智能相机 智能相机 智能相机在工业应用中挑战基于PC的系统

在空之间的有限工业过程监控中，使用大量的摄像头与基于PC的机器视觉系统连接不是一个可行的方案。在这种情况下，使用具有摄像头和PC功能的智能摄像头可以为系统集成商提供本地通过/失败判断、I/O部件拒绝和联网管理能力等选项，同时可以减少系统占用的空空间。

在过去十年中，机器视觉应用领域对智能相机的需求稳步增长。然而，正如澳大利亚国家信息和通信技术研究所(NICTA)的石喻在《智能相机:回顾》一文中指出的那样，智能相机将越来越多地部署在医疗、娱乐和教育领域。

在这些领域，每个应用都需要不同类型的智能相机。尽管大规模生产的安全摄像机可能需要低成本的成像器、处理器、存储器和无线接口，但为工业机器视觉应用开发的摄像机需要额外的功能。对于那些想要将智能相机部署到工业应用的人来说，市场上有一系列智能相机产品可供选择，包括不同类型的图像传感器、CPU、DSP、FPGA、I/O、软件和内外照明功能。

多处理器体系结构在为机器视觉应用提供图像处理吞吐量方面非常有用，因为这种体系结构可以在不同的处理器之间分配视觉任务。比如FPGA可以最有效的执行直方图均衡、图像滤波等处理任务；对于统计模式识别的任务，最好交给一般CPU。通过在多个处理器之间分配这些任务，可以有效地执行图像处理任务，从而减少延迟和处理时间。

每个智能相机供应商都采用了自己特定的计算架构，它们之间的差异会对系统性能产生很大影响。瑞典中央大学的阿卜杜勒·瓦希德·马利克在他的论文《实时机器视觉系统的三种智能相机体系结构的比较》中指出。基于软件的商用智能相机可能比其他类型的设计显示出更高的延迟和更高的功耗，但它们可以受益于更容易的软件编程。

在这种智能相机设计中，FPGA可以在CPU、DSP或GPU处理图像之前，执行低级的图像处理功能，如缺陷像素校正、伽玛校正或拜耳插值等。通过将这些任务卸载到FPGA，相机中的处理器可以更好地执行更高级别的图像处理任务。

正如智能相机的架构非常重要一样，智能相机以所需速度执行特定任务的易用性或可编程性对于系统集成商也非常关键。虽然智能相机可以使用各种不同类型的图像传感器、I/O和照明配置，但供应商通常提供智能相机产品来执行某些成像任务，如条形码读取。这些特定的功能已经被定制到相机的板载FPGA和CPU，相机不能再被配置为执行其他任务。

然而，许多系统集成商需要能够执行多种图像处理操作的智能相机，例如图像增强、特征定位、对象测量、存在/不存在检测或其他机器视觉任务。在这种情况下，开发者将面临许多选择。为了满足这些要求，许多智能相机供应商为智能相机产品提供了自己的软件和GUI开发系统。虽然这款相机的使用可能仅限于供应商自己的软件，但供应商对智能相机及其可视化软件有很深的了解，这也是对系统开发者的支持保证。

一些供应商(尤其是在机器视觉软件开发方面比较成熟的供应商)已经意识到出现了与自己产品设计类似的第三方智能相机。许多供应商没有忽视这个机会，而是允许其他智能相机供应商将其软件集成到各种智能相机产品中。然而，虽然第三方相机供应商也可以提供智能相机产品，但他们的支持可能比智能相机系统和机器视觉软件供应商的支持更有限。通过这种开发，复杂的系统集成商可以使用现成的软件包和第三方摄像机为他们的机器视觉任务开发最有效和高效的解决方案。

条形码阅读

如今，许多公司专门为条形码读取应用提供智能相机(通常称为智能图像传感器)，例如康耐视的DataMan和MX代码阅读器、Datalogic的Matrix系列、Kearns的SR系列、Macken的MicroHAWK代码阅读器、SICK的力克系列以及TeledyneDALSA的BOA Spot ID产品。

虽然这些公司都使用专门用于条形码读取的成像器和处理器，但许多公司已经意识到读取或验证条形码数据的完整性必须与实时监控系统和软件一起部署。通过实施这样的网络化系统，工厂管理人员可以识别和分类任何读取或验证错误，并将错误原因呈现为可视数据，例如错误的条形码打印机，从而增加正确读取代码的概率，提高生产线上机器的效率并减少浪费。

市场上有一些这样的实时监控系统的例子，比如SICK的软件包分析软件，Keens的WebSentinel PLUS和康耐视的Cognex Explorer实时监控(RTM)系统(见图1)。通过解释这些图像数据，而不仅仅是读取或验证它们，管理人员可以获得关于代码阅读器性能和工业网络上其他外围设备状态的有价值的数据。

图1:康耐视浏览器实时监控(RTM)系统可以解读来自基于图像的读码器的图像数据，为运营管理者提供关于读码器性能和工业网络上其他外设状态的有价值的数据。

专有解决方案

虽然许多智能相机在设计上相似，但制造商已经意识到，为了给这些智能相机产品增加价值，他们可以执行机器视觉任务。针对特定设备定制此类软件使供应商能够更严格地控制他们的产品和客户需要执行的任务。卡恩斯和欧姆龙都为智能相机提供了自己的专有软件，用于执行特定的成像任务。比如Keith的Vision Sensor IV系列可以执行边缘存在、轮廓、色差测量等功能；欧姆龙的FQ2系列和Shape Search III工具可以搜索和匹配注册的图案。这在识别特定颜色和尺寸的标签并且同时测量标签的面积或中心位置的应用中特别有用。

不仅仅是日本供应商提供专有的硬件/软件解决方案。例如，Datalogic的Impact软件支持其P系列、A系列和T系列智能相机，为开发人员提供了100多种检查工具和用户界面控件，用于创建机器视觉检查程序(见图2)。BannerEngineering提供视觉管理器软件来支持其VE系列智能相机，这些相机用于目标检测、零件定位、特征测量和缺陷分析。印度孤子技术公司为其基于数字信号处理器的智能相机Neo开发了孤子通信库(SVL)软件。想要定制相机的OEM也可以使用德州仪器的Code Composer Studio开发自己的算法。

图2: DataLogic的Impact软件支持其P系列、A系列和T系列智能相机。该软件为开发人员提供了100多种检测工具和用户界面控件，用于创建机器视觉检测程序。

软件是关键

就像卡恩斯(Kearns)和欧姆龙(Omron)等公司提供只能配置自己相机的专有软件一样，一些成熟的软件供应商也提供自己的智能相机产品。其中，康耐视、Teledyne DALSA、MatroxImaging、Mesken和NI都提供智能相机产品，供其机器视觉软件使用。

这些公司在机器视觉软件开发方面有着悠久的历史，他们已经意识到系统开发人员需要一种简单的方法来为他们的智能相机编程。为此，他们开发了一个简化的用户界面。这样，系统开发人员就不需要进行复杂的软件开发任务，就可以专注于自己的检测任务。

这样的开发工具提供了很多不同的配置，让集成商可以用易于理解的界面来配置智能相机。这些界面为智能相机编程提供了多种选项。例如，对于In-Sight系列智能相机，康耐视的EasyBuilder软件允许从菜单中选择一系列功能，以实现模式图像匹配、过滤、缺陷分析和光学字符识别等任务。

同样，Teledyne DALSA的iNspectExpress界面可以指导开发人员设置可视化任务，并执行存在/缺失检测、零件对齐、测量和表面检查等功能(见图3)。该软件运行在其BOA系列智能相机上，还包括一个脚本功能，允许通过以太网或RS-232串行接口与第三方设备通信。Maisiken提供AutoVISION图形用户界面开发其MicroHAWK系列智能相机，以执行条码读取、零件定位、计数、有无检测等任务。该界面还可以通过Maisiken的VisionScape软件进行扩展，用于更高级的应用程序。

图3: Teledyne Dalsa的iNspect Express软件在其BOA系列智能相机上运行，用于指导开发人员设置视觉任务，并执行存在/缺失检测、零件对齐、测量和表面检查等任务。有20多种工具可用，本应用中显示了半导体封装的引脚计数和距离测量(中心)。

Matrox提供了一个流程图的方法来编程它的虹膜GTR智能相机。MatroxDesign Assistant是一个集成开发环境(IDE)，允许开发人员在不进行常规编程的情况下构建应用程序。集成开发环境还支持为特定应用开发图形操作界面。

第三方解决方案

许多专有智能相机专用于条形码读取等任务，而可编程智能相机允许执行多种机器视觉任务。系统集成商可以选择第三方相机，而不是智能相机和软件厂商。由于很多智能相机都是基于Intel或者AMD处理器的，开发者可以使用这两家公司或者其他基于PC的机器视觉软件厂商开发的软件。

例如，凌华科技的NEON-1021智能相机使用英特尔凌动处理器，支持各种软件包，包括MVTec的MERLIC和HALCON、StemmerImaging的Common Vision Blox、cognex的VisionPro、Matrox的MIL和TeledyneDALSA的夏洛克。

很多智能相机供应商也支持第三方机器视觉软件包，比如Adaptive Vision的图形adaptive vision studio 4.8软件包。Adaptive Vision的软件使用基于数据流的软件界面，可以对摄像机校准、条形码读取、一维和二维测量以及模板匹配等任务进行编程(见图4)。

图4:图形化Adaptive Vision Studio 4.8软件使用基于数据流的软件界面，可以在智能相机上运行，用于相机校准、条形码读取、一维和二维测量以及模板匹配。

在Adaptive Vision Studio中创建的程序可以在智能相机上运行，如凌华科技的NEON、新电子技术的Corsight、上海瑞石的啄木鸟1和XIMEA的xPlatform。目前，XIMEA和英特尔NUC版本保持对四个库的支持——国家仪器公司的LabVIEW、MathWorks的MATLAB、MVTec的HALCON和OpenCV源计算机视觉库，并对许多其他软件包提供有限的支持。

想要在生产设备中部署智能相机的系统开发人员有很多不同的选择:选择特殊的固定功能设备，选择成熟的软硬件供应商提供的可编程智能相机，或者选择基于第三方PC的相机。也许比性价比更重要的是每个厂商提供的软件的功能和支持水平。

文本/安迪·威尔逊(2017年9月号英文版原文)