高速相机增强自动化和测量应用--机器视觉网

无论是独立的系统还是与基于PC的系统，高速相机正越来越多地用于处理工业和科学测量以及故障排除应用。
今天的CMOS相机已经对高速进行了重新定义。过去，运行速度在25fps（PAL）或30fps（NTSC）的管式相机（tube-based cameras），在广播行业中广泛应用。当管式传感器（tube-based sensors）先后被CCD和CMOS成像器取代后，相机设计者使用CMOS成像器的多抽头输出，来提高相机的帧率。这促使了大量相机产品的推出，这些相机大多使用CMOS成像器，能够实现250~200000fps的帧率范围。
在这种广泛的曝光范围内，对于任何给定的应用，选择哪种相机也是高度依赖于具体应用的。
例如，工业领域的低成本工厂自动化监控系统的开发人员，根据他们的生产线速度情况，可能只需要250~1000fps的帧率。在这种系统中，通常需要同时监控产品的质量和参数，以及要求机制的完整性，以便于沿生产线传输产品。这两种应用都可以通过“以不同类型的接口与主机相连的、相对低成本的成像器”来解决。
由于高速相机的应用范围越来越广泛，从过程监控到产品分析、再到汽车和弹道测试等，对于一项特定的应用，在确定哪种相机最合适之前，必须要认真考虑诸多不同的因素。与任何机器视觉应用一样，高速相机中使用的成像器的分辨率，将决定其捕获到的图像能够显示多少细节。
许多商用的高速相机使用分辨率在VGA级别（640×480）到2500万像素之间的CMOS图像传感器，图像传感器的像素阵列具有不同的光学格式（需要配备不同的镜头），像素大小大约在3~20µm之间。虽然图像中能够分辨出的细节程度，取决于成像器的像素大小和所用镜头的质量，但是系统集成商还必须要考虑高速拍摄图像时所需要的曝光量。
在这里，相机如果使用更大像素尺寸的成像器，那么在任何给定的曝光时间内，都可以比同等尺寸的更小像素的成像器捕获更多的光子。因此，较小的像素不会收集到那么多的光，并且可能在一些帧率要求极高的应用中或是需要在低光条件下捕获图像的应用中，失去作用。因此，正确的照明量和照明类型，在确定任何高速机器视觉系统或高速应用中，都发挥着重要作用。

图1：现在，Active Silicon（左图）、Euresys（中图）和Matrox（右图）都可以提供Quad CxP-12图像采集卡。Euresys的图像采集卡支持的相机到主机的距离分别为：30m@CXP-12（12.5Gbps）、72m@CXP-6（6.25Gbps）和100m@CXP-3（3Gbps）。

独立相机还是基于PC的相机？
同样重要的是，是否低成本的依赖于主机的相机能用于此类应用。在汽车测试等更加高速的应用中，可能需要以每秒数百万帧的速率捕获图像。在这些情况下，即使是使用目前最快的商用接口（如100GigE或CoaXPress），此类相机也可能无法将捕获到的图像传输到主机上。相反，图像序列必须使用相机自身的高速板载存储器存储，并且在捕获事件后，再将存储的图像从相机传输到主机PC进行图像分析。
为了达到这样的高速，iX Cameras、nac Image Technology、Photron和Vision Research等相机供应商，都能提供独立相机，这些相机采用高速CMOS成像器以及板载存储器和固态驱动器用于存储图像数据。一旦完成图像捕获，这些数据就可以通过标准接口（如10Gbit以太网接口、HDMI或SDI）传输到主机（见表1）。

表1：iX Cameras、nac Image Technology、Photron和Vision Research等公司，能提供集成高速CMOS成像器、板载存储器和固态驱动器的独立相机，以方便存储图像数据。

为了支持这些高速相机产品，这些公司提供软件包，用于对捕获的图像进行校准、跟踪和后期处理。例如，iX Cameras公司的相机可以与Xcitex公司的高速运动分析软件ProAnalyst一起使用，用于对高速捕获的事件进行分析、绘制，并输出速度、加速度和角向运动。
nac Image Technology公司为支持其相机提供了Cortex 3D运动捕获软件；Photron公司的FASTCAM Viewer软件（PFV），可用于图像增强和简单的运动分析；Vision Research公司的Phantom Camera Control（PCC）软件，允许执行运动分析的基本测量功能。
在这三种产品中，高达288GB的板载存储器可用于延长图像记录时间，而板载的固态太字节（TB）驱动器可用于存储数据，直到需要将数据通过标准计算机接口传输到主机做进一步的分析。与许多其他高速相机一样，使用CMOS成像器件可以将感兴趣区域（ROI）窗口化，从而提高图像捕获的速度和捕获图像序列的持续时间。例如，虽然Photron的FastCam SA-Z相机能以20000fps的帧率捕获像素尺寸20µm、分辨率1024×1024的图像，但是将图像窗口化为512×256像素，可用于获得120000fps的帧率。
高度确定性
虽然这种高速相机在非常高速的应用中很有用，但是在许多过程监控和机器视觉应用中，可能250~2000fps的帧率就足够了。在这种情况下，开发人员可选的相机很多，在分辨率范围和相机到主机的接口方面，也有多种选择。目前最流行的两种接口是CoXPress（CXP）和GigE接口。
当然，CXP接口和GigE接口之间也存在着显著差异。CXP接口是一个确定性、低延迟、低抖动的接口，其速度范围从每通道6.25Gbps（CXP-6）到12.5Gbps（CXP-12.5），这种高速接口必须需要CXP图像采集卡的支持。虽然这可能比使用GigE接口更昂贵，但是CxP可以支持来自高速相机的多个通道，使用8个CXP-12.5通道，可以将最大速度提高到100Gbps。
例如，Euresys最新的Coaxlink Quad CXP-12图像采集卡，可支持的相机到主机之间的传输距离分别为：CXP-12速度下为30米（12.5Gbps）、CXP-6速度下为72米（6.25Gbps）、CXP-3速度下为100米（3Gbps）。利用四根电缆和四个CXP-12连接，最大数据传输速率可达50Gbps或5Gbyte/s。
Active Silicon也能提供这种图像采集卡，并且在2018年的斯图加特VISION展会上展出了两款产品。其中一款是PCI×4接口的四通道板卡，另一款是支持四路CXP-12通道的PCIe×8接口的四通道板卡。Matrox Imaging也提供类似的CoaXPress接口的板卡，并在2018 VISION展会上展出了四通道Rapixo CXP图像采集卡（见图1）。
Active Silicon公司首席技术官Chris Beynon表示，目前CXP 2.0标准尚未得到批准，将于今年4月进行投票。然而，在正式标准被批准之前，已经有几家公司针对CXP 2.0标准发布了高速相机。例如，德国Optronis公司已经宣布推出基于CMOS的Cyclone-2-2000相机；该相机采用了Alexima公司的LUX19HS成像器，分辨率为1920×1080像素，像素尺寸为10µm；相机可以使用四个CXP-12通道以2158fps的帧率运行。
联网的相机
不同于CXP接口，GigE接口及其从GigE到100GigE（100Gbit/s）的演进接口，不需要图像采集卡的支持。同样，许多机器视觉相机供应商提供的相机，能够以相对较高的帧率运行。
这些相机包括Allied Vision公司的Mako系列、IDS公司的uEye系列和FLIR Integrated Imaging Solutions公司的Flea系列。根据这些相机中使用的图像传感器的配置，帧率可以超过100fps，它们在高速机器视觉应用中非常有用。
虽然GigE相机可能不需要配置图像采集卡，但这并不是说不需要网卡。虽然标准网络接口卡（NIC）可用于支持一系列GigE相机，但是使用标准NIC可能并不是降低使用GigE标准所涉及的高CPU使用率和高延迟的解决方案。因此，Mellanox等公司开发了一系列使用该公司的Socket Direct的NIC。它们使用远程直接内存访问（RDMA），这是一种DMA协议，用于在不涉及操作系统开销的情况下，将数据从相机传输到主机内存。
Emergency Vision Technologies公司已经使用这些接口来支持其最新的25GigE相机，这些相机也在去年的VISION展会上亮相了。该公司的Bolt系列中有两个产品使用了25GigE接口：HB-50000，采用7920×6004像素的全局快门CMOS图像传感器，以30fps的帧率运行；HB-12000，采用4096×3000像素的全局快门CMOS图像传感器，以188fps的帧率运行（见图2）。

图2：Emergency Vision Technologies公司使用Mellanox公司的计算机接口，支持其两款25GigE Bolt系列相机，（a）HB-50000，采用7920×6004像素的全局快门CMOS图像传感器，以30fps的帧率运行；（b）HB-12000，采用4096×3000像素的全局快门CMOS图像传感器，以188fps的帧率运行。

实施系统
希望在应用中部署这种高速相机系统的系统集成商，可以选择开发基于PC的图像记录器，这些图像记录器基于标准图像采集卡、高速存储器和固态驱动器，用于存储图像数据。例如，现成的基于PC的软件，如Norpix公司的StreamPix或TroublePix软件，或Xcitex公司的ProAnalyst软件，可以与此类PC集成，以提供现成的解决方案。
另外，高速相机系统开发人员可以从软件供应商和相机供应商那里购买配置好的系统。例如，Norpix公司提供的一款小巧型记录器，可用于以200fps的帧率从640×480×8位GigE Vision相机中捕获图像。其能够记录的时长为170分钟，图像被记录到RAM或固态驱动器中，然后可以用该公司的StreamPix软件进行分析。
同样，Imperx公司开发了一套Ethernet/IP Process Video Recorder（EIPVR）事件记录系统，该系统可与Imperx公司的B0620 640×480像素的GigE相机配合使用，采用以太网供电（PoE），能以250fps的帧率记录60秒的视频，若想记录更长的时间，降低帧率即可。在操作中，记录系统会自动保存图像，并且使用Imperx公司的记录和回放软件，能以用户可配置的回放速度查看记录的事件（见图3）。

图3：Imperx公司的事件记录系统可与该公司640×480像素的相机B0620配合使用，采用以太网供电，能以250fps的帧率记录60秒的视频；若帧率更低，则能记录更长的时间。

由此可见，选择使用独立的高速相机，还是使用低成本的依赖于主机PC的相机，高度依赖于特定的应用场景。在许多非常高速的应用中，例如碰撞测试分析，基于PC的相机无法实时分析捕获到的图像数据。但是，对于较慢的图像分析和过程监控应用，选用基于PC的低成本相机，很可能就足以高效胜任工作了。