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AVT Basler工业相机边缘锐度对比评测

时间:2012-06-29来源:石鑫华视觉网 作者:石鑫华 点击: 999999次
AVT Stingray F504BAVT Guppy F503CBasler PIA2400-17gm边缘锐度成像对比评测

        本次评测的相机主角是AVT的Stingray F504B、Guppy F503C以及Balser的PIA2400-17gm。先来了解一下这三款相机的一些基本情况。
工业相机,石鑫华视觉网
图1 外观对比 左为Balser PIA2400-17gm,中为AVT Stingray F504B,右为AVT Guppy F503C
 
        AVT与Basler均来自德国的工业相机品牌,在工业相机领域都有相当长时间的沉积。生产的工业相机,在速度、成像质量上都很有优势。虽然他们身价都很高,但是很多地方(如速度、成像质量、体积等)确实是国产相机所无法比拟的,一分钱一分货。F504B与PIA2400同样都是500万像素2/3’黑白工业CCD相机,而F503C则是500万像素1/2.5’彩色工业CMOS相机。下表可以参看他们的具体参数:
参数 AVT Stingray F504B AVT Guppy F503C Balser PIA2400-17gm
分辨率 2452 x 2056 2592 x 1944 2456 x 2058
传感器 Sony ICX655 Micron/Aptina MT9P031 Sony ICX625
传感器尺寸 2/3” 1/2.5 2/3
传感器技术 逐行扫描CCD,全局快门 逐行扫描CMOS,卷帘快门 逐行扫描CCD,全局快门
像元尺寸 3.45 x 3.45µm 2.2 x 2.2µm 3.45 x 3.45µm
帧率 9 FPS 6 FPS 17 FPS
颜色 黑白 彩色 黑白
触发 支持 支持 支持
接口 1394B(2接口) 1394A GIGE千兆网
镜头接口 C C/CS C
供电 8 V- 36 VDC 8-36 VDC 12-24 VDC
功耗@12V <4W <2W <6W
体积 72.9 x 44 x 29 mm 48.2 x 30 x 30 mm 86.7 x 44 x 29 mm
重量 92 g 50 g 220 g
成本 一般 廉价 较贵
表1 参数比较
 
        三款相机的分辨率都是500万像素的,分辨率都在2500x2000左右,差别几十像素,对于测试精度的影响是微不足道的。因此分辨率上三者没有孰优孰劣的。

        传感器方面,F504B与PIA2400两款相机在配置上基本上差别不大。采用的都是索尼的2/3”CCD,只是速度上有差别,ICX625使用了Dual-tap技术,其速度是未使用Dual-tap技术ICX655的两倍。因此PIA2400能做到17FPS,而F504B只能做到9FPS。按照上面的相机的分辨率来看,如果出的是8位的图,那么一张图大小为40Mb左右,使用千兆网可以达到1000/40=25fps,使用1394B可以达到800/40=20fps。因此数据接口本身理论速度都是远高于实际速度的。速度影响最大的还是CCD本身。因此拿两种使用不同类型CCD的相机来比速度,就不是很适合。但是手上只有两款500万像素的CCD相机,测试对比的重点也不是在速度。因此这些数据只供参考,如果对速度有要求,还需要根据项目进行适当选择。F503C采用的是小尺寸的CMOS传感器,1/2.5’的传感器,像元大小 2.2微米,这种尺寸的传感器,在民用数码相机上使用的比较多。因此对于F503C的成像持保留意见。

        PIA在速度上达到17帧,在连续拍摄时,感觉还是很连续的,而F504B,由于使用的是NI的驱动及MAX采集图像,实际速度只达到6帧,因此在连续拍摄时,连续性就没那么强。F503C最大速度也只有6帧,同F504B差不多。可能是由于F503C定位低端的原因,使用的1394A接口,理论最大速度只能做到400/40=10FPS。我们知道速度快的相机还是CMOS传感器的。

        F503C在体积、重量、功耗等参数上都占了非常大的优势。特别是重量,如果摄像头是安置在运动的摆臂上,那么重量将会成为重要的参考因素。而体积的小巧在安装空间有限时,也会体现出其优势来。功耗大,发热会比较多,对产品运行的稳定性会有影响,但是即使如PIA达到50度(官方)的表面温度,其依然可以正常稳定的工作。只是如果将三者放在一起工作,触摸感觉,还是会认为F503C温度最低。

        供电范围的差距无法体现出来,F504B以及F503C可以由1394卡直接供电,而PAI2400,则需要另外接电源供电,二者没有可比性。而且工业上的直流电源,一般都是12V、24V,因此三者差距不大。由于有外接供电设备,因此PAI2400发热也是最大的。当然了,从一般的芯片角度来考虑,如CPU,标压的肯定比低压的速度要快,电压高了发热自然就大。

        成本上则PIA2400要比F504B贵一些,最便宜的是F503C。本身CMOS相机比CCD就要有成本优势。其它方面则是速度越快越贵、体积越小巧越贵,使用的传感器芯片越好,肯定也越贵。

        下面我们重点来看一下成像质量上的差距。我们这里不测试相机在不同增益下成像质量问题(不像民用相机那样测不同ISO的成像质量),因为工业上可以使用其它方法来抵销高增益所带来的成像下降问题。如使用大光圈镜头、使用高亮光源、使用频闪控制器增亮光源等。因此我们这里重点评测相机对边缘的表现。
        先看一下使用的检测目标及其它硬件
检查目标
图二 检测目标-轴,检测类型-直径(尺寸测量
    上图为被测目标,我们需要测量的是产品的直径等尺寸。这种测量对边缘表现有较高要求。
视觉LED光源,石鑫华视觉网
图3 光源-同轴光源-30-B
        使用的光源华视自动化的同轴光源-30-B。使用同轴光充当背光,逆向照射目标边缘,以减少散射光线对产品边缘的影响。
 
光源控制器,石鑫华视觉网
图4 光源控制器-CSR-24T2-SPV
        使用的控制器是华视自动化的频闪控制器-2470-2CH,用于提高光源亮度,缩短相机曝光时间,提高检测速度以及减小系统运动、振动对测量造成的误差。
工业镜头,石鑫华视觉网
图5 镜头
        参与评测的镜头使用了VST的一款SV-5018,以及一款UTRON的5025,左为SV-5018,右为5025。
AVT成像,石鑫华视觉网
图6 AVT F504B+VST5018(WD:93mm)+40mmET+CSR-24-ICOB(LWD:-75mm)
        对图像放大,查看边缘,下图是边缘的一个截图:
图像放大,石鑫华视觉网
图7 边缘放大图像
         从放大截图中可以看到,人眼可辨别的过渡区域有4~5个像素。毛刺右边那一列从上到下的像素值依次为255,227,148,75,34,23,最大像素差值为227与148之间的79。
BASLER成像图,石鑫华视觉网
图8 Basler PIA2400-17gm+VST5018(WD:93mm)+40mmET+CSR-24-ICOB(LWD:-75mm)
        对图像放大,查看边缘,下图是边缘的一个截图:
BASLER边缘放大,石鑫华视觉网
图9 边缘放大图像
        从放大截图中可以看到,人眼可辨别的过渡区域有2~3个像素。毛刺右边那一列从上到下的像素值依次为255,197,68,21,15,11。最大像素差值为197与68之间的129。
我们不用去研究复杂的边缘提取算法。仅从一些比较简单易懂的方面来分析,就可以知道哪个较好。假如我们以灰度值150为边缘分界点,则上下两幅图的边缘是一样的,即F504B的255、227两点被认为是白,148、75、34、23被认为是黑;而PIA的255、197被认为是白,68、21、15、11被认为是黑。这时两个相机得到的边缘是一样的。而当我们以灰度值140为边缘分界点时,则即F504B的255、227、148三点被认为是白, 75、34、23被认为是黑;而PIA的255、197两点被认为是白,68、21、15、11被认为是黑,这时两个相机得到的边缘就不一样了。当然了,我们可以选择160,170这样的值做为临界值,那样肯定二者测得的结果是一样的,但是问题的重点不是在这里,而是当我们选择了某个临界值时,如150时,跟他比较接近的边缘像素如148,在实际拍摄时,因为相机本身的噪声影响,不可能一直保持148,有可能会是152,也有可能是144,而这时,问题就出现了。同样的一个点,当确定了临界值后,他有可能会是白,也有可能会是黑;这样会给边缘带来一个像素的变化,而这一个像素的变化,对于精密的尺寸测量可能是致命的。当然其实无论是F504B,还是PIA2400,都有一定的“边缘安全区域”——我们假设最大像素差值为安全区域,则F504B为79,而PIA2400为129,即PIA2400,可以在更大的区域内划定临界值,而不用担心噪声、光圈变化、光源变化等,对边缘提取造成的影响。
这在实际中有什么好处呢?举一个简单的例子,还是以上面的两个图为准,假设临界值为90。则F504B的255、227、148三点被认为是白, 75、34、23被认为是黑;而PIA的255、197两点被认为是白,68、21、15、11被认为是黑,且噪声的几个像素变化,对边缘不会造成影响。我们知道LED光源随着使用时间的增加,亮度都会衰减,其半衰期一般为3万小时以上,即光源亮度从最开始的最亮到一半亮,为3万小时以上。假如我们的设备全天工作24小时,则当工作30000/24/30=42个月,约三年半的时间。假设我们的光源亮度衰减一半时,对应的灰度值也变为一半,而F504B对应的值为128、114、72、38、17、12,其中128、114为白,72、38、17、12为黑;而PIA2400对应的值为128、99、34、11、8、6,其中128、99为白,34、11、8、6为黑。大家看到这其中的变化了吗?F504B经三年半使用期后,测量的尺寸在没有做调整时,将比开始时要大一个像素(如果是直径,其实是一边一个像素,两个像素的变化),而PIA2400,经过三年半的时间,依然可以得到和开始一样的尺寸。实际应用中,可能光源亮度不需要衰减到一半,衰减到75%时,也许就会出现以上的情况,那么该设备可能使用一年后,就得重新调整一下临界值,或者将光源的亮度调整一下,或者是将光圈调整一下。而如果是一台比较好的相机,有足够大的“边缘安全区域”,那么即使使用到设备报废,也许也不会做任何参数上的调整。
AVT F504B,石鑫华视觉网
图10 AVT F504B+Utron5025(WD:70mm)+40mmET+CSR-24-ICOB(LWD:-75mm)
F504边缘放大,石鑫华视觉网
图11 边缘放大图像
PIA2400,石鑫华视觉网
图12 Basler PIA2400-17gm+Utron(WD:70mm)+40mmET+CSR-24-ICOB(LWD:-75mm)
PIA2400边缘放大,石鑫华视觉网
图13 边缘放大图像
         以上两组图为使用Utron的5025镜头时,F504B与PIA2400的成像图,从实际成像图中可以看到,二者差别不大,过度区域在4个像素左右。这说明另外一个情况,即成像与镜头也有很大的差别,下次我们再做镜头的评测。
        上面是比较了F504B和PIA2400两款500万像素的CCD相机,那么我们再来看一下500万像素的CMOS相机F503C。
AVT 503C,石鑫华视觉网
图14 AVT F503C+VST5018(WD:88mm)+30mmET+CSR-24-ICOB(LWD:-75mm)-黑白
AVT 503C边缘放大,石鑫华视觉网
图15 边缘放大图像
AVT503C VS5018
图16 AVT F503C+VST5018(WD:88mm)+30mmET+CSR-24-ICOB(LWD:-75mm)-彩色
AVT503C VST5018边缘放大,石鑫华视觉网
图17 边缘放大图像
        从上面两图组中可以看到,彩色相机,直接成像为黑白图像时,质量非常差。实际使用时,即使要做黑白的处理,也需要先成像为彩色,然后再抽取颜色平面,那样会有更好的成像效果。我们可以看到,F503C彩色成像时,边缘有7~8个过度区域。此效果可能与使用的相机驱动是NI的IMAQ驱动有关。
        综上所述,在镜头比较给力的情况下,BASLER PIA2400-17gm会有更好的边缘表现力,而当镜头品质一般时,BASLER与AVT的成像质量差不多。而小尺寸的CMOS相机在边缘表现上就比较差强人意。如果需要做精密的尺寸测量,还是不建议考虑使用小尺寸的CMOS。当然如果有大尺寸的CMOS,如单反一样的APS-C画幅的尺寸,那时由于透光度增加、像元尺寸增大,成像质量会有很大的提高,也可以用于精密测量,还可以获得较高的速度。从成本上考虑,预算很有限时,可考虑使用CMOS相机,预算相对充足时,可以考虑使用AVT的相机,而只求效果,不考虑成本时,可以考虑使用BASLER再配合高品质的镜头,以达到理想成像的状况。
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