段中获益，这主要归功于视觉传感器读取复杂代码的能力。”
Checker在许多使用视觉技术的工业界同行中得到应用，而且还在扩大市场和用户范围，Keating解释说。“新用户使用Checker来解决生产过程中其它领域的应用。”在视觉传感器还未大量使用的行业中Checker也做得很好，这些行业（包括食品和饮料业）由于视觉传感器的价格和复杂性而没有大量使用这类产品，Keating说。
对于很多应用来说，机械视觉和智能摄像头是非常理想的产品，Matrox公司的Boriero说，特别是在工厂基层那些需要极大吞吐量的应用（例如读取ID标志）。机械视觉产品的最新用户之一是那些只有很少或完全没有编程经验的制造工程师，因为市场上某些智能摄像头可以进行组态的，而不是编程。然而智能摄像头的处理能力十分有限，因此应用的复杂程度将会决定是否需要采用完善的基于PC的视觉系统。
图4：Matrox Iris 公司的P-Series 系列智能摄像头产品具有2种组态：
一个单体单元，或是作为一个遥控探头加处理器。
NI公司的Voosen说：当视觉传感器被当作先进的工业传感器来使用时，其效果常常是超出人们期望的；而如果把它当作低成本的视觉系统来使用，结果却往往令人失望。为了说明这一点，可以考虑如下应用，诸如接近判断、目标出现检测和条形码读取等，都可以采用适当的工业测量传感器来实现，而不一定非要采用视觉传感器，Voosen说道。“但是与简单的测量传感器或者检查传感器相比，视觉传感器能够提供更高的可靠性和使用性能。这种性能差异也同样适用于其它视觉技术，例如嵌入式视觉系统以及基于PC的视觉系统。对于目标计数、部件定位以及光学测量等应用，操作人员都可以采用适当的视觉传感器来代替嵌入式视觉系统。”
Omron公司的Lee说：“在低端市场层面，视觉传感器已经开始被应用于复杂情形，例如日期标签编码、宽度、面积和位置测量。以前，用户需要一个配备了许多内置工具的系统，它具有足够的灵活性以应付不同的应用。而现在的低端智能传感系统，速度、照明、安装、简单性、正常运行时间、数字化质量都在不断提高，还结合了跟踪能力、回溯能力和自学习能力。”
高端产品的末日？
基于嵌入式处理器技术的发展，一种新型的中档视觉产品已经在机械视觉领域出现。“这种中档视觉传感器能够对付80－90％机械视觉应用，而其费用只相当于典型高端系统的一小部分，”Keyence公司的Jelonek说道。这个行业似乎正在不断远离高端机械视觉系统，Jelonek说，原因有如下两方面：
1）高端系统为用户提供了种类繁多、复杂的工具和功能，但是大部分这些工具和功能中对实现一般的机械视觉应用来说是不必要的。而低端的或是通用的视觉传感器也可以提供许多相同的功能，不过是以精简且易于使用的方式，而且过滤掉了所有不必要的额外工具和功能。但做到上述一切，低端视觉传感器的费用只相当于高端系统的一小部分。从满足应用的角度来说，购买一套高端视觉系统就像是花了一台6碟CD立体声汽车音响的价格，而你想要做的只不过是听听收音机而已。
2）随着技术的不断提高和功能强大的集成电路芯片价格的不断降低，低端以及通用视觉传感器的功能将会越来越强大。图形处理能力——划分高端和低端视觉产品的界线将会越来越模糊。随着硬件费用的降低以及更快的集成时间，通用视觉系统的能力得到提高，加上简单的用户界面，使制造商看到了高额的投资回报。
分离视觉
从机械制造商的观点来说，通过检测图案来控制机器是一个新概念，Keating补充说。在包装行业，这使制造商可以使用更多图形的包装，而不必在大片长方形注册标记周围保留空白区域。他建议制造商们设法去除那些标记。总的来说，视觉传感器“使常规视觉应用变得更加容易，可以更加迅速地实施，”ipd的Dawson说道，但是你仍然必须进行适当地照明以及描绘传感器看到的任何图像。但不幸的是这需要专家知识，而这并不容易被固化到视觉传感器内。随着视觉传感器性能和算法的不断提高，我们可以期待视觉传感器对照明条件地变化具有更好的鲁棒性。
文章编号：060701 发送短信“文章编号+ 评语代码”至13816124995，告诉我们您对此文的意见。
1- 很好，有很高的参考价值
2- 一般，有一定的参考价值
3- 不好，没有参考价值
如果需要了解更多关于本文提到的公司信息，请访问下列网址：
www.bannerengineering.com www.boston-engineering.com www.cechina.com www.cognex.com www.flir.com www.goipd.com www.keyence.com kodak.com/go/imagers
www.machinevisiononline.org (AIA)
www.matrox.com/imaging www.ni.com (National Instruments)
www.omron.com/oei感光元件：CMOS 还是CCD?
感器的感应元件不断改变，视觉系统也不例外。在视觉传感器和视觉系统领域经常提到的2种数字技术分别是CMOS和CCD。Kodak公司的产品营销经理、Image Sensor Solutions Group的专家Terry Guy最近和Control Engineering讨论过这2种技术。Guy在视觉工业领域十分活跃，他是美国自动化图像协会（AIA）的理事会成员。CMOS和CCD产品Kodak公司均有制造。
CMOS（互补金属氧化物半导体）在降低智能摄像头产品成本方面很有帮助，它可以为感光元件增加很多功能，例如计时电路、放大器以及模拟数字转换（8位、10位或12位数字量）。当这些元件集成到一起的时候，更多不期望的信号进入了画面，通常情况下导致CMOS的画面质量有所下降。由于CMOS的画面质量已经接近CCD，这使得CMOS成为许多应用一种可行的选择。最糟糕的情况下，大多数通过旋转遮光器的机理进入的光线会在黑色背景上产生一个垂直的线条，空间扭曲越是严重就越是需要仔细进行照明设置。对于2维点状代码的应用，质量还是不错的。CMOS的成本与CCD相比低了一个数量级，对1000×1000象素等级的阵列，大概是50美元与500美元的差别。芯片制造商正在研制具有CCD同样性能的CMOS产品，到2005年底应该能够在3百万到5百万象素的等级向CCD发起挑战。
CCD（电荷耦合器件）只是一个传感器。计时器、放大器和其它外部元件都是分离的。CCD允许的照度范围很广，而且在光线不足的条件下比CMOS更加敏感。在经过外部处理之前，对噪声源的敏感程度也略高。CCD是被专门设计用于成像的产品，因此具有较高的图像质量和较低的人造假像，能够对图像进行实时处理。为了得到较高的图像质量，CCD感光元件是一行一行接收光线的。CCD的价格较高，图像质量较好，集成度也较高。
获取图片：在线视觉画廊
幅图片胜过千言万语，尤其是对视觉系统而言。下面的3个链接可以进一步说明原因。www.cognex.com/Webinars.asp说明了Cognex Checker怎样在光电设备和机械视觉系统之间“利用全新的能力创造新的技术”，Cognex公司的首席技术官、R&D部门副总裁、Checker的主要投资者Bill Silver说道。
www.ni.com/vision/cvs.htm介绍了嵌入式视觉系统所具备的能力，根据National Instruments公司的介绍，其中包括多台摄像头的同步和编程的灵活性。
www.bannerengineering.com/comparelighting着重介绍了照明类型和照明角度是如何决定其表现的特征。环境照明可以带来截然不同的效果。
围绕传感器镜头的环型照明可以隐藏突出的特征；
■ 低角度照明会着重突出粗糙的区域和突起的边缘，隐藏明亮的区域；
■ 顶部照明能够均匀照亮整个部分；
■ 背部照明只显示轮廓；
■ 轴向照明可以展现纹路；
■ 30度角的区域照明能够加亮突起的区域并减少眩光。
独一无二的应用
更好的视觉效果：红外技术助你见所未见
这种应用看起来非常简单。Boston Engineering公司所要做的仅仅是发现陶瓷点火器件上的裂纹。
由于缺陷并不都是人眼可见的，因此需要使用超声波传感器或是一些电导传感器来探测这些缺陷。但是有些工业传感器达不到应用所需的精度或可靠性，Boston Engineering公司采用Flir-A10 FireWire摄像头通过红外线显示点火器件。其效果非常明显。通电时：没有缺陷的元件会被均匀地加热，而有缺陷或者有裂纹的元件其加热就是不均匀的。
为了处理这些图像，Boston Engineering公司采用了National Instruments公司的LabView和NI Compact Vision System来采集和处理红外图像。虽然有好几种算法可以解决这个问题，Boston Engineering公司发现边缘检测是最直接可靠的方法。
“为了进行测试，我们画了许多穿过图像的平行线并且分析了每个单独的轮廓和峰值。如果其中一个轮廓与每侧的峰值不一致，我们就认为这是一个有缺陷的部件，因为它没有被均匀的加热，”Boston Engineering公司的 Erik Goethert说道。Goethert还补充说这种方式“使我们可以非接触、无损地检测裂纹。这些裂纹是肉眼不可见的，但是在红外光谱下却可以一览无余，因为基体和裂纹具有不同的放射率，这将导致热量的差异。NI LabView的灵活性和NI的视觉软件工具帮助我们设计出这种高效、定制的缺陷分析方法。”