八相機系統(tǒng)方案
摘要：
隨著機器視覺的發(fā)展，單相機系統(tǒng)在機器視覺中的局限性越來越明顯，多相機系統(tǒng)已成為機器視覺發(fā)展的趨勢。針對單相機系統(tǒng)的局限，本文提出了以千兆以太網工業(yè)相機組成的八相機機器視覺應用方案。該方案成功解決了單相機系統(tǒng)的局限性，能同時檢測多個目標，且已有成功應用案例。
關鍵詞：多相機系統(tǒng)、機器視覺、千兆以太網
1、引言
國內自動化產業(yè)的迅速發(fā)展為機器視覺帶來了更為廣闊的市場空間，而機器視覺系統(tǒng)的核心部件工業(yè)相機也同樣得到巨大的發(fā)展。因此，高性價比的多相機機器視覺系統(tǒng)顯得極為重要。
多相機系統(tǒng)中各相機可以相互獨立的工作，對產品進行不同角度的檢測。目前，多相機系統(tǒng)在立體監(jiān)控、工業(yè)檢測等領域得到廣泛應用，比如：半導體和LED行業(yè)的集成和封裝設備制造、多表面檢測、晶體行業(yè)等。
限制多相機系統(tǒng)的主要技術瓶頸為計算機資源占用率和帶寬。目前，市面已有四相機系統(tǒng)。該類相機在一定程度上克服了多相機系統(tǒng)的技術瓶頸，可以同步采集圖像，也可工作于觸發(fā)模式，但該類相機系統(tǒng)在應用上仍存在一定的局限性，即只能從四個角度進行圖像采集，當目標需要采集的圖像多于四個面的時候，該類相機系統(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面，如采用四相機系統(tǒng)，則需要兩組相機系統(tǒng)，兩臺電腦，增加了成本。針對四相機系統(tǒng)只能從四個角度進行圖像采集或只能檢測四個目標的缺陷，本方案提出了可以從八個方向采集圖像或者可以同時檢測八個目標的八相機系統(tǒng)。
2、相機選型
常用的工業(yè)相機的接口類型通常有：USB、IEEE1394、千兆以太網（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：易用，成本低，無標準協(xié)議，但穩(wěn)定性差；USB3.0的帶寬400MB，傳輸距離3m，有標準協(xié)議，但成本很高。1394a/1394b帶寬為40MB/80MB，傳輸距離4.5m，主要特點： CPU占用低，適用于多相機場合，有標準的DCAM協(xié)議，但長距離傳輸價格高。GigE的帶寬為100MB，傳輸距離100m，主要特點：傳輸距離遠，線纜價格低，但CPU占用稍高，對主機要求配置較高。
從上分析可知，各接口的主要特點如下：USB接口相機主要存在穩(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，但長距離傳輸價格高。在當前計算機配置越來越高的環(huán)境下，主機的配置已不是GigE的局限，此外，GigE接口傳輸距離遠，線纜價格低，非常適合長距離多相機場合。綜合對比各接口類型的特點和本方案的實際需求情況，本方案采用GigE做為相機接口。
3、系統(tǒng)組成及測試結果分析
3.1 系統(tǒng)組成
以GigE為接口的八相機機器視覺系統(tǒng)由計算機、華用科技千兆以太網接口工業(yè)相機等組成。系統(tǒng)采用兩塊四通道的千兆以太網的PCI-E卡，八個相機通過千兆以太網接口跟計算機通信。八臺相機獨立工作，互不干擾，用戶可以根據需求選擇相應的相機(彩色/黑白，分辨率，幀率)。 在本次測試中采用的是HV500GM相機，該相機為500萬像素的黑白工業(yè)相機，當采用全分辨率2592*1944時最高幀率為14fps。該相機體積只有33.3mmx32.6mmx52.3mm，重量輕，采用鋁合金材料外殼，堅固耐用，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。
圖1 華用工業(yè)相機
3.2 測試結果及分析
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；
內存：4G；
系統(tǒng)：WindowsXP。
測試1
打開四個相機，運行結果如圖2所示。從測試結果可以看出，四個相機都能在全分辨率最高幀率14fps下正常工作。在運行時，CPU占有率<8%，內存使用約為145M。
圖2 四個相機以14fps運行結果
測試2
同時打開八個相機，以14fps采集圖像時，運行結果如圖3所示。從測試結果可以看出，八個相機不能同時工作。
圖3 八個相機以14fps運行結果
測試中，屏幕為白色的部分表示相機沒有工作。從測試1和測試2可以看出，測試1中四個相機可以以14fps同時正常工作，但測試2中八個相機不能以14fps同時正常工作，有兩個相機沒有工作。在測試中2592*1944分辨率時一張圖片大小為2592*1944/1024/1024=4.8M。在測試1中，當只接四個相機以14fps采集圖像時，占用帶寬為4.8*14*4=269M，四個相機可以同時工作。在測試2中，當采用八個相機同時以14fps采集圖像時，占用帶寬為4.8*14*8=538M，八個相機不能同時工作。四個相機時占用的帶寬為269M，八個相機占用的帶寬為538M，八個相機不能全部工作可能是由于帶寬不夠的原因。為了確認是否帶寬的影響，再進行一次測試。
測試3
同時打開八個相機，以1fps采集圖像時，運行結果如圖4所示。從測試結果可以看出，八個相機不能同時工作。
圖4 八個相機以1fps運行結果
從測試3可以看出，八個相機以1fps時，有一個相機不能正常工作(屏幕為白色的部分)。在這次測試中，八個相機占用的帶寬為4.8*1*8=38.4M，這帶寬是小于四個相機以14fps采集圖像時占用的269M的帶寬的。從以上分析可以看出，帶寬不是決定八個相機能否同時工作的唯一因素。
針對前三次測試時產生的問題，本方案提出了一種能使八個相機均能正常工作的方法。測試4為對該方法的驗證結果。
測試4
采用本方案的方法，打開八個相機，運行結果如圖5所示。從測試結果可以看出八個相機能穩(wěn)定工作，采集非常好，運行時CPU占用率<12%,內存使用約為220M。
圖5 采用本方案的方法八相機運行結果
從上分析可知，當只接四個相機時，能使相機采集速度最快，而接八個相機時，則需適當降低采集速度。用戶可根據實際情況，使某些相機采集速度低一些，而另一些相機采集速度高一些。此外，華用科技千兆網系列工業(yè)相機可以實現(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)應用案例
目前該方案已在工業(yè)檢測等行業(yè)內得到了較為廣泛的應用。已成功應用于SMT貼片機，LED固晶機，隧道檢測儀等。
4.1 SMT貼片機應用案例
貼片機是用來實現(xiàn)高速、高精度的貼放元器件的設備，是整個SMT生產中最關鍵的設備。本公司開發(fā)的八相機系統(tǒng)現(xiàn)已經成功應用于國內某公司的SMT貼片機。圖6為八相機系統(tǒng)在SMT貼片機上的應用。
圖6 八相機系統(tǒng)的SMT貼片機
貼片機選擇其中兩個相機用于PCB基板的定位，另外六個相機進行貼片定位，可同時貼六片芯片，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部是否存在安全隱患。目前，八相機系統(tǒng)已成功應用于隧道檢測儀。圖7為八相機系統(tǒng)在隧道檢測儀上的應用。
圖7 八相機系統(tǒng)在隧道檢測儀上的應用
該設備裝備了八個相機，當設備從隧道中通過時，八個相機從八個角度對隧道內部進行圖像采集。從而避免了一些位置出現(xiàn)圖像采集不到的情況。
5 結束語
多相機應用是機器視覺發(fā)展的趨勢，具有良好的應用前景。相對于單相機，多相機有著無可替代的優(yōu)勢，多相機應用將在工業(yè)測量、檢測等領域得到越來越廣泛的應用。
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