机器视觉标准:回顾与更新|质量杂志

随着新技术的出现，工业自动化市场中的机器视觉技术和集成标准也在不断发展。用于应用程序分析和规范、验证和功能度量的新标准和指导方针将告知并支持在广泛不同的用例中更好地集成检查技术。在本文中，我们回顾了目前存在的关键标准，并概述了最近的更新和潜在的变化，这些更新和变化将影响和造福机器视觉技术的用户。我们还研究了各种组织的工作，以了解他们的标准如何影响机器视觉市场。

标准的价值机器视觉

在机器视觉的漫长历史中工业自动化在美国，标准的出现和发展一直是推动这项技术及其更广泛应用的关键驱动力之一。组件互操作性和互联性标准以及系统实现和性能测量标准使机器视觉更易于使用。标准还创造了一种环境，在这种环境中，人们更多地关注应用程序，而较少关注单个组件是否能够匹配和/或按预期协同工作的细节。此外，标准有助于降低视觉组件制造和系统设计和安装的成本。

镜头支架就是一个很好的例子。无处不在的C-mount长期以来一直是一个被广泛接受的事实上或非正式的标准。它和其他镜头支架的规格现在作为正式标准发布。这种标准化至关重要，可以确保不同制造商的镜头正确地连接到不同的相机上，并提供准确的后凸缘距离，以创建一致的图像，而不管组件是什么。当然，标准不仅仅是物理规范，还有广泛的机器视觉标准正在开发中。

标准活动概述

开发和支持机器视觉标准，以提供软件和固件以及组件之间接口的一致性，以及性能测量和评估。来自世界各地许多公司的工作组合作开发并不断完善这些标准。在大多数情况下，由几个全球贸易协会中的一个主办和管理一套标准。这些协会共同努力促进和帮助组织标准的开发。

这些组织包括推进自动化协会，或A3 (automate.org）;欧洲机器视觉协会，简称EMVA (emva.org）;日本工业影像协会(JIIA, jiia.org);德国工程联合会，简称VDMA (vdma.org）;以及中国机器视觉产业联盟(CMVU)。这五个愿景协会定期举行会议，协调标准开发，并在全球范围内推广彼此的标准，这一努力被称为G3。与标准密切相关的指南也可用于帮助用户成功设计和集成机器视觉解决方案。虽然所有的机器视觉标准都很重要，但可能最容易识别的是那些解决摄像头接口的标准。

摄像头接口标准

相机接口标准涉及组件相机和其他成像系统用于连接计算机和处理器并与之通信的硬件和软件。在硬件方面，每个标准都确定了将成功地与遵循相同标准的计算机或设备(例如，帧抓取器)连接的电缆和连接器。在某些情况下，互连对于个别标准是唯一的，但在其他情况下，连接和电缆是熟悉的，并在计算环境中广泛使用。

硬件标准

机器视觉市场为相机接口提供了五种专用的独特硬件标准。这些是Camera Link, Camera Link HS (CLHS)， CoaXPress (CXP)， GigE Vision和USB3 Vision。另一种非专用的通用计算机接口也可用于机器视觉应用——IEEE 1394或FireWire。这些接口的电缆和连接器的物理属性差异很大，每个接口在速度、功率实现、计算机接口、电缆长度，甚至电缆的类型和组成方面的具体功能也有很大差异。稍后将简要讨论一些选择标准，但与往常一样，建议针对任何单独的应用程序详细研究每种规范。

软件标准

一个相机接口软件标准定义了执行相机和处理器之间通信的低级代码。在最基本的层面上，接口标准表示传输层的软件实现，该传输层执行与摄像机的物理通信。根据接口的不同，处理器端使用唯一的专用帧捕获器或标准的计算机总线适配器，以及实现传输层通信的驱动程序软件。

与相机接口标准相关的另一个软件层是SDK(软件开发工具包)。SDK提供了机器视觉应用程序和执行基本功能(如识别连接的摄像机、配置摄像机、获取图像以及处理从摄像机传递的信号和事件)所需的底层通信之间的接口。根据相机或接口设备制造商的不同，sdk可能略有不同，但总体上将遵循一个单独的接口标准。

机器视觉组件有两种不同的软件接口标准。在大多数硬件接口标准中，GenICam(相机通用接口)是强制性的或可选的编程接口。这种灵活的标准在相机和设备中都得到了实现。在不同的模块中，GenICam提供了功能和像素格式的通用命名方法，定义了如何实现与相机的通用接口，指示与传输层相关的通信技术，并控制协议和数据包。在各种硬件标准中，所有或部分这些模块可能是强制性的，也可能是可选的。

第二个软件接口标准专门与IEEE 1394/火线硬件有关。IIDC2标准是作为原始苹果IIDC火线规范的扩展而开发的，用于使用火线连接的机器视觉摄像机的控制和接口的一致性。

选择摄像头接口标准

详细讨论相机接口标准的选择超出了本文的范围。一般来说，选择是基于特定应用程序的需要。不过，这可能是一个基于多个接口属性甚至主观偏好的复杂决策。以下是一些需要考虑的实际差异因素:

带宽(速度):每个接口都有一个指定的最大数据吞吐量能力(可以认为是图像速率)，有时甚至在基于布线配置的标准范围内变化。例如，某些接口需要多次敲击(电缆)才能实现更高的数据传输速率。如下文所述，某些标准的最新发展已经为这些接口带来了更高的速度和带宽。
连接器首选:在某些情况下，相机和接口设备或帧抓取器之间的物理连接可能是需要考虑的。值得关注的是在特定应用中使用的连接器和电缆的物理健壮性。例如，机器人应用可能需要具有高应力耐受性和低弯曲半径的电缆。另一个需要考虑的问题是该接口是否可以很容易地在光缆中实现。
电缆长度:不同接口的电缆根据规格有显著不同的最大长度。如前所述，一些接口本身支持光纤电缆，从而延长了可能的传输长度。
接口类型:某些接口需要专用接口卡或帧抓取器。
其他考虑因素:GenICam合规性、采集触发器类型和延迟、信号抖动、传输鲁棒性或冗余，以及其他可能对特定应用感兴趣的考虑因素。

G3整理了一本非常有用的小册子，名为《理解机器视觉标准指南》。本手册提供了描述每个标准的通用模板，允许对每个标准的功能进行公正的比较。该手册可从G3贸易协会的任何网站上查阅。

相机性能，集成，验证，和其他标准

硬件和软件接口标准只是机器视觉标准难题的一部分。镜头安装和照明设计、规格和性能的关键标准(来自JIIA)。EMVA提供的一个重要标准讨论了用于机器视觉的摄像机的测量和规格。在与许多相机制造商的共同努力下，EMVA 1288标准讨论了特定的相机性能指标和测量方法，以及标准化结果表示的指导方针，以帮助用户比较和选择组件。在欧洲，VDI(德国工程师协会)、VDE(电气、电子和信息技术协会)和VDMA(德国工程联合会)开发了VDI/VDE/VDMA 2632，帮助用户和供应商沟通项目需求，改进集成流程，并执行标准验收测试。