工业相机详解及选型

       工业相机相对于传统的民用相机而言，具有搞图像稳定性,传输能力和高抗干扰能力等，目前市面上的工业相机大多数是基于CCD（Charge Coupled Device)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)芯片的相机。

一，工业相机的分类

工业相机有以下分类标准：

1，按照芯片类型可以分为 CCD 相机和 CMOS相机 

      CCD 相机和 CMOS 相机的主要区别如下：

(1）与 CMOS 传感器相比， CCD 传感器对光更加敏感，这是因为CCD有更大的填充因子。

(2）与 CMOS 传感器相比， CCD 传感更适合对比度低的场合，这是因为CCD可以获得更高的信噪比。

(3）与 CCD 传感器相比， CMOS传感器可以获得更高的图像输出速度，所以更适合高速场合需要。

(4）与 CCD 传感器相比， CMOS 传感器可以获得更多的输出柔性，可以任意选择图像输出的子兴趣区域来提高图像传输速度。

(5) CMOS 传感器拥有更低的能耗。

2,按照传感器的结构特性可以分为线阵相机、面阵相机

面阵相机的优点是价格便宜，处理方便，可以直接获得一幅完整的图像。线阵相机的优点是速度快，分辨率高，可以实现运动物体的连续检测，比如传送带上的细长带状物体的检测（这种情况下，面阵相机很难检测）；其缺点是需要进行拼接图像的后续处理。

3,按照扫描方式可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机

        隔行扫描相机的优点是价格便宜，但是在拍摄运动物体时，容易出现锯齿状边缘或叠影。逐行扫描相机则没有这个缺点，该相机拍摄的运动图像画面清晰，失真小。

4,按照分辨率大小可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机

       分辨率越高，则图像的细节表现越充分。

5,按照输出信号方式可以分为模拟相机、数字相机

        模拟相机以模拟电平的方式表达视频信号，这种相机通常用于闭路电视或者与数字化视频波形的采集卡相连，其优点是技术成熟、成本低廉，对应的图像采集卡价格也比较低；但也有一些缺点，比如帧率低，分辨率低等；数字相机内部有一个 A / D 转换器，数据以数字形式传输，可以避免传输过程中的图像衰减或噪声。所以，在高速、高精度机器视觉中，一般都会选用数字相机。

除此之外，还可以按照输出色彩分为单色（黑白）相机、彩色相机；按照输可以分为普通速度相机、高速相机；按照响应频率范围可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。

二．工业相机的主要参数

工业相机的主要参数包括分辨率，应特性、工业相机噪声、信噪比。

1，分辨率（ Resolution )

        分辨率即相机每次采集图像的像素点数（ Pixels )，对于数字相机，一般是直接与光电传感器的像元数对应的；对于模拟相机，则取决于视频制式， PAL 制分辨率为768x576, NTSC 制分辨率为640x480。

2，像素深度（ Pixel Depth )

       像素深度即每像素数据的位数，一般为8b，对于数字相机还会有10b，12b等。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。例如，对于像素深度为8b的500万像素相机、采集的整张图片大小为500万 X8/1024/1024=37M（1024 B=1KB,102kB =1MB)，增加橡素深度可以提高测量的精度，但同时也降低了系统的速度，并且我高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大等）。

3，最大帧率（ Frame Rate )，行频（ Line Rate )

       最大帧率／行频指相机采集传输图像的速率，面阵相机一般为每秒采集的帧数（ Framen / Sec )；线阵相机为每秒采集的行数（ Hz )。

4，曙光方式（ Exposure ）和快门速度（ Shutter )

       线阵相机的曝光方式为连行曝光，可以选择固定行颗和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个调定的时间、而阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见曝光方式：数字相机﹣软都爱供外触发采集的功能，快门速度一般可以达到10 us ，高速相机还可以更快。

5，像元尺寸（ Pixel Size )

      像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小，目前数字箱机的像元尺寸一般为3~10um，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越难提高。

6，光谱响应特性（ Spectral Range )

       光谱响应特性是指像元传感器对不同光波的敏感特性、一般响应范围为350~1000 um ，一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光、则可去掉该滤镜。

7，工业相机噪声

        噪声是指成像过程中不希望被采集到，实际成像目标之外的信号，工业相机噪声总体上分为两类：一类是由有效信号带来的散粒噪声，这种噪声对任何相机都存在：另一类是相机本身固有的，与信号无关的噪声，它是图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路带来的固有噪声，每台相机的固有噪声都不相同。

8，信噪比（ SNR )

        信噪比是图像中信号与噪声的比值（有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值）、代表了图像的质量，图像信噪比越高，相机性能和图像质量越好。

三，工业相机的输出接口

       工业相机输出接口类型的选择主要由需要获得的数据类型决定。如果图像输出给视频监视器，那么只需要模拟输出的工业相机。如果需要将工业相机获取的图像传输给电脑处理，则有多种输出接口选择，但必须和采集卡的接口一致，通常有以下几种方式：

1，USB 接口

       USB 接口直接输出数字信号图像，通信方式为串行通信，支持热拔插，会占用 CPU 资源、传输距离较短，稳定性稍差。目前广泛采用的USB2.0接口，其优点是所有电脑都配置有USB2.0接口，方便连接，不需要采集卡，其缺点是传输速率较慢，且由于接口没有螺丝固定，所以连接处容易松动，USB3.0在USB2.0的基础上新增了两组数据总线和传输协议，可以更快地传输数据。目前， USB 3.0相机还未普及，但国内外的工业相机厂商都在进行积极推进。

2，1394a/1394b接口

       1394接口的协议、编码方式较佳，传输速度稳定，接口处都有螺丝紧固。常用的1394接口包括1394a接口（传输速率为400 Mb / s ）和1394b接口（传输速率为800 Mb / s )。由于在苹果垄断时期1394接口未能得到普及，因此电脑上通常不包含其接口，需要使用额外的采集卡。

3，Gige 接口

        Gige 接口即千兆以太网接口、 PC 标准接口，该接口的传输速率高、传输距离远（可达100 m )。 Gige 接口是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准，

是近几年市场上应用的重点，其使用方便， CPU 资源占用少，可多台同时使用。

4， Camera Link 接口

        Camera Link 接口需要单独的 Camera Link 采集卡，成本较高、便携性低，在实际应用中较少使用，但是，该接口是目前工业相机中传输速率最快的一种传输方式，一般在高分辨率的高速面阵相机和线阵相机上应用，价格昂贵。

5， HDMI 接口

         HDMI ( High Definition Multimedia Interface ）是一种采用数字化视频（音频）接口技术的高清晰度多媒体接口，可以满足1080P的分辨率，是适合影像传输的专用型数字化接口。该接口可同时传送无压缩的音频和视频信号，其最高数据传输速度为5 Gb / s ，同时无需在信号传送前进行数／模转换或者模／数转换。此外，采用 HDMI 规格接口的线缆没有长度的限制， HDMI 的最大传输距离为15m。

6，VGA 接口

      VGA 接口是计算机的常用模拟输出接口，部分工业相机也提供该输出接口。 VGA 接口的特点是可以直接显示且显示速率高、图像清晰无闪烁、集成度高、性能稳定、故障率低。

四，工业相机的选型

1，选择工业相机的分辨率

        X 方向分辨率＝视野范围（ X 方向）／理论精度； Y 方向分辨率＝视野范围（ Y 方向）／理论精度。根据目标的要求精度，可以计算出相机的分辨率。例如，对于视野大小为10mmX10mm的场合，要求的精度为0.02 mm / pixel ，则单方向上分辨率为10/0.02=500。然而，考虑到相机边缘视野的畸变以及系统的稳定性要求，一般不会只用一个像素单位对应一个测量精度值，而是选择倍数为4或者更高，这样相机的单方向分辨率为2000，相机的分辨率＝2000x2000=400万，所以选用500万像素的相机即可满足。

2，选择工业相机的芯片

        如果要求拍摄的物体是运动的，要处理的对象也是实时运动的物体，那么选择 CCD 芯片的相机为最适宜。但采用帧曝光（全局曝光）方式的 CMOS 相机在拍摄运动物体时绝不比 CCD 的差。如果物体运动的速度很慢，在我们设定的相机曝光时间范围内，物体运动的距离很小，换算成像素其大小为一两个像素，那么选择普通滚动曝光的 CMOS 相机也是合适的。但若超过两个像素的偏差，则物体拍出来的图像会有拖影。目前，很多高品质的 CMOS 相机完全可以替代 CCD 用于高精度、高速的场合， CMOS 将会成为主流选择。

3，选择彩色相机还是黑白相机

        如果根据颜色特征处理图像，则采用彩色相机，否则建议使用黑白相机，因为同样的分辨率，黑白相机的精度比彩色的高，对于图像的边缘，使用黑白相机的效果更好。此外，做图像处理时，由于黑白工业相机得到的是灰度信息，所以可直接处理。

4，工业相机的帧率

     根据要拍摄的运动物体选择相机的帧率，帧率需大于等于物体运动速度。

5，选择线阵相机还是面阵相机

       对于拍摄精度要求很高，运动速度很快的物体，面阵相机的分辨率和帧率可能打不到要求，所以选择线阵相机。

6，相机和图像采集卡的匹配

1）视频信号的匹配

       黑白模拟信号相机有CCIR和RS170（EIA）两种视频信号格式，通常采集卡可同时支持这两种格式的相机。

2）分辨率的匹配

       每款采集卡都只支持某一分辨率范围内的相机。

3）特殊功能的匹配

       如果要使用相机的特殊功能，则需先确定所用采集卡是否支持此功能，比如使用多部相机同时拍照，则采集卡必须支持多通道；如果相机是逐行扫描的，那么采集卡必须支持逐行扫描。

4）接口的匹配

      确定相机和采集卡的接口是否匹配，如相机接口为 CameraLink 、Firewire1394时，由于笔记本电脑没有该接口，所以需使用额外的图像采集卡，此时要求采集卡接口与相机接口相匹配。

7，工业相机的 CCD / CMOS 靶面

        靶面尺寸的大小会影响镜头焦距的长短，在相同视场角下，靶面尺寸越大，焦距越长。在选择相机时，特别是对拍摄角度有严格要求时， CCD / CMOS 靶面的大小、 CCD / CMOs 与镜头的配合情况将直接影响视场角的大小和图像的清晰度。因此，在选择 CCD / CMOS 尺寸时，要结合镜头的焦距、视场角。一般要求镜头的尺寸大于或等于相机的靶面尺寸。

相机示例（图片源自百度，如有侵权，请联系博主删除）