視覺檢測之相機的選擇

1、相機的選擇

（1）工業(yè)數(shù)字相機的分類：

工業(yè)相機按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機；

按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；

按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機（黑白攝像機、3Line彩色相機、3CCD彩色相機（分光棱鏡）、面陣相機（黑白攝像機、Bayer彩色相機、3CCD彩色相機（分光棱鏡）；

按照輸出信號方式可以分為模擬相機（PAL（黑白為CCIR））、NTSC（黑白為EIA））、數(shù)字相機（IEEE1394、USB2.0、Camera Link、GigE）；

按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；

按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機、高分辨率相機；

按照輸出信號速度可以分為普通速度相機、高速相機；

按照響應(yīng)頻率范圍可以分為可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機等。

（2）相機的主要參數(shù)

a.分辨率

分辨率是相機最基本的參數(shù)，由相機所采用的芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量。

通常面陣相機的分辨率用水平和垂直分辨率兩個數(shù)字表示，如：1920（H）x 1080（V），前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有 1920 個像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即 1080 行。現(xiàn)在相機的分辨率通常表示多少 K，如1K（1024），2K（2048）， 3K（4096）等。

在采集圖像時，相機的分辨率對圖像質(zhì)量有很大的影響。在對同樣大的視場（景物范圍）成像時，分辨率越高，對細節(jié)的展示越明顯。

b.速度（最大幀率（Frame Rate）/行頻（Line Rate））

相機的幀頻/行頻表示相機采集圖像的頻率，通常面陣相機用幀頻表示，單位 fps（Frame Per second），如 30fps，表示相機在1秒鐘內(nèi)最多能采集 30 幀圖像；線陣相機通常用行頻便是單位 KHz，如 12KHz 表示相機在1秒鐘內(nèi)最多能采集 12000 行圖像數(shù)據(jù)。

相機采集傳輸圖像的速率，對于面陣相機一般為每秒采集的幀數(shù)（Frames/Sec.），對于線陣相機為每秒采集的行數(shù)（Lines/Sec.）。

速度是相機的重要參數(shù)，在實際應(yīng)用中很多時候需要對運動物體成像。相機的速度需要滿足一定要求，才能清晰準(zhǔn)確的對物體成像。相機的幀頻和行頻首先受到芯片的幀頻和行頻的影響，芯片的設(shè)計最高速度則主要是由芯片所能承受的最高時鐘決定。

c. 曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）

對于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(fā)同步的采集方式，曝光時間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個固定的時間；面陣相機有幀曝光、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，數(shù)字相機一般都提供外觸發(fā)采圖的功能。

快門速度一般可到10微秒，高速相機還可以更快。

d.噪聲

相機的噪聲是指成像過程中不希望被采集到的，實際成像目標(biāo)外的信號。

根據(jù)歐洲相機測試標(biāo)準(zhǔn)EMVA1288 中，定義的相機中的噪聲從總體上可分為兩類：一類是由有效信號帶來的符合泊松分布的統(tǒng)計漲落噪聲，也叫散粒噪聲（shot noise），這種噪聲對任何相機都是相同的，不可避免，有其確定的計算公式（噪聲的平方=信號的均值）；第二類是相機自身固有的與信號無關(guān)的噪聲，它是由圖像傳感器讀出電路、相機信號處理與放大電路等帶來的噪聲，每臺相機的固有噪聲都不一樣。另外，對數(shù)字相機來說，對視頻信號進行模擬轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生量化噪聲，量化位數(shù)越高，噪聲越低。

e.信噪比

相機的信噪比定義為圖像中信號與噪聲的比值（有效信號平均灰度值與噪聲均方根的比值），代表了圖像的質(zhì)量，圖像信噪比越高，圖像質(zhì)量越好。（信噪比高的相機性能較好）

f.動態(tài)范圍

相機的動態(tài)范圍表明相機探測光信號的范圍，動態(tài)范圍可用兩種方法來界定，一種是光學(xué)動態(tài)范圍，指飽和時最大光強與等價于噪聲輸出的光強的比值，由芯片的特性決定。另一種是電子動態(tài)范圍，是指飽和電壓和噪聲電壓之間的比值。

對于固定相機其動態(tài)范圍是一個定值，不隨外界條件變化而變化。在線性響應(yīng)處，相機的動態(tài)范圍定義為飽和曝光量與噪聲等效曝光量的比值：

動態(tài)范圍可用倍數(shù)、dB 或 Bit 等方式來表示。動態(tài)范圍大，則相機對不同的光照強度有更強的適應(yīng)能力。

g.像元/像素深度

數(shù)字相機輸出的數(shù)字信號，即像元灰度值，具有特殊的比特位數(shù)，稱為像元深度。即每像素數(shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對于數(shù)字相機機一般還會有10Bit、12Bit、14Bit等。

對于黑白相機這個值的方位通常是 8-16bit。像元深度定義了灰度由暗道亮的灰階數(shù)。例如，對于 8bit 的相機 0 代表全暗而 255代表全亮。介于 0 和 255 之間的數(shù)字代表一定的亮度指標(biāo)。10bit 數(shù)據(jù)就有 1024 個灰階，而 12bit 有 4096 個灰階。每一個應(yīng)用我們都要仔細考慮是否需要非常細膩的灰度等級。從 8bit 上升到 10bit 或者 12bit 的確可以增強測量的精度，但是也同時降低了系統(tǒng)的速度，并且提高了系統(tǒng)集成的難度（線纜增加，尺寸變大），因此我們也要慎重選擇。

h.光譜響應(yīng)

光譜響應(yīng)是指相機對于不同波長光線的響應(yīng)能力，通常指其所采用芯片的光譜響應(yīng)。通常用光譜曲線表示，橫軸表示不同波長，縱軸表示量子效率。按照響應(yīng)光譜不同也把相機分為可見光相機（400nm—1000nm，峰值在 500nm—600nm 之間），紅外相機（響應(yīng)波長在 700nm 以上），紫外相機（可以響應(yīng)到 200nm—400nm的短波），我們需要根據(jù)接收被測物發(fā)光波長的不同來選擇不同的光譜響應(yīng)的相機。

i.光學(xué)接口/接口類型

光學(xué)接口是指相機與鏡頭之間的借口，常用的鏡頭的借口有 C 口，CS 口，F(xiàn) 口。下表提供了關(guān)于鏡頭安裝及后焦距的信息。其中 M42 鏡頭適配器源于高端攝像標(biāo)準(zhǔn)。另一方面，相機的 Z 軸均依據(jù)所提供的適配器而進行了優(yōu)化，一般情況下不要輕易拆卸鏡頭適配器。

（3）工業(yè)數(shù)字攝像機主要接口類型

主要有：Usb2.0、IEEE 1394、CameraLink、GiggE等。

目前市面上工業(yè)相機大多是基于CCD或CMOS芯片的相機。

CCD攝像機，CCD稱為電荷耦合器件，CCD實際上是一個從圖像半導(dǎo)體中出來的電子有組織地儲存起來的方法。優(yōu)點：圖像質(zhì)量高、靈敏度高、對比度高；缺點：有Blooming現(xiàn)象、不能直接訪問每個像素、沒有片上處理功能。

CMOS攝像機，CMOS稱為“互補金屬氧化物半導(dǎo)體”，CMOS實際上只是將晶體管放在硅塊上的技術(shù)，沒有更多的含義。CMOS可以將光敏元件、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計算機接口控制電路集成在一塊硅片上。優(yōu)點：體積小結(jié)構(gòu)簡單、片上處理功能多、低功耗、沒有Blooming現(xiàn)象、能直接訪問單個像素、高動態(tài)范圍（120dB）、幀率可以更高；缺點：一致性差、光靈敏度差、噪聲大。

相對于CCD傳感器，CMOS傳感器的隨機讀取特性使其容易實現(xiàn)圖像的矩形感興趣區(qū)域（AOI）讀出方式。這一特性使得CMOS能針對較小的AOI時可以獲得更高的幀率。CMOS傳感器的另一優(yōu)點就是，讀出速度快。CMOS傳感器的缺點是填充因子很低，通常使用微鏡來提高其填充因子。

CCD和CMOS區(qū)別：

CCD的優(yōu)勢在于成像質(zhì)量好；

CMOS價格比CCD便宜；

CMOS電源消耗量比CCD低；

CCD用于動態(tài)測量；

CMOS 用于低速或靜態(tài)測量。但是現(xiàn)在全曝光的CMOS也可用于動態(tài)測量；

現(xiàn)在CCD是主流，但CMOS正在趕上，而且CMOS是未來。

注：CCD是全局曝光，而CMOS既存在全局曝光又有卷簾曝光。

如何選擇工業(yè)相機：

首先要弄明白的是自己的檢測任務(wù)，是靜態(tài)拍照還是動態(tài)拍照、拍照的頻率是多少、是做缺陷檢測還是尺寸測量或者是定位、產(chǎn)品的大?。ㄅ臄z視野）是多少、需要達到的精度多少、所用軟件的性能、現(xiàn)場環(huán)境情況如何、有沒有其它的特殊要求等。

如果是動態(tài)拍照，運動速度是多少，根據(jù)運動速度選擇最小曝光時間以及是否需要逐行掃描的相機；而相機的幀率（最高拍照頻率）跟像素有關(guān)，通常分辨率越高幀率越低，不同品牌的工業(yè)相機的幀率略有不同。

根據(jù)檢測任務(wù)的不同、產(chǎn)品的大小、需要達到的分辨率以及所用軟件的性能可以計算出所需工業(yè)相機的分辨率；現(xiàn)場環(huán)境最要考慮的是溫度、濕度、干擾情況以及光照條件來選擇不同的工業(yè)相機。

考慮待觀察或待測量物體的精度，根據(jù)精度選擇工業(yè)相機分辨率。

相機像素精度=單方向視野范圍大小/相機單方向分辨率。

則相機單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。

實例1：

實例2：

假設(shè)檢測一個物體的表面劃痕，要求拍攝的物體大小為10*8mm，而要求的檢測精度是0.01mm。

首先假設(shè)要拍攝的視野范圍在12*10mm，那么相機的最低分辨率應(yīng)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(yīng)一個缺陷檢測的話那么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，因此一般而言是選用130萬像素的相機。

但實際問題是如果一個像素對應(yīng)一個缺陷的話，那么這樣的系統(tǒng)一定會極不穩(wěn)定，因為隨便的一個干擾像素點都可能被誤認為缺陷，所以為了提高系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性，最好取缺陷的面積在3到4個像素以上，這樣選擇的相機也就在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（我見過最多的人抱著亞像素不放說要做到零點幾的亞像素，那就不用這么高分辨率的相機了。

相機的最小曝光時間，可以決定目標(biāo)的運動速度?；蛘叻催^來說，目標(biāo)的運動速度，對相機的最小曝光時間提出了要求。假設(shè)我們的目標(biāo)運動速度是1mm/S，我們的測量精度是0.01mm/pixel，那么我們必須考慮，物體的運動引起的拖影必須要小于我們的精度0.01mm，目標(biāo)移動0.01mm，需要用時10ms，這就要求我們的相機的曝光時間必須小于10ms，如果大于這個曝光時間，那么僅僅物體運動引起的模糊就會大于0.01，這時我們的精度已經(jīng)無法達到0.01了。

通常來說，物體運動引起的模糊應(yīng)該比我們要求的測量精度小一個數(shù)量級，這樣可以減少其對系統(tǒng)的影響，一般我們的工業(yè)相機最快曝光時間可以達到幾十至一百多微秒的樣子。如此短的曝光時間，對光能量要求比較大，因此需要選擇合適的光源與光源控制器。

審核編輯 ：李倩