八相机系统方案
摘要：
随着机器视觉的发展，单相机系统在机器视觉中的局限性越来越明显，多相机系统已成为机器视觉发展的趋势。针对单相机系统的局限，本文提出了以千兆以太网工业相机组成的八相机机器视觉应用方案。该方案成功解决了单相机系统的局限性，能同时检测多个目标，且已有成功应用案例。
关键词：多相机系统、机器视觉、千兆以太网
1、引言
国内自动化产业的迅速发展为机器视觉带来了更为广阔的市场空间，而机器视觉系统的核心部件工业相机也同样得到巨大的发展。因此，高性价比的多相机机器视觉系统显得极为重要。
多相机系统中各相机可以相互独立的工作，对产品进行不同角度的检测。目前，多相机系统在立体监控、工业检测等领域得到广泛应用，比如：半导体和LED行业的集成和封装设备制造、多表面检测、晶体行业等。
限制多相机系统的主要技术瓶颈为计算机资源占用率和带宽。目前，市面已有四相机系统。该类相机在一定程度上克服了多相机系统的技术瓶颈，可以同步采集图像，也可工作于触发模式，但该类相机系统在应用上仍存在一定的局限性，即只能从四个角度进行图像采集，当目标需要采集的图像多于四个面的时候，该类相机系统有一定局限性。比如烟盒包装检测系统，需要检测烟盒的六个面，如采用四相机系统，则需要两组相机系统，两台电脑，增加了成本。针对四相机系统只能从四个角度进行图像采集或只能检测四个目标的缺陷，本方案提出了可以从八个方向采集图像或者可以同时检测八个目标的八相机系统。
2、相机选型
常用的工业相机的接口类型通常有：USB、IEEE1394、千兆以太网（GigE）。现有的USB接口类型包括USB2.0和USB3.0，USB2.0的带宽为40MB，传输距离5m，主要特点：易用，成本低，无标准协议，但稳定性差；USB3.0的带宽400MB，传输距离3m，有标准协议，但成本很高。1394a/1394b带宽为40MB/80MB，传输距离4.5m，主要特点： CPU占用低，适用于多相机场合，有标准的DCAM协议，但长距离传输价格高。GigE的带宽为100MB，传输距离100m，主要特点：传输距离远，线缆价格低，但CPU占用稍高，对主机要求配置较高。
从上分析可知，各接口的主要特点如下：USB接口相机主要存在稳定性差，带宽没保证、CPU占用率高和不适合长距离传输的缺陷。1394带宽较USB2.0宽，但长距离传输价格高。在当前计算机配置越来越高的环境下，主机的配置已不是GigE的局限，此外，GigE接口传输距离远，线缆价格低，非常适合长距离多相机场合。综合对比各接口类型的特点和本方案的实际需求情况，本方案采用GigE做为相机接口。
3、系统组成及测试结果分析
3.1 系统组成
以GigE为接口的八相机机器视觉系统由计算机、华用科技千兆以太网接口工业相机等组成。系统采用两块四通道的千兆以太网的PCI-E卡，八个相机通过千兆以太网接口跟计算机通信。八台相机独立工作，互不干扰，用户可以根据需求选择相应的相机(彩色/黑白，分辨率，帧率)。 在本次测试中采用的是HV500GM相机，该相机为500万像素的黑白工业相机，当采用全分辨率2592*1944时最高帧率为14fps。该相机体积只有33.3mmx32.6mmx52.3mm，重量轻，采用铝合金材料外壳，坚固耐用，散热良好， 特别适合尺寸受限的场合。图1为华用工业相机。
图1 华用工业相机
3.2 测试结果及分析
在本次测试中采用的电脑配置如下：
处理器：intel(R) core i7-3770k 主频3.5GHz；
内存：4G；
系统：WindowsXP。
测试1
打开四个相机，运行结果如图2所示。从测试结果可以看出，四个相机都能在全分辨率最高帧率14fps下正常工作。在运行时，CPU占有率<8%，内存使用约为145M。
图2 四个相机以14fps运行结果
测试2
同时打开八个相机，以14fps采集图像时，运行结果如图3所示。从测试结果可以看出，八个相机不能同时工作。
图3 八个相机以14fps运行结果
测试中，屏幕为白色的部分表示相机没有工作。从测试1和测试2可以看出，测试1中四个相机可以以14fps同时正常工作，但测试2中八个相机不能以14fps同时正常工作，有两个相机没有工作。在测试中2592*1944分辨率时一张图片大小为2592*1944/1024/1024=4.8M。在测试1中，当只接四个相机以14fps采集图像时，占用带宽为4.8*14*4=269M，四个相机可以同时工作。在测试2中，当采用八个相机同时以14fps采集图像时，占用带宽为4.8*14*8=538M，八个相机不能同时工作。四个相机时占用的带宽为269M，八个相机占用的带宽为538M，八个相机不能全部工作可能是由于带宽不够的原因。为了确认是否带宽的影响，再进行一次测试。
测试3
同时打开八个相机，以1fps采集图像时，运行结果如图4所示。从测试结果可以看出，八个相机不能同时工作。
图4 八个相机以1fps运行结果
从测试3可以看出，八个相机以1fps时，有一个相机不能正常工作(屏幕为白色的部分)。在这次测试中，八个相机占用的带宽为4.8*1*8=38.4M，这带宽是小于四个相机以14fps采集图像时占用的269M的带宽的。从以上分析可以看出，带宽不是决定八个相机能否同时工作的唯一因素。
针对前三次测试时产生的问题，本方案提出了一种能使八个相机均能正常工作的方法。测试4为对该方法的验证结果。
测试4
采用本方案的方法，打开八个相机，运行结果如图5所示。从测试结果可以看出八个相机能稳定工作，采集非常好，运行时CPU占用率<12%,内存使用约为220M。
图5 采用本方案的方法八相机运行结果
从上分析可知，当只接四个相机时，能使相机采集速度最快，而接八个相机时，则需适当降低采集速度。用户可根据实际情况，使某些相机采集速度低一些，而另一些相机采集速度高一些。此外，华用科技千兆网系列工业相机可以实现与Labview、MIL、Halcon、OpenCV等第三方视觉开发软件无缝链接。
4 行业应用案例
目前该方案已在工业检测等行业内得到了较为广泛的应用。已成功应用于SMT贴片机，LED固晶机，隧道检测仪等。
4.1 SMT贴片机应用案例
贴片机是用来实现高速、高精度的贴放元器件的设备，是整个SMT生产中最关键的设备。本公司开发的八相机系统现已经成功应用于国内某公司的SMT贴片机。图6为八相机系统在SMT贴片机上的应用。
图6 八相机系统的SMT贴片机
贴片机选择其中两个相机用于PCB基板的定位，另外六个相机进行贴片定位，可同时贴六片芯片，大大的提升了贴片速度。
4.2 隧道检测仪
隧道检测仪主要用于检测隧道内部是否存在安全隐患。目前，八相机系统已成功应用于隧道检测仪。图7为八相机系统在隧道检测仪上的应用。
图7 八相机系统在隧道检测仪上的应用
该设备装备了八个相机，当设备从隧道中通过时，八个相机从八个角度对隧道内部进行图像采集。从而避免了一些位置出现图像采集不到的情况。
5 结束语
多相机应用是机器视觉发展的趋势，具有良好的应用前景。相对于单相机，多相机有着无可替代的优势，多相机应用将在工业测量、检测等领域得到越来越广泛的应用。
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