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機器視覺在自動化測量係統的控製器選擇
日期：2018-01-17
來源：J9九游会中国
機器視覺在自動化測量係統中的應用日益普及。其原因是越來越多的信息需要從相機中提取，而不是從一個專用傳感器中提取。相機可以用於提取溫度信息、測量尺寸，並檢查對象存在與否，同時也提供了許多其它有用的信息。這使其廣泛應用於質量檢測、機械控製和機器人引導等應用中，所有這些應用在選擇控製硬件和軟件時都有獨特的需求和挑戰。本文概述了其中一些考量因素來幫助您選擇最適合您機器視覺係統的控製器。
1.什麽是視覺係統？
視覺係統由一個或多個用於圖像采集的相機以及一個用於運行采集和分析軟件的控製器組成。這些係統可以有多種組成結構，但最常見的是智能相機，在智能相機中，相機和控製器集成到一個裝置中，相機通過幀接收器或以太網、USB等其他連接端口連接到台式計算機或工業PC，甚至相機可直接連接到可編程邏輯控製器(PLC)等工業控製設備，由控製器管理圖像采集以及片I/O和測量設備。您可以使用這些係統來解決類似的應用，但每個係統的功能各不相同，使之更適合於某些使用場景。選擇最適合您應用的控製器時，需要考慮您的需求並將這些需求匹配到最適合任務需求的控製器。雖然最明顯的考量因素是控製器的處理能力，但其他因素也對控製器的選擇影響甚大，比如所支持的相機、I/O功能和與現有基礎設施集成的能力。
2.處理能力
強大的處理能力可以直接影響可運行的算法以及視覺係統做出決策的速度。單相機條碼檢測係統所需的處理能力顯然比多相機立體視覺係統要低得多。此外，I/O或閉環運動控製等機器視覺係統需要更高的處理能力來確保視覺組件以及I/O和運動控製組件可以穩定地運行。為了減少圖像處理時間，一些廠商現在使用同構處理來運行視覺算法。同構處理方法使用CPU和GPU、FPGA或DSP的組合來處理圖像，速度比單獨使用其中某個組件要快得多。同構處理減少了圖像處理所需的時間，甚至可以允許圖像用作為閉環控製算法的輸入。在選擇視覺係統所需的控製器之前，充分理解要使用的算法以及係統運行這些算法所需的時間是很重要的。
3.支持的相機
圖像采集所使用的相機數量和通信總線類型也會影響控製器的選擇。在您選擇了應用所需的相機後，請確保控製器能夠支持相機所使用的通信總線。機器視覺應用中兩個常用的工業標準總線是USB3Vision和GigEVisio。這些標準可允許控製器使用標準USB3.0或以太網端口來連接相機，這兩種端口常見於消費和工業計算機上。兩種標準可以通過集線器或交換機來將多台相機連接至一個端口。這是在係統中添加更多相機的一種可行方法，但請記住，連接到集線器的每個相機都會與同一個集線器的其他相機共享帶寬。此外，大多數消費級交換機並不支持以太網供電(PoE)等特定功能。如果您打算使用這些功能，或者您的係統沒有足夠的帶寬來讓多個相機共享，則可能要選擇一個具有多個獨立控製端口的控製器，使得每個相機都能夠獲得完整的帶寬。
4.I/O功能
大多數機器視覺係統需要一些基本的數字I/O來觸發相機或讀取編碼器。一個例子是視覺係統使用安裝在傳送帶上方的相機來檢測所傳送的零件。這其中的難點在於如何讓相機在零件移動到相機正下方時拍攝圖像，除非係統可以跟蹤輸送帶的位置。這個問題的一種常見解決方法是使用編碼器來讀取傳送帶的位置並以與傳送機上放置零件的時間間隔來觸發相機。如果零件在傳送機上的間隔不均勻，則可使用接近式傳感器來觸發相機。有些機器視覺係統可能需要更高級的I/O功能。在一些材料分析應用中，通常需要將圖像與測量數據同步，以便圖像中的事件可以與測量數據相關聯。設想一個使用相機和應變計來測量施加外力時複合材料的彎曲程度和負載的應用。這些同步的數據可以用來了解材料在外力作用下的行為，甚至可以測量出材料的斷裂點。這種級別的同步需要圖像采集和I/O之間能夠緊密集成，使得測量數據可以精確地進行時間標記或者相機和測量設備之間能夠共享同一個時鍾。選擇控製器之前需要了解您的I/O和同步需求。對於觸發或非同步測量等基本I/O需求，可以選擇具有集成式或網絡分布式I/O的控製器。對於更複雜的I/O需求，可選擇具有集成式I/O或通過EtherCAT等確定性通信協議連接I/O設備的控製器。
5.係統集成
理想情況下，我們希望來自不同廠商的硬件和軟件能夠奇跡般地自動相互支持，以允許數據完美共享，但事實並非如此。通常情況下，機器視覺係統必須被添加到現有基礎設施，而這些基礎設施包含了來自不同廠商的係統，每個係統使用專用的接口。這種集成極具挑戰性，但值得慶幸的是，以太網/IP和Modbus等標準通訊協議的出現使得這個過程變得更為容易。確保您充分了解現有的基礎設施，並選擇一個可以與其集成的視覺控製器。同時所選的控製器應可支持各種工業通信協議，以確保最佳的集成效果。
6.產品比較
CVS、CompactRIO和NI工業控製器均是NI針對視覺係統提供的產品。正如前麵所說的，處理能力和相機的數量會直接影響機器視覺係統的整體性能。為了理解這些產品之間的差異，可以看一下它們用作為取放機器的控製器時的性能，取放機器需要使用一個或多個相機來識別要拾取的零件。機器的整體性能通過每秒可識別的零件數量來衡量。NI工業控製器提供的性能接近於采用被動冷卻封裝的桌麵級處理器可達到的性能。豐富的相機連接端口選項以及高性能處理器使其成為所有產品中最強大的控製器，但這些都並不是唯一要考慮的特性。
7.Compact視覺係統
CVS是一款經視覺優化的工業計算機，提供兩個獨立控製的GigE或USB3.0端口來連接相機。CVS擁有一個強大的四核處理器，提供了高需求應用所需的性能，同時也具有一個用於連接人機界麵的內置VGA端口和用於連接鼠標和鍵盤的USB2.0端口。CVS還包括基於FPGA的數字I/O，可用於讀取編碼器和實現自定義觸發。雖然CVS缺少用於C係列I/O的集成插槽，但可通過連接以太網或EtherCAT擴展機箱來將C係列I/O添加到係統中。此外，係統還可以使用Ethernet/IP、RS232/RS485、Modbus串行、Modbus/TCP等工業協議來傳送指令與數據給其他設備，比如可編程邏輯控製器(PLC)與操作界麵。CVS還具有一個用於網絡連接的專用千兆位以太網端口以及兩個用於連接外部數據存儲器的高速USB端口。通過企業連接功能，您還可監測檢測結果、查看圖像或是把數據儲存在數據庫中進行統計過程控製。
8.CompactRIO
CompactRIO適用於需要強大處理能力以及模塊化I/O來實現自動化、測量和控製任務的應用。最新的高性能CompactRIO型號搭載與CVS相同的四核IntelAtom處理器，並提供了與GigEVision相機和USB3Vision相機的連接端口，可向後兼容USB2.0。此外，CompactRIO提供了可支持數百個C係列I/O模塊的8個插槽，使您可以通過任何總線連接任何傳感器。CompactRIO還具有內置的用戶可編程FPGA，可更快速處理圖像。這意味著CPU和FPGA可以相互配合來共同處理圖像，減少處理時間。CompactRIO可以通過內置的RS232/RS485端口或工業通信C係列模塊輕鬆地與PLC和操作界麵集成。CompactRIO還具有一個用於網絡連接的專用千兆位以太網端口以及兩個用於連接外部數據存儲器的高速USB端口。通過企業連接功能，您還可監測檢測結果、查看圖像或是把數據儲存在數據庫中進行統計過程控製。
9.工業控製器
與CVS相似，NI工業控製器也是經過視覺優化的工業計算機。該控製器具有四個獨立控製的千兆以太網端口、兩個USB3.0端口、一個Inteli7處理器以及一個XilinxKintex-7FPGA，這使其成為NI為視覺應用提供的最強大的嵌入式控製器。雖然NI工業控製器缺少用於C係列I/O的集成插槽，但可通過連接以太網或EtherCAT擴展機箱來將I/O添加到係統中。工業控製器的大型FPGA和強大的處理器相結合，可更快速地處理圖像，從而降低延遲。此外，係統還可以使用Ethernet/IP、RS232/RS485、Modbus串行、Modbus/TCP等工業協議來傳送指令與數據給其他設備，比如PLC與操作界麵。工業控製器還具有一個用於網絡連接的專用千兆位以太網端口以及四個用於連接外部數據存儲器的USB2.0端口。通過企業連接功能，您還可監測檢測結果、查看圖像或是把數據儲存在數據庫中進行統計過程控製。NI工業控製器適用於需要高速處理的高性能多相機應用。
1.什麽是視覺係統？
視覺係統由一個或多個用於圖像采集的相機以及一個用於運行采集和分析軟件的控製器組成。這些係統可以有多種組成結構，但最常見的是智能相機，在智能相機中，相機和控製器集成到一個裝置中，相機通過幀接收器或以太網、USB等其他連接端口連接到台式計算機或工業PC，甚至相機可直接連接到可編程邏輯控製器(PLC)等工業控製設備，由控製器管理圖像采集以及片I/O和測量設備。您可以使用這些係統來解決類似的應用，但每個係統的功能各不相同，使之更適合於某些使用場景。選擇最適合您應用的控製器時，需要考慮您的需求並將這些需求匹配到最適合任務需求的控製器。雖然最明顯的考量因素是控製器的處理能力，但其他因素也對控製器的選擇影響甚大，比如所支持的相機、I/O功能和與現有基礎設施集成的能力。
2.處理能力
強大的處理能力可以直接影響可運行的算法以及視覺係統做出決策的速度。單相機條碼檢測係統所需的處理能力顯然比多相機立體視覺係統要低得多。此外，I/O或閉環運動控製等機器視覺係統需要更高的處理能力來確保視覺組件以及I/O和運動控製組件可以穩定地運行。為了減少圖像處理時間，一些廠商現在使用同構處理來運行視覺算法。同構處理方法使用CPU和GPU、FPGA或DSP的組合來處理圖像，速度比單獨使用其中某個組件要快得多。同構處理減少了圖像處理所需的時間，甚至可以允許圖像用作為閉環控製算法的輸入。在選擇視覺係統所需的控製器之前，充分理解要使用的算法以及係統運行這些算法所需的時間是很重要的。
3.支持的相機
圖像采集所使用的相機數量和通信總線類型也會影響控製器的選擇。在您選擇了應用所需的相機後，請確保控製器能夠支持相機所使用的通信總線。機器視覺應用中兩個常用的工業標準總線是USB3Vision和GigEVisio。這些標準可允許控製器使用標準USB3.0或以太網端口來連接相機，這兩種端口常見於消費和工業計算機上。兩種標準可以通過集線器或交換機來將多台相機連接至一個端口。這是在係統中添加更多相機的一種可行方法，但請記住，連接到集線器的每個相機都會與同一個集線器的其他相機共享帶寬。此外，大多數消費級交換機並不支持以太網供電(PoE)等特定功能。如果您打算使用這些功能，或者您的係統沒有足夠的帶寬來讓多個相機共享，則可能要選擇一個具有多個獨立控製端口的控製器，使得每個相機都能夠獲得完整的帶寬。
4.I/O功能
大多數機器視覺係統需要一些基本的數字I/O來觸發相機或讀取編碼器。一個例子是視覺係統使用安裝在傳送帶上方的相機來檢測所傳送的零件。這其中的難點在於如何讓相機在零件移動到相機正下方時拍攝圖像，除非係統可以跟蹤輸送帶的位置。這個問題的一種常見解決方法是使用編碼器來讀取傳送帶的位置並以與傳送機上放置零件的時間間隔來觸發相機。如果零件在傳送機上的間隔不均勻，則可使用接近式傳感器來觸發相機。有些機器視覺係統可能需要更高級的I/O功能。在一些材料分析應用中，通常需要將圖像與測量數據同步，以便圖像中的事件可以與測量數據相關聯。設想一個使用相機和應變計來測量施加外力時複合材料的彎曲程度和負載的應用。這些同步的數據可以用來了解材料在外力作用下的行為，甚至可以測量出材料的斷裂點。這種級別的同步需要圖像采集和I/O之間能夠緊密集成，使得測量數據可以精確地進行時間標記或者相機和測量設備之間能夠共享同一個時鍾。選擇控製器之前需要了解您的I/O和同步需求。對於觸發或非同步測量等基本I/O需求，可以選擇具有集成式或網絡分布式I/O的控製器。對於更複雜的I/O需求，可選擇具有集成式I/O或通過EtherCAT等確定性通信協議連接I/O設備的控製器。
5.係統集成
理想情況下，我們希望來自不同廠商的硬件和軟件能夠奇跡般地自動相互支持，以允許數據完美共享，但事實並非如此。通常情況下，機器視覺係統必須被添加到現有基礎設施，而這些基礎設施包含了來自不同廠商的係統，每個係統使用專用的接口。這種集成極具挑戰性，但值得慶幸的是，以太網/IP和Modbus等標準通訊協議的出現使得這個過程變得更為容易。確保您充分了解現有的基礎設施，並選擇一個可以與其集成的視覺控製器。同時所選的控製器應可支持各種工業通信協議，以確保最佳的集成效果。
6.產品比較
CVS、CompactRIO和NI工業控製器均是NI針對視覺係統提供的產品。正如前麵所說的，處理能力和相機的數量會直接影響機器視覺係統的整體性能。為了理解這些產品之間的差異，可以看一下它們用作為取放機器的控製器時的性能，取放機器需要使用一個或多個相機來識別要拾取的零件。機器的整體性能通過每秒可識別的零件數量來衡量。NI工業控製器提供的性能接近於采用被動冷卻封裝的桌麵級處理器可達到的性能。豐富的相機連接端口選項以及高性能處理器使其成為所有產品中最強大的控製器，但這些都並不是唯一要考慮的特性。
7.Compact視覺係統
CVS是一款經視覺優化的工業計算機，提供兩個獨立控製的GigE或USB3.0端口來連接相機。CVS擁有一個強大的四核處理器，提供了高需求應用所需的性能，同時也具有一個用於連接人機界麵的內置VGA端口和用於連接鼠標和鍵盤的USB2.0端口。CVS還包括基於FPGA的數字I/O，可用於讀取編碼器和實現自定義觸發。雖然CVS缺少用於C係列I/O的集成插槽，但可通過連接以太網或EtherCAT擴展機箱來將C係列I/O添加到係統中。此外，係統還可以使用Ethernet/IP、RS232/RS485、Modbus串行、Modbus/TCP等工業協議來傳送指令與數據給其他設備，比如可編程邏輯控製器(PLC)與操作界麵。CVS還具有一個用於網絡連接的專用千兆位以太網端口以及兩個用於連接外部數據存儲器的高速USB端口。通過企業連接功能，您還可監測檢測結果、查看圖像或是把數據儲存在數據庫中進行統計過程控製。
8.CompactRIO
CompactRIO適用於需要強大處理能力以及模塊化I/O來實現自動化、測量和控製任務的應用。最新的高性能CompactRIO型號搭載與CVS相同的四核IntelAtom處理器，並提供了與GigEVision相機和USB3Vision相機的連接端口，可向後兼容USB2.0。此外，CompactRIO提供了可支持數百個C係列I/O模塊的8個插槽，使您可以通過任何總線連接任何傳感器。CompactRIO還具有內置的用戶可編程FPGA，可更快速處理圖像。這意味著CPU和FPGA可以相互配合來共同處理圖像，減少處理時間。CompactRIO可以通過內置的RS232/RS485端口或工業通信C係列模塊輕鬆地與PLC和操作界麵集成。CompactRIO還具有一個用於網絡連接的專用千兆位以太網端口以及兩個用於連接外部數據存儲器的高速USB端口。通過企業連接功能，您還可監測檢測結果、查看圖像或是把數據儲存在數據庫中進行統計過程控製。
9.工業控製器
與CVS相似，NI工業控製器也是經過視覺優化的工業計算機。該控製器具有四個獨立控製的千兆以太網端口、兩個USB3.0端口、一個Inteli7處理器以及一個XilinxKintex-7FPGA，這使其成為NI為視覺應用提供的最強大的嵌入式控製器。雖然NI工業控製器缺少用於C係列I/O的集成插槽，但可通過連接以太網或EtherCAT擴展機箱來將I/O添加到係統中。工業控製器的大型FPGA和強大的處理器相結合，可更快速地處理圖像，從而降低延遲。此外，係統還可以使用Ethernet/IP、RS232/RS485、Modbus串行、Modbus/TCP等工業協議來傳送指令與數據給其他設備，比如PLC與操作界麵。工業控製器還具有一個用於網絡連接的專用千兆位以太網端口以及四個用於連接外部數據存儲器的USB2.0端口。通過企業連接功能，您還可監測檢測結果、查看圖像或是把數據儲存在數據庫中進行統計過程控製。NI工業控製器適用於需要高速處理的高性能多相機應用。
