機(jī)器視覺在自動化測量系統(tǒng)中的應(yīng)用日益普及。 其原因是越來越多的信息需要從相機(jī)中提取，而不是從一個專用傳感器中提取。 相機(jī)可以用于提取溫度信息、測量尺寸，并檢查對象存在與否，同時也提供了許多其它有用的信息。 這使其廣泛應(yīng)用于質(zhì)量檢測、機(jī)械控制和機(jī)器人引導(dǎo)等應(yīng)用中，所有這些應(yīng)用在選擇控制硬件和軟件時都有獨(dú)特的需求和挑戰(zhàn)。 本文概述了其中一些考量因素來幫助您選擇最適合您機(jī)器視覺系統(tǒng)的控制器。

1. 什么是視覺系統(tǒng)?

視覺系統(tǒng)由一個或多個用于圖像采集的相機(jī)以及一個用于運(yùn)行采集和分析軟件的控制器組成。 這些系統(tǒng)可以有多種組成結(jié)構(gòu)，但最常見的是智能相機(jī)，在智能相機(jī)中，相機(jī)和控制器集成到一個裝置中，相機(jī)通過幀接收器或以太網(wǎng)、USB等其他連接端口連接到臺式計算機(jī)或工業(yè)PC，甚至相機(jī)可直接連接到可編程邏輯控制器(PLC)等工業(yè)控制設(shè)備，由控制器管理圖像采集以及片I/O和測量設(shè)備。

您可以使用這些系統(tǒng)來解決類似的應(yīng)用，但每個系統(tǒng)的功能各不相同，使之更適合于某些使用場景。 選擇最適合您應(yīng)用的控制器時，需要考慮您的需求并將這些需求匹配到最適合任務(wù)需求的控制器。 雖然最明顯的考量因素是控制器的處理能力，但其他因素也對控制器的選擇影響甚大，比如所支持的相機(jī)、I/O功能和與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施集成的能力。

2. 處理能力

強(qiáng)大的處理能力可以直接影響可運(yùn)行的算法以及視覺系統(tǒng)做出決策的速度。 單相機(jī)條碼檢測系統(tǒng)所需的處理能力顯然比多相機(jī)立體視覺系統(tǒng)要低得多。 此外，I/O或閉環(huán)運(yùn)動控制等機(jī)器視覺系統(tǒng)需要更高的處理能力來確保視覺組件以及I/O和運(yùn)動控制組件可以穩(wěn)定地運(yùn)行。 為了減少圖像處理時間，一些廠商現(xiàn)在使用同構(gòu)處理來運(yùn)行視覺算法。 同構(gòu)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(dú)使用其中某個組件要快得多。 同構(gòu)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(huán)控制算法的輸入。 在選擇視覺系統(tǒng)所需的控制器之前，充分理解要使用的算法以及系統(tǒng)運(yùn)行這些算法所需的時間是很重要的。

3. 支持的相機(jī)

圖像采集所使用的相機(jī)數(shù)量和通信總線類型也會影響控制器的選擇。 在您選擇了應(yīng)用所需的相機(jī)后，請確?？刂破髂軌蛑С窒鄼C(jī)所使用的通信總線。 機(jī)器視覺應(yīng)用中兩個常用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線是USB3 Vision和GigE Visio。 這些標(biāo)準(zhǔn)可允許控制器使用標(biāo)準(zhǔn)USB 3.0或以太網(wǎng)端口來連接相機(jī)，這兩種端口常見于消費(fèi)和工業(yè)計算機(jī)上。 兩種標(biāo)準(zhǔn)可以通過集線器或交換機(jī)來將多臺相機(jī)連接至一個端口。 這是在系統(tǒng)中添加更多相機(jī)的一種可行方法，但請記住，連接到集線器的每個相機(jī)都會與同一個集線器的其他相機(jī)共享帶寬。 此外，大多數(shù)消費(fèi)級交換機(jī)并不支持以太網(wǎng)供電(PoE) 等特定功能。 如果您打算使用這些功能，或者您的系統(tǒng)沒有足夠的帶寬來讓多個相機(jī)共享，則可能要選擇一個具有多個獨(dú)立控制端口的控制器，使得每個相機(jī)都能夠獲得完整的帶寬。

4. I/O功能

大多數(shù)機(jī)器視覺系統(tǒng)需要一些基本的數(shù)字I/O來觸發(fā)相機(jī)或讀取編碼器。 一個例子是視覺系統(tǒng)使用安裝在傳送帶上方的相機(jī)來檢測所傳送的零件。 這其中的難點(diǎn)在于如何讓相機(jī)在零件移動到相機(jī)正下方時拍攝圖像，除非系統(tǒng)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并以與傳送機(jī)上放置零件的時間間隔來觸發(fā)相機(jī)。 如果零件在傳送機(jī)上的間隔不均勻，則可使用接近式傳感器來觸發(fā)相機(jī)。

有些機(jī)器視覺系統(tǒng)可能需要更高級的I/O功能。 在一些材料分析應(yīng)用中，通常需要將圖像與測量數(shù)據(jù)同步，以便圖像中的事件可以與測量數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。 設(shè)想一個使用相機(jī)和應(yīng)變計來測量施加外力時復(fù)合材料的彎曲程度和負(fù)載的應(yīng)用。 這些同步的數(shù)據(jù)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(diǎn)。 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(shù)據(jù)可以精確地進(jìn)行時間標(biāo)記或者相機(jī)和測量設(shè)備之間能夠共享同一個時鐘。 選擇控制器之前需要了解您的I/O和同步需求。 對于觸發(fā)或非同步測量等基本I/O需求，可以選擇具有集成式或網(wǎng)絡(luò)分布式I/O的控制器。對于更復(fù)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(xié)議連接I/O設(shè)備的控制器。

5. 系統(tǒng)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(shù)據(jù)完美共享，但事實(shí)并非如此。 通常情況下，機(jī)器視覺系統(tǒng)必須被添加到現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，而這些基礎(chǔ)設(shè)施包含了來自不同廠商的系統(tǒng)，每個系統(tǒng)使用專用的接口。 這種集成極具挑戰(zhàn)性，但值得慶幸的是，以太網(wǎng)/IP和Modbus等標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議的出現(xiàn)使得這個過程變得更為容易。 確保您充分了解現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施，并選擇一個可以與其集成的視覺控制器。 同時所選的控制器應(yīng)可支持各種工業(yè)通信協(xié)議，以確保最佳的集成效果。

6. 產(chǎn)品比較

CVS、CompactRIO和NI工業(yè)控制器均是NI針對視覺系統(tǒng)提供的產(chǎn)品。 正如前面所說的，處理能力和相機(jī)的數(shù)量會直接影響機(jī)器視覺系統(tǒng)的整體性能。 為了理解這些產(chǎn)品之間的差異，可以看一下它們用作為取放機(jī)器的控制器時的性能，取放機(jī)器需要使用一個或多個相機(jī)來識別要拾取的零件。 機(jī)器的整體性能通過每秒可識別的零件數(shù)量來衡量。

下圖顯示理論上該機(jī)器所能達(dá)到的性能。 該圖表顯示了一個桌面級處理器分別采用主動冷卻系統(tǒng)和被動冷卻系統(tǒng)時可實(shí)現(xiàn)的性能。

可以看到，NI工業(yè)控制器提供的性能接近于采用被動冷卻封裝的桌面級處理器可達(dá)到的性能。 豐富的相機(jī)連接端口選項(xiàng)以及高性能處理器使其成為圖表上所有產(chǎn)品中最強(qiáng)大的控制器，但這些都并不是唯一要考慮的特性。

現(xiàn)在，看一下下表中這些產(chǎn)品的集成I/O、存儲器和特定視覺功能，比如PoE。

1高性能CompactRIO控制器還可支持USB3 Vision相機(jī)，可向后兼容USB 2.0。

2盡管Compact視覺系統(tǒng)和工業(yè)控制器不具有用于C系列I/O的集成插槽，但是它們也可用于以太網(wǎng)或EtherCAT擴(kuò)展機(jī)箱。

3Compact視覺系統(tǒng)提供了有限的FPGA圖像處理支持，但由于FPGA的尺寸小，協(xié)處理帶寬有限，因而只能小幅提升性能。

每個應(yīng)用需求都決定著哪個控制器最適合您的應(yīng)用。 下面提供了每個產(chǎn)品的詳細(xì)概述。

7. Compact視覺系統(tǒng)

CVS是一款經(jīng)視覺優(yōu)化的工業(yè)計算機(jī)，提供兩個獨(dú)立控制的GigE或USB3.0端口來連接相機(jī)。 CVS擁有一個強(qiáng)大的四核處理器，提供了高需求應(yīng)用所需的性能，同時也具有一個用于連接人機(jī)界面的內(nèi)置VGA端口和用于連接鼠標(biāo)和鍵盤的USB2.0端口。 CVS還包括基于FPGA的數(shù)字I/O，可用于讀取編碼器和實(shí)現(xiàn)自定義觸發(fā)。 雖然CVS缺少用于C系列I/O的集成插槽，但可通過連接以太網(wǎng)或EtherCAT擴(kuò)展機(jī)箱來將C系列I/O添加到系統(tǒng)中。

此外，系統(tǒng)還可以使用Ethernet/IP、RS232/RS485、Modbus串行、Modbus/TCP等工業(yè)協(xié)議來傳送指令與數(shù)據(jù)給其他設(shè)備，比如可編程邏輯控制器(PLC)與操作界面。 CVS還具有一個用于網(wǎng)絡(luò)連接的專用千兆位以太網(wǎng)端口以及兩個用于連接外部數(shù)據(jù)存儲器的高速USB端口。 通過企業(yè)連接功能，您還可監(jiān)測檢測結(jié)果、查看圖像或是把數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行統(tǒng)計過程控制。

8. CompactRIO

CompactRIO適用于需要強(qiáng)大處理能力以及模塊化I/O來實(shí)現(xiàn)自動化、測量和控制任務(wù)的應(yīng)用。 最新的高性能CompactRIO型號搭載與CVS相同的四核Intel Atom處理器，并提供了與GigE Vision相機(jī)和USB3 Vision相機(jī)的連接端口，可向后兼容USB 2.0。

此外，CompactRIO提供了可支持?jǐn)?shù)百個C系列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(nèi)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(nèi)置的RS232/RS485端口或工業(yè)通信C系列模塊輕松地與PLC和操作界面集成。 CompactRIO還具有一個用于網(wǎng)絡(luò)連接的專用千兆位以太網(wǎng)端口以及兩個用于連接外部數(shù)據(jù)存儲器的高速USB端口。 通過企業(yè)連接功能，您還可監(jiān)測檢測結(jié)果、查看圖像或是把數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行統(tǒng)計過程控制。

9. 工業(yè)控制器

與CVS相似，NI工業(yè)控制器也是經(jīng)過視覺優(yōu)化的工業(yè)計算機(jī)。 該控制器具有四個獨(dú)立控制的千兆以太網(wǎng)端口、兩個USB 3.0端口、一個Intel i7處理器以及一個Xilinx Kintex-7 FPGA，這使其成為NI為視覺應(yīng)用提供的最強(qiáng)大的嵌入式控制器。 雖然NI工業(yè)控制器缺少用于C系列I/O的集成插槽，但可通過連接以太網(wǎng)或EtherCAT擴(kuò)展機(jī)箱來將I/O添加到系統(tǒng)中。 工業(yè)控制器的大型FPGA和強(qiáng)大的處理器相結(jié)合，可更快速地處理圖像，從而降低延遲。

此外，系統(tǒng)還可以使用Ethernet/IP、RS232/RS485、Modbus串行、Modbus/TCP等工業(yè)協(xié)議來傳送指令與數(shù)據(jù)給其他設(shè)備，比如PLC與操作界面。 工業(yè)控制器還具有一個用于網(wǎng)絡(luò)連接的專用千兆位以太網(wǎng)端口以及四個用于連接外部數(shù)據(jù)存儲器的USB 2.0端口。 通過企業(yè)連接功能，您還可監(jiān)測檢測結(jié)果、查看圖像或是把數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行統(tǒng)計過程控制。 NI工業(yè)控制器適用于需要高速處理的高性能多相機(jī)應(yīng)用。