一．工程簡要介紹工業相機領域主要分為三大類，分別是FA鏡頭〔智能相機〕、遠心鏡頭和工業顯微鏡。遠心鏡頭主要是為糾正傳統工業鏡頭視差而設計，它可以在一定的物距范圍內，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。工業顯微鏡主要適用于金屬、半導體行業的超精細檢測。智能相機(SmartCamera)是一種高度集成化的微小型機器視覺系統。它將圖像的采集、處理與通信功能集成于單一相機內，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實現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．工程根本原理及產品結構1.智能相機根本結構。如下列圖所示，智能相機系統大體由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，模擬圖像數據通過相關雙采樣〔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字轉換，轉換后的原始數字圖像信號在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自身的PC軟件，將圖像實時呈現在電腦上。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，下面主要介紹調焦可變光闌鏡頭的規格參數。規格參數焦距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實際的檢測環境來選用。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輸出信號的數據采集和傳輸。下面分別介紹〔a.〕CCD驅動電路〔直接數字電路驅動設計〕。 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，通過硬件電路實現對CCD的驅動。具體可通過CPLD或FPGA方法實現。如下列圖所示。〔b．〕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字量的輸出，并將數字量轉化到DSP中。模擬轉換電路是本系統的核心局部之一，它決定采樣的精度和速度。〔c.〕CCD系統電源設計電源系統的設計對整個系統的穩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。〔d.〕CCD驅動時序電路軟件設計〔4〕DSP系統設計〔a．〕視頻處理電路視頻處理電路的核心局部是高性能的數字信號中央處理器。為保證智能相機對大量數字化的圖像數據的快速處理能力，DSP的選擇尤為重要。總的來說，DSP芯片的選擇應該根據仿真系統的規模、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協議是通常的選擇。RS-485總線抗干擾能力強，能實現多站點遠距離通信。RS-485是美國電器工業聯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系統電路的供電局部。根據DSP不同的規格形式，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。〔d．〕DSP局部軟件設計該局部的軟件包括兩局部：系統軟件和圖像處理軟件。一般來講，系統軟件包括操作系統和一系列根本的工具〔比方編譯器，數據庫管理，存儲器格式化，文件系統管理，用戶身份驗證，驅動管理，網絡連接等方面的工具〕，是支持計算機系統正常運行并實現用戶操作的那局部軟件。系統軟件一般是在計算機系統購置時隨機攜帶的，也可以根據需要另行安裝。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，鏡頭一般都是調焦可變光闌鏡頭，再根據市場上流行的鏡頭的F/#，焦距等參數，可估計玻璃的片數大約是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的硬件和軟件局部。可能需要長時間的研究和消化。四．智能工業相機國內市場分析〔轉載〕工業相機是機器視覺系統中的一個關鍵組件，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設計中的重要環節，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，同時也與整個系統的運行模式直接相關。1.工業相機需求情況2010年我國機器視覺市場規模到達億元，同比增長48.2%，其中工業相機保持了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模為億元，工業相機保持了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，各行各業都處于高速開展的階段。機器視覺技術隨著電子行業進入中國，在自動化生產的大背景下，得到了廣泛的應用。工業相機作為核心技術，其應用涉及到的領域眾多，然而目前國內高分辨率、高速的高端工業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工業相機技術水平處于世界領先水平之下的原因。那么，究竟我國研發制造高端工業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，在像工業相機制造這樣的技術行業，人才更是最為重要的主體。目前，國內企業在高端工業相機的研發制造過程中，存在的最大的困境就在于太缺乏優秀的技術人才。只有擁有一支優秀的研發團隊，才能制造出優秀的產品，才能給予強有力的技術支持，這樣國內工業相機的市場才能得以開展。所以，人才是根底，只有不斷引進優秀的技術人才或是加大國內人才的培養，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，市場尚未形成規模化是限制工業相機開展的最大瓶頸，只有市場開始系統化、規模化，才能在供需循環系統的影響下，推開工業相機市場的開展，促進高端產品的研發與推廣。三、產品方面在產品方面的瓶頸，主要分為兩個板塊，一個是產品技術的問題，另一個是產品價格的問題。產品技術方面，主要瓶頸在于數據處理接口技術比擬薄弱、軟件開發平臺的支持還做的不夠等方面，要想制造出高端的工業相機，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，這是國內最為欠缺的，也是一定要去解決的。產品價格方面，目前，國內工業相機的本錢較高，使得與國際產品比擬之下，在價格上失去了優勢，那么下一步，如何在保障質量的前提下，降低本錢就是國內生產商應該去考慮的問題了。工業相機市場開展趨勢隨著市場競爭的日益劇烈，為了適應行業開展的需求，滿足不同領域的客戶需要，產品更新換代已經成為各大行業的主要開展態勢。工業相機作為機器視覺系統的核心組件，伴隨著產品升級