智能相機亞研發(fā)可行性報告

一．工程簡要介紹工業(yè)相機領域主要分為三大類，分別是FA鏡頭〔智能相機〕、遠心鏡頭和工業(yè)顯微鏡。遠心鏡頭主要是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭視差而設計，它可以在一定的物距范圍內(nèi)，使得到的圖像放大倍率不會變化，這對被測物不在同一物面上的情況是非常重要的應用。工業(yè)顯微鏡主要適用于金屬、半導體行業(yè)的超精細檢測。智能相機(SmartCamera)是一種高度集成化的微小型機器視覺系統(tǒng)。它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現(xiàn)的機器視覺解決方案。同時，由于應用了最新的DSP、FPGA及大容量存儲技術，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機器視覺的應用需求。二．工程根本原理及產(chǎn)品結構1.智能相機根本結構。如下列圖所示，智能相機系統(tǒng)大體由C/CS接口鏡頭、CCD感光元件、面陣CCD相關電路設計〔驅動電路設計、A/D轉換設計、電源電路設計、驅動電路軟件設計〕、DSP系統(tǒng)設計〔視頻處理電路設計、RS-接口電路設計、電源電路設計、DSP軟件設計〕、軟件界面設計構成。2.智能相機工作原理工作原理是光線經(jīng)過C/CS接口鏡頭會聚打到CCD的靶面上成像，CCD在CPLD或FPGA的驅動下對每個感光源的電荷進行光積分后存儲并轉移，模擬圖像數(shù)據(jù)通過相關雙采樣〔CDS〕進入A/D轉換器采樣保持并對轉移過來的電荷量進行模擬數(shù)字轉換，轉換后的原始數(shù)字圖像信號在CPLD或FPGA的同步下被DSP存儲在存儲器SRAM中，準備進一步運算處理。然后在DSP中對原始數(shù)字圖像信號進行視頻處理和圖像輸出。最終通過智能相機系統(tǒng)自身的PC軟件，將圖像實時呈現(xiàn)在電腦上。3.智能相機各部件介紹〔1〕C/CS接口鏡頭 目前市場上C/CS接口鏡頭主要是調(diào)焦可變光闌鏡頭及變焦鏡頭。由于變焦鏡頭市場份額小，使用率低，下面主要介紹調(diào)焦可變光闌鏡頭的規(guī)格參數(shù)。規(guī)格參數(shù)焦距f10-50mm光圈F/#1.4、2、2.8、4、5.6、8、11、16、22.最小物距0.1、0.2、0.25、0.35、0.7m接口C、CS、F〔應用范圍小〕濾光片螺紋規(guī)格43x0.75、30.5x0.5、27x0.5長度30-50mm左右畸變<2%CCD尺寸1/2英寸、2/3英寸(2)CCD感光元件目前廣泛使用的感光元件有CCD和CMOS兩種，而其中CCD在成像質量方面要明顯高于CMOS，所以智能相機感光元件選用CCD作為接受光信號的元件。智能相機CCD的尺寸在1/2至1英寸之間選擇，其中廣泛應用的是1/2英寸、2/3英寸兩種。每款CCD都有它獨特的光譜響應范圍，所以在選用的時候也要注意鏡頭與CCD的選配，以及濾光片的使用。市場上一般有單色〔黑白〕和彩色兩種CCD形式，這方面的選擇可能就要根據(jù)實際的檢測環(huán)境來選用。感光元件CCD的供給商一般為：Sony、Aptina和Onsemi等，〔3〕面陣CCD相關電路設計及元器件。CCD的應用中主要解決兩個問題：一是CCD驅動電路的設計，另一個是CCD輸出信號的數(shù)據(jù)采集和傳輸。下面分別介紹〔a.〕CCD驅動電路〔直接數(shù)字電路驅動設計〕。 簡單說就是將CCD的電路板和CPLD或FPGA通過語言編程的方式連接起來，使得CCD可以按照預想的方式運作。這種方法是數(shù)字門電路及時序電路直接搭成CCD驅動時序所需的電路，通過硬件電路實現(xiàn)對CCD的驅動。具體可通過CPLD或FPGA方法實現(xiàn)。如下列圖所示?！瞓．〕A/D轉換電路〔輸出信號的采集轉換和傳輸電路〕。A/D轉換電路將CCD傳輸過來的電荷模擬量的輸入信號轉換為數(shù)字量的輸出，并將數(shù)字量轉化到DSP中。模擬轉換電路是本系統(tǒng)的核心局部之一，它決定采樣的精度和速度?！瞔.〕CCD系統(tǒng)電源設計電源系統(tǒng)的設計對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著至關重要的作用。CCD結構的特點決定了其供電電源和必須具備功率大，噪聲低和多種電壓輸出的特點?！瞕.〕CCD驅動時序電路軟件設計〔4〕DSP系統(tǒng)設計〔a．〕視頻處理電路視頻處理電路的核心局部是高性能的數(shù)字信號中央處理器。為保證智能相機對大量數(shù)字化的圖像數(shù)據(jù)的快速處理能力，DSP的選擇尤為重要?？偟膩碚f，DSP芯片的選擇應該根據(jù)仿真系統(tǒng)的規(guī)模、運算速度、存儲容量而定。但一般情況下，選擇DSP芯片時應考慮如下因素：DSP芯片的運算速度、價格、硬件資源、運算精度、開發(fā)工具及功耗。定點DSP芯片的價格較廉價，功耗較低，但運算精度不高。而浮點DSP的運算精度較高，用C語言編程方便，但是價格和功耗都很高。目前，在生產(chǎn)通用DSP的廠家中，最有影響的公司有：AD公司、Lucent公司、Motorola公司、TI公司、NEC公司。〔b．〕RS-接口電路這個接口是連接到外部控制機構的，例如攝像機的云臺，用來控制云臺的轉動，調(diào)整攝像頭的位置和方向。RS-232和RS-485都可以使用，在通信距離較近的情況下使用RS-232，在通信距離較遠的情況下使用RS-485.在實際工程中，選用RS-485協(xié)議是通常的選擇。RS-485總線抗干擾能力強，能實現(xiàn)多站點遠距離通信。RS-485是美國電器工業(yè)聯(lián)合會制定的利用平衡雙絞線做傳輸線的多點通信標準。它采用差分信號進行傳輸，最大傳輸距離可達1.2km，最多可連接32個驅動器和收發(fā)器。接收器最小靈敏度可達±200mV，最大傳輸速率可達2.5Mb/s，可以說RS-485是針對遠距離，高靈敏度、多點通信制定的標準。連接口如下列圖所示。〔c．〕電源電路涉及到整個DSP系統(tǒng)電路的供電局部。根據(jù)DSP不同的規(guī)格形式，在整體工作電壓一定的情況下，到達分壓目的。使各部件正常運行?！瞕．〕DSP局部軟件設計該局部的軟件包括兩局部：系統(tǒng)軟件和圖像處理軟件。一般來講，系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)和一系列根本的工具〔比方編譯器，數(shù)據(jù)庫管理，存儲器格式化，文件系統(tǒng)管理，用戶身份驗證，驅動管理，網(wǎng)絡連接等方面的工具〕，是支持計算機系統(tǒng)正常運行并實現(xiàn)用戶操作的那局部軟件。系統(tǒng)軟件一般是在計算機系統(tǒng)購置時隨機攜帶的，也可以根據(jù)需要另行安裝。三．工程技術成熟性及難點整體的設計步驟應該是先選定CCD的型號，再根據(jù)其型號特征進行C/CS接口的鏡頭、CCD驅動電路和DSP整體電路的設計。 從鏡頭方面來看，鏡頭一般都是調(diào)焦可變光闌鏡頭，再根據(jù)市場上流行的鏡頭的F/#，焦距等參數(shù)，可估計玻璃的片數(shù)大約是8或9片。波段選擇為可見光全波段，如有特殊要求可加濾光片。個人認為整機中最有技術含量，難度最大的也就是后續(xù)的硬件和軟件局部?？赡苄枰L時間的研究和消化。四．智能工業(yè)相機國內(nèi)市場分析〔轉載〕工業(yè)相機是機器視覺系統(tǒng)中的一個關鍵組件，其最本質的功能就是將光信號轉變成有序的電信號。選擇適宜的相機也是機器視覺系統(tǒng)設計中的重要環(huán)節(jié)，相機的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質量等，同時也與整個系統(tǒng)的運行模式直接相關。1.工業(yè)相機需求情況2010年我國機器視覺市場規(guī)模到達億元，同比增長48.2%，其中工業(yè)相機保持了35%以上的增幅，皆為2007年以來的最高水平。2011年，我國機器視覺市場步入后增長調(diào)整期。相較2010年的高速增長，雖然增長率有所下降，但仍保持很高的水平。2013年中國機器視覺市場規(guī)模為億元，工業(yè)相機保持了30%以上的增速，增幅遠高于中國整體自動化市場的增長速度。2.國內(nèi)廠商中國是一個開展中國家，尤其進入21世紀以來，各行各業(yè)都處于高速開展的階段。機器視覺技術隨著電子行業(yè)進入中國，在自動化生產(chǎn)的大背景下，得到了廣泛的應用。工業(yè)相機作為核心技術，其應用涉及到的領域眾多，然而目前國內(nèi)高分辨率、高速的高端工業(yè)相機大都還是需要國外來提供，每一領域涉及到的相關技術短板都可能是導致國產(chǎn)工業(yè)相機技術水平處于世界領先水平之下的原因。那么，究竟我國研發(fā)制造高端工業(yè)相機的主要瓶頸在哪里呢？通過了解，難點根本上可以歸結到人才、市場、產(chǎn)品三個大方面中。一、人才方面都說21世紀，最珍貴的就是人才，在像工業(yè)相機制造這樣的技術行業(yè)，人才更是最為重要的主體。目前，國內(nèi)企業(yè)在高端工業(yè)相機的研發(fā)制造過程中，存在的最大的困境就在于太缺乏優(yōu)秀的技術人才。只有擁有一支優(yōu)秀的研發(fā)團隊，才能制造出優(yōu)秀的產(chǎn)品，才能給予強有力的技術支持，這樣國內(nèi)工業(yè)相機的市場才能得以開展。所以，人才是根底，只有不斷引進優(yōu)秀的技術人才或是加大國內(nèi)人才的培養(yǎng)，才能有趕超世界水平的資本。二、市場方面有了人才，才能有市場；有了市場，才能吸引更多的人才，維持團隊的開展。目前，市場尚未形成規(guī)?；窍拗乒I(yè)相機開展的最大瓶頸，只有市場開始系統(tǒng)化、規(guī)?；拍茉诠┬柩h(huán)系統(tǒng)的影響下，推開工業(yè)相機市場的開展，促進高端產(chǎn)品的研發(fā)與推廣。三、產(chǎn)品方面在產(chǎn)品方面的瓶頸，主要分為兩個板塊，一個是產(chǎn)品技術的問題，另一個是產(chǎn)品價格的問題。產(chǎn)品技術方面，主要瓶頸在于數(shù)據(jù)處理接口技術比擬薄弱、軟件開發(fā)平臺的支持還做的不夠等方面，要想制造出高端的工業(yè)相機，高分辨率、高幀率、高信噪比以及高靈敏度都是必需的，目前來說，這是國內(nèi)最為欠缺的，也是一定要去解決的。產(chǎn)品價格方面，目前，國內(nèi)工業(yè)相機的本錢較高，使得與國際產(chǎn)品比擬之下，在價格上失去了優(yōu)勢，那么下一步，如何在保障質量的前提下，降低本錢就是國內(nèi)生產(chǎn)商應該去考慮的問題了。工業(yè)相機市場開展趨勢隨著市場競爭的日益劇烈，為了適應行業(yè)開展的需求，滿足不同領域的客戶需要，產(chǎn)品更新?lián)Q代已經(jīng)成為各大行業(yè)的主要開展態(tài)勢。工業(yè)相機作為機器視覺系統(tǒng)的核心組件，伴隨著產(chǎn)品升級