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本帖最后由 石鑫华视觉 于 2015-4-2 10:53 编辑
AVT Stingray F504B、AVT Guppy F503C、Basler 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。
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 | | 2.2 x 2.2洀嬀/td][td] | | 帧率 | 9 FPS | 6 FPS | 17 FPS | | 颜色 | 黑白 | 彩色 | 黑白 | | 外触发 | 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：
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。
使用的光源机器视觉论坛的同轴光源-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。
使用的控制器是机器视觉论坛的频闪控制器-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。
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。
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：
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。
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：
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。
图10 AVT F504B+Utron5025(WD:70mm)+40mmET+CSR-24-ICOB(LWD:-75mm)
图12 Basler PIA2400-17gm+Utron(WD:70mm)+40mmET+CSR-24-ICOB(LWD:-75mm)
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。
图14 AVT F503C+VST5018(WD:88mm)+30mmET+CSR-24-ICOB(LWD:-75mm)-黑白
图15 边缘放大图像
图16 AVT F503C+VST5018(WD:88mm)+30mmET+CSR-24-ICOB(LWD:-75mm)-彩色
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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发表于 2015-4-2 10:51:20
