視覺系統建構——工業相機

一、工業相機分類

1、按傳感器元件分類

    工業相機按照圖像的傳感器元件的不同分為CCD（ChargeCoupled Device,電荷耦合元件）和CMOS（金屬氧化物半導體元件）兩類。

    CCD提供很好的圖像品質、抗噪能力，盡管由于增加了外部電路使得系統的尺寸變大，複制下提高，但在電路設計師可更加靈活，更好的提升CCD相機某些特别關注的性能。CCD更适合于對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的應用領域，如天文、高清晰的醫療X光影像、其他需要長時間曝光，對圖像噪聲要求比較嚴格的應用場合。

    CMOS具有成品率高、內建度高、功耗小、價格低等優點。但本身圖像的噪聲比較多。目前的CMOS技術不斷發展，已經克服了早期的許多缺點，發展到了圖像品質方面可以與CCD技術相較量的水準。CMOS适用于要求空間小、體積小、功耗低而對圖像噪聲和品質要求不是特别高的場合。如大部分輔助光照明的工業檢測應用、安防保安應用、和大部分消費性商業數位相機。目前CCD工業相機任然在視覺檢測方案中占據主導地位。

各特性分析：

（1）成像過程：CCD僅有一個（或少數幾個）輸出節點統一輸出資料，信号一緻性好，而CMOS晶片中每個像素都有自己的信号放大器，各自進行電荷到電壓的轉換，輸出信号的一緻性較差，比CCD的信号噪聲更多，但是CMOS的一個顯著優點是功效較低。

（2）內建性：CCD的制造技術複雜，輸出的隻是模拟電信号，還需要後續的譯碼器，模拟轉換器，圖像信号處理器等，內建度低。COMS可以把信号放大器，模數轉換器等內建在一塊晶片上，內建度高，成本低。随着CMOS成像技術的進步，CMOS未來會有越來越多的應用場景。

（3）圖像輸出速度：CCD采用逐個光敏輸出，速度較慢，CMOS每個電荷元件都有獨立的裝換控制器，讀出速度很快，FPS在500以上的高速相機大部分使用的都是CMOS。

（4）噪聲方面：CCD技術較為成熟，成像品質相較CMOS具有一定優勢，CMOS的內建度更高，各元器件間距距離更近，幹擾更多。

2、按成像方式分類

    工業相機按照成像方式的不同可分為線陣相機與面陣相機。

    線陣相機的傳感器隻有一行感光元素，一般應用于需要高頻掃描和高分辨率的場合。線陣CCD的優點是一維像元數可以做到很多，一般長度有2K,4K,8K,12K，但線陣CCD擷取圖像必須配以掃描運動，為了能确定圖像上每一個像素點在被測件上的對應位置，還需要配以光栅等器件記錄線陣CCD每一掃描行的坐标，并配以線陣相機專用的圖像采集卡，這就導緻線陣相機系統較為複雜，成本略高，并用容易受掃描運動的精度和穩定性的影響。面陣相機的像元在縱橫兩個方向上間隔的離散度是一緻的，而線陣CCD的像元間距和掃描行距上一般是有差别的，由于掃描行距受機械傳動部分的限制，遠大于像元間距。

    面陣相機有比線陣相機更多的感光鏡片，以矩陣排列，例如常說的百萬像素相機即表示感光鏡片矩陣W*H約等于1000*1000。面陣相機一次成像，它的分辨率指的是一個感光晶片代表的實物物體的大小。數值越小，分辨率越高，相同的相機選用不同集中的箭頭，分辨率就不同。在表現圖像細節方面，不是由相機的像素多少來決定的，而是由分辨率決定的。同等分辨率條件下，像素越多可以成像的區域面積越大。

 二、工業相機參數

1、相機接口：

    工業相機輸出接口類型的選擇主要由需要獲得的資料類型決定。如果圖像輸出直接給視訊螢幕，那麼隻需要模拟輸出的工業相機。如果需要将工業相機擷取的圖像傳輸給電腦處理，則有多種輸出接口選擇，但必須和采集卡的接口一緻，通常有以下幾種方式：

(1)     USB接口

    USB接口直接輸出數字圖像信号，串行通信，支援熱拔插，傳輸速度在120Mbps-480Mbps之間，會占用CPU資源。傳輸距離較短，穩定性稍差。

    目前廣泛采用的USB2.0接口，是最早應用的數字接口之一，具有開發周期短，成本低廉的特點。其缺點是傳輸資料較慢，傳輸資料過程需要CPU參與管理，占用資源，且由于接口沒有螺絲固定，連結容易松動，最新的USB3.0接口使用了新的USB協定，可以更快的傳輸資料，但目前USB3.0的相機市場上不是很多。

(2)     1394a/1394b接口

    俗稱火線接口，是美國電氣和電子工程師學會（IEEE）制定的一個标準工業串行接口。是以又稱為“IEEE1394”,現主要用于視訊采集，資料傳輸率可達800Mbps，支援熱拔插。電腦上使用1394接口需要使用額外的采集卡，使用不友善，且由于早期蘋果對該技術的壟斷，市場普及率較低，已慢慢被市場所淘汰。

(3)     Gige接口

    千兆以太網接口，PC标準接口，傳輸速率和距離都更高。是一種基于千兆以太網通信協定開發的相機接口标準，特點是快捷的資料傳輸速度和高達100米的傳輸距離。是近幾年市場上應用的重點，使用友善，CPU資源占用少，可多台同時使用。

(4)     Camera Link接口

    需要單獨的Camera Link采集卡，成本較高，便攜性低，實際應用中較少，但是是目前工業相機中傳輸速度最快的一種傳輸方式，一般在高分辨率的高速面陣相機和線陣相機上應用，價格昂貴。

2、分辨率

    相機每次采集圖像的像素點數，一般對應于光電傳感器靶面排列的像元數，如1920*1080。根據目标的要求精度，反推出相機的像素精度。相機單方向分辨率=單方向視野範圍除以理論精度。

    例如對于視野大小為10*10mm的場合，要求精度為0.02mm/pixel,則當方向上分辨率=10/0.02=500.然而考慮到相機邊緣視野的畸變以及系統的穩定性要求，一般不會隻用一個像素機關對應一個測量精度值，一般選擇倍數為4或者更高，這樣相機單方向分辨率為2000，相機的分辨率=2000*2000=400萬，是以選用500萬像素的相機即可滿足。

注意：若一個像素對應一個缺陷的話，容易造成系統不穩定，是以為提高系統的精準度和穩定性，應取缺陷的面積在3到4個像素以上。這樣選擇的分辨率應在計算的3到4倍以上。【相機的分辨率大小應根據系統的需求來選擇，通常系統的像素精度等于視場（長或寬）除以相機分辨率（長或寬）。如視場為10mm×7.5mm，使用130萬像素的相機，則相機分辨率為1280×960Pixel，則像素精度為10mm÷1280Pixel=0.0078mm/Pixel；下面以一個應用案例來分析。 假設檢測一個物體的表面劃痕，要求拍攝的物體大小為10*8mm,要求的檢測精度是0.01mm。首先假設我們要拍攝的視野範圍在12*10mm,那麼相機的最低分辨率應該選擇在：(12/0.01)*(10/0.01)=1200*1000,約為120萬像素的相機，也就是說一個像素對應一個檢測的缺陷的話，那麼最低分辨率必須不少于120萬像素，但市面上常見的是130萬像素的相機，是以一般而言是選用130萬像素的相機。但實際問題是，如果一個像素對應一個缺陷的話，那麼這樣的系統一定會極不穩定，因為随便的一個幹擾像素點都可能被誤認為缺陷，是以我們為了提高系統的精準度和穩定性，最好取缺陷的面積在3到4個像素以上，這樣我們選擇的相機也就在130萬乘3以上，即最低不能少于300萬像素，通常采用300萬像素的相機為最佳 。】

3、像素深度

    每位像素資料的位數，常見的是8bit，10bit，12bit。分辨率和像素深度共同決定了圖像的大小。例如對于像素深度為8bit的500萬像素，則整張圖檔應該有500萬*8/1024/1024=37M（1024bit=1KB，1024KB=1M）。增加像素深度可以增強測量的精度，但同時也降低了系統的速度，并且提高了系統內建的難度（線纜增加，尺寸變大等）。

4、最大幀率/行頻

    相機采集和傳輸圖像的速度，對于面陣相機一般為每秒采集的幀數（Frames/Sec），對于線陣相機為每秒采集的行數（HZ）。當被測物體有運動要求時，要選擇幀數較高的工業相機，一般來說分辨率越高，幀數越低。

5、曝光的方式和快門速度

    工業線陣相機都是逐行曝光的方式，可以選擇固定行頻和外觸發同步的方式，曝光時間可以與行周期一緻，也可以設定一個固定的時間；面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動曝光幾種常見方式，工業數字相機一般都提供外觸發采圖的功能，快門速度一般可到10ms，高速相機還會更快。

6、像元尺寸

    像元大小和像元數（分辨率）共同決定了相機靶面的大小。目前工業數字相機像元尺寸一般位3μm~10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像品質也越不容易提高。

7、光譜響應特性

    光譜響應特性是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應範圍為350nm~1000nm，一些相機在靶面前面加了一個濾鏡，濾除紅外線，如果系統需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

8、工業相機噪聲與信噪比

    噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實際成像目标之外的信号。總體上分為兩類，一類是由有效信号帶來的散粒噪聲，這種噪聲對任何相機都存在；另一類是相機本身固有的與信号無光的噪聲。它是由于圖像傳感器讀出電路、相機信号處理與放大電路帶來的固有噪聲，每台相機的固有噪聲都不一樣。

    衡量工業相機噪聲的參數為信噪比，其定義為圖像中信号與噪聲的比值（有效信号平均灰階值與噪聲均方根的比值），代表了圖像的品質，圖像信噪比越高，相機性能和圖像品質越好。

參考：

https://blog.csdn.net/dcrmg/article/details/52851913