智能相機(jī)亞研發(fā)可行性報(bào)告

一．工程簡要介紹工業(yè)相機(jī)領(lǐng)域主要分為三大類，分別是FA鏡頭〔智能相機(jī)〕、遠(yuǎn)心鏡頭和工業(yè)顯微鏡。遠(yuǎn)心鏡頭主要是為糾正傳統(tǒng)工業(yè)鏡頭視差而設(shè)計(jì)，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(huì)變化，這對(duì)被測(cè)物不在同一物面上的情況是非常重要的應(yīng)用。工業(yè)顯微鏡主要適用于金屬、半導(dǎo)體行業(yè)的超精細(xì)檢測(cè)。智能相機(jī)(SmartCamera)是一種高度集成化的微小型機(jī)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(jī)內(nèi)，從而提供了具有多功能、模塊化、高可靠性、易于實(shí)現(xiàn)的機(jī)器視覺解決方案。同時(shí)，由于應(yīng)用了最新的DSP、FPGA及大容量存儲(chǔ)技術(shù)，其智能化程度不斷提高，可滿足多種機(jī)器視覺的應(yīng)用需求。二．工程根本原理及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)1.智能相機(jī)根本結(jié)構(gòu)。如下列圖所示，智能相機(jī)系統(tǒng)大體由C/CS接口鏡頭、CCD感光元件、面陣CCD相關(guān)電路設(shè)計(jì)〔驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路軟件設(shè)計(jì)〕、DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔視頻處理電路設(shè)計(jì)、RS-接口電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)、DSP軟件設(shè)計(jì)〕、軟件界面設(shè)計(jì)構(gòu)成。2.智能相機(jī)工作原理工作原理是光線經(jīng)過C/CS接口鏡頭會(huì)聚打到CCD的靶面上成像，CCD在CPLD或FPGA的驅(qū)動(dòng)下對(duì)每個(gè)感光源的電荷進(jìn)行光積分后存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)移，模擬圖像數(shù)據(jù)通過相關(guān)雙采樣〔CDS〕進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器采樣保持并對(duì)轉(zhuǎn)移過來的電荷量進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)字圖像信號(hào)在CPLD或FPGA的同步下被DSP存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器SRAM中，準(zhǔn)備進(jìn)一步運(yùn)算處理。然后在DSP中對(duì)原始數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行視頻處理和圖像輸出。最終通過智能相機(jī)系統(tǒng)自身的PC軟件，將圖像實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在電腦上。3.智能相機(jī)各部件介紹〔1〕C/CS接口鏡頭 目前市場(chǎng)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(chǎng)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(yīng)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(zhì)量方面要明顯高于CMOS，所以智能相機(jī)感光元件選用CCD作為接受光信號(hào)的元件。智能相機(jī)CCD的尺寸在1/2至1英寸之間選擇，其中廣泛應(yīng)用的是1/2英寸、2/3英寸兩種。每款CCD都有它獨(dú)特的光譜響應(yīng)范圍，所以在選用的時(shí)候也要注意鏡頭與CCD的選配，以及濾光片的使用。市場(chǎng)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(shí)際的檢測(cè)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(guān)電路設(shè)計(jì)及元器件。CCD的應(yīng)用中主要解決兩個(gè)問題：一是CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，另一個(gè)是CCD輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和傳輸。下面分別介紹〔a.〕CCD驅(qū)動(dòng)電路〔直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)〕。 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(yù)想的方式運(yùn)作。這種方法是數(shù)字門電路及時(shí)序電路直接搭成CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序所需的電路，通過硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD的驅(qū)動(dòng)。具體可通過CPLD或FPGA方法實(shí)現(xiàn)。如下列圖所示?！瞓．〕A/D轉(zhuǎn)換電路〔輸出信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換和傳輸電路〕。A/D轉(zhuǎn)換電路將CCD傳輸過來的電荷模擬量的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的輸出，并將數(shù)字量轉(zhuǎn)化到DSP中。模擬轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。CCD結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)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(diǎn)?！瞕.〕CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路軟件設(shè)計(jì)〔4〕DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)〔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(hào)中央處理器。為保證智能相機(jī)對(duì)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(yīng)該根據(jù)仿真系統(tǒng)的規(guī)模、運(yùn)算速度、存儲(chǔ)容量而定。但一般情況下，選擇DSP芯片時(shí)應(yīng)考慮如下因素：DSP芯片的運(yùn)算速度、價(jià)格、硬件資源、運(yùn)算精度、開發(fā)工具及功耗。定點(diǎn)DSP芯片的價(jià)格較廉價(jià)，功耗較低，但運(yùn)算精度不高。而浮點(diǎn)DSP的運(yùn)算精度較高，用C語言編程方便，但是價(jià)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?！瞓．〕RS-接口電路這個(gè)接口是連接到外部控制機(jī)構(gòu)的，例如攝像機(jī)的云臺(tái)，用來控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yuǎn)的情況下使用RS-485.在實(shí)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(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信。RS-485是美國電器工業(yè)聯(lián)合會(huì)制定的利用平衡雙絞線做傳輸線的多點(diǎn)通信標(biāo)準(zhǔn)。它采用差分信號(hào)進(jìn)行傳輸，最大傳輸距離可達(dá)1.2km，最多可連接32個(gè)驅(qū)動(dòng)器和收發(fā)器。接收器最小靈敏度可達(dá)±200mV，最大傳輸速率可達(dá)2.5Mb/s，可以說RS-485是針對(duì)遠(yuǎn)距離，高靈敏度、多點(diǎn)通信制定的標(biāo)準(zhǔn)。連接口如下列圖所示?！瞔．〕電源電路涉及到整個(gè)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(dá)分壓目的。使各部件正常運(yùn)行?！瞕．〕DSP局部軟件設(shè)計(jì)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(chǔ)器格式化，文件系統(tǒng)管理，用戶身份驗(yàn)證，驅(qū)動(dòng)管理，網(wǎng)絡(luò)連接等方面的工具〕，是支持計(jì)算機(jī)系統(tǒng)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)用戶操作的那局部軟件。系統(tǒng)軟件一般是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)購置時(shí)隨機(jī)攜帶的，也可以根據(jù)需要另行安裝。三．工程技術(shù)成熟性及難點(diǎn)整體的設(shè)計(jì)步驟應(yīng)該是先選定CCD的型號(hào)，再根據(jù)其型號(hào)特征進(jìn)行C/CS接口的鏡頭、CCD驅(qū)動(dòng)電路和DSP整體電路的設(shè)計(jì)。 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(chǎng)上流行的鏡頭的F/#，焦距等參數(shù)，可估計(jì)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(gè)人認(rèn)為整機(jī)中最有技術(shù)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(shí)間的研究和消化。四．智能工業(yè)相機(jī)國內(nèi)市場(chǎng)分析〔轉(zhuǎn)載〕工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。選擇適宜的相機(jī)也是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，相機(jī)的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。1.工業(yè)相機(jī)需求情況2010年我國機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模到達(dá)億元，同比增長48.2%，其中工業(yè)相機(jī)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(jī)器視覺市場(chǎng)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(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模為億元，工業(yè)相機(jī)保持了30%以上的增速，增幅遠(yuǎn)高于中國整體自動(dòng)化市場(chǎng)的增長速度。2.國內(nèi)廠商中國是一個(gè)開展中國家，尤其進(jìn)入21世紀(jì)以來，各行各業(yè)都處于高速開展的階段。機(jī)器視覺技術(shù)隨著電子行業(yè)進(jìn)入中國，在自動(dòng)化生產(chǎn)的大背景下，得到了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)相機(jī)作為核心技術(shù)，其應(yīng)用涉及到的領(lǐng)域眾多，然而目前國內(nèi)高分辨率、高速的高端工業(yè)相機(jī)大都還是需要國外來提供，每一領(lǐng)域涉及到的相關(guān)技術(shù)短板都可能是導(dǎo)致國產(chǎn)工業(yè)相機(jī)技術(shù)水平處于世界領(lǐng)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(jī)的主要瓶頸在哪里呢？通過了解，難點(diǎn)根本上可以歸結(jié)到人才、市場(chǎng)、產(chǎn)品三個(gè)大方面中。一、人才方面都說21世紀(jì)，最珍貴的就是人才，在像工業(yè)相機(jī)制造這樣的技術(shù)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(jī)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(shù)人才。只有擁有一支優(yōu)秀的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，才能制造出優(yōu)秀的產(chǎn)品，才能給予強(qiáng)有力的技術(shù)支持，這樣國內(nèi)工業(yè)相機(jī)的市場(chǎng)才能得以開展。所以，人才是根底，只有不斷引進(jìn)優(yōu)秀的技術(shù)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(chǎng)方面有了人才，才能有市場(chǎng)；有了市場(chǎng)，才能吸引更多的人才，維持團(tuán)隊(duì)的開展。目前，市場(chǎng)尚未形成規(guī)模化是限制工業(yè)相機(jī)開展的最大瓶頸，只有市場(chǎng)開始系統(tǒng)化、規(guī)?；?，才能在供需循環(huán)系統(tǒng)的影響下，推開工業(yè)相機(jī)市場(chǎng)的開展，促進(jìn)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(gè)板塊，一個(gè)是產(chǎn)品技術(shù)的問題，另一個(gè)是產(chǎn)品價(jià)格的問題。產(chǎn)品技術(shù)方面，主要瓶頸在于數(shù)據(jù)處理接口技術(shù)比擬薄弱、軟件開發(fā)平臺(tái)的支持還做的不夠等方面，要想制造出高端的工業(yè)相機(jī)，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(jià)格方面，目前，國內(nèi)工業(yè)相機(jī)的本錢較高，使得與國際產(chǎn)品比擬之下，在價(jià)格上失去了優(yōu)勢(shì)，那么下一步，如何在保障質(zhì)量的前提下，降低本錢就是國內(nèi)生產(chǎn)商應(yīng)該去考慮的問題了。工業(yè)相機(jī)市場(chǎng)開展趨勢(shì)隨著市場(chǎng)競爭的日益劇烈，為了適應(yīng)行業(yè)開展的需求，滿足不同領(lǐng)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(shì)。工業(yè)相機(jī)作為機(jī)器視覺系統(tǒng)的核心組件，伴隨著產(chǎn)品升級(jí)