工業(yè)數(shù)字相機(jī)的技術(shù)應(yīng)用及選擇

一、相機(jī)的選擇

（1）工業(yè)數(shù)字相機(jī)的分類：

工業(yè)相機(jī)按照芯片類型可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；

按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；

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

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

按照掃描方式可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)；

按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機(jī)、高分辨率相機(jī)；

按照輸出信號(hào)速度可以分為普通速度相機(jī)、高速相機(jī)；

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

（2）相機(jī)的主要參數(shù)

相機(jī)的主要參數(shù)：

①分辨率；②速度（幀頻/行頻）；③噪聲；(三) 曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）；④信噪比；⑤動(dòng)態(tài)范圍；⑥像元深度；⑦光譜響應(yīng)；⑧光學(xué)接口。

①分辨率

分辨率是相機(jī)最基本的參數(shù)，由相機(jī)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(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)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(gè)像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即 1080 行?，F(xiàn)在相機(jī)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(shí)，相機(jī)的分辨率對(duì)圖像質(zhì)量有很大的影響。在對(duì)同樣大的視場（景物范圍）成像時(shí)，分辨率越高，對(duì)細(xì)節(jié)的展示越明顯。

②速度（最大幀率（Frame Rate）/行頻（Line Rate））

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

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

速度是相機(jī)的重要參數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中很多時(shí)候需要對(duì)運(yùn)動(dòng)物體成像。相機(jī)的速度需要滿足一定要求，才能清晰準(zhǔn)確的對(duì)物體成像。相機(jī)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(jì)最高速度則主要是由芯片所能承受的最高時(shí)鐘決定。

(三) 曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）

對(duì)于線陣相機(jī)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(shí)間可以與行周期一致，也可以設(shè)定一個(gè)固定的時(shí)間；面陣相機(jī)有幀曝光、場曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見方式，數(shù)字相機(jī)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(jī)還可以更快。

③噪聲

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

根據(jù)歐洲相機(jī)測試標(biāo)準(zhǔn)EMVA1288 中，定義的相機(jī)中的噪聲從總體上可分為兩類：一類是由有效信號(hào)帶來的符合泊松分布的統(tǒng)計(jì)漲落噪聲，也叫散粒噪聲（shot noise）,這種噪聲對(duì)任何相機(jī)都是相同的，不可避免，有其確定的計(jì)算公式（噪聲的平方=信號(hào)的均值）；第二類是相機(jī)自身固有的與信號(hào)無關(guān)的噪聲，它是由圖像傳感器讀出電路、相機(jī)信號(hào)處理與放大電路等帶來的噪聲，每臺(tái)相機(jī)的固有噪聲都不一樣。另外，對(duì)數(shù)字相機(jī)來說，對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)產(chǎn)生量化噪聲，量化位數(shù)越高，噪聲越低。

④信噪比

相機(jī)的信噪比定義為圖像中信號(hào)與噪聲的比值（有效信號(hào)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(jī)性能較好）

⑤動(dòng)態(tài)范圍

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

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

動(dòng)態(tài)范圍可用倍數(shù)、dB 或 Bit 等方式來表示。動(dòng)態(tài)范圍大，則相機(jī)對(duì)不同的光照強(qiáng)度有更強(qiáng)的適應(yīng)能力。

⑥像元/像素深度

數(shù)字相機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，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?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)機(jī)一般還會(huì)有10Bit、12Bit、14Bit等。

對(duì)于黑白相機(jī)這個(gè)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(duì)于 8bit 的相機(jī) 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(gè)灰階，而 12bit 有 4096 個(gè)灰階。每一個(gè)應(yīng)用我們都要仔細(xì)考慮是否需要非常細(xì)膩的灰度等級(jí)。從 8bit 上升到 10bit 或者 12bit 的確可以增強(qiáng)測量的精度，但是也同時(shí)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。

⑦光譜響應(yīng)

光譜響應(yīng)是指相機(jī)對(duì)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(jī)分為可見光相機(jī)（400nm—1000nm，峰值在 500nm—600nm 之間），紅外相機(jī)（響應(yīng)波長在 700nm 以上），紫外相機(jī)（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(jī)。

⑧光學(xué)接口/接口類型

光學(xué)接口是指相機(jī)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(jī)的 Z 軸均依據(jù)所提供的適配器而進(jìn)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?jǐn)z像機(jī)主要接口類型

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

目前市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于CCD或CMOS芯片的相機(jī)。

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

CMOS攝像機(jī)，CMOS稱為“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”，CMOS實(shí)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(chǔ)器、數(shù)字信號(hào)處理器和計(jì)算機(jī)接口控制電路集成在一塊硅片上。優(yōu)點(diǎn)：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(gè)像素、高動(dòng)態(tài)范圍(120dB)、幀率可以更高；缺點(diǎn)：一致性差、光靈敏度差、噪聲大。

CCD傳感器相機(jī)適合高速動(dòng)態(tài)；

CMOS傳感器相機(jī)適合低速動(dòng)態(tài)或靜止。

相對(duì)于CCD傳感器，CMOS傳感器的隨機(jī)讀取特性使其容易實(shí)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(duì)較小的AOI時(shí)可以獲得更高的幀率。CMOS傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)就是，讀出速度快。CMOS傳感器的缺點(diǎn)是填充因子很低，通常使用微鏡來提高其填充因子。

CCD和COMS區(qū)別：

? CCD的優(yōu)勢在于成像質(zhì)量好；

? CMOS價(jià)格比CCD便宜；

? CMOS電源消耗量比CCD低；

? CCD用于動(dòng)態(tài)測量；

? CMOS 用于低速或靜態(tài)測量。但是現(xiàn)在全

局曝光的CMOS也可用于動(dòng)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(jī)：

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(dòng)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(dá)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(dòng)態(tài)拍照，運(yùn)動(dòng)速度是多少，根據(jù)運(yùn)動(dòng)速度選擇最小曝光時(shí)間以及是否需要逐行掃描的相機(jī)；而相機(jī)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(jī)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(dá)到的分辨率以及所用軟件的性能可以計(jì)算出所需工業(yè)相機(jī)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(jī)。

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(jī)分辨率。

相機(jī)像素精度=單方向視野范圍大小/相機(jī)單方向分辨率。

則相機(jī)單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。

實(shí)例1：

實(shí)例2：

假設(shè)檢測一個(gè)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1210mm，那么相機(jī)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(jī)，也就是說一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)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(jī)，因此一般而言是選用130萬像素的相機(jī)。

但實(shí)際問題是如果一個(gè)像素對(duì)應(yīng)一個(gè)缺陷的話，那么這樣的系統(tǒng)一定會(huì)極不穩(wěn)定，因?yàn)殡S便的一個(gè)干擾像素點(diǎn)都可能被誤認(rèn)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(gè)像素以上，這樣選擇的相機(jī)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(jī)為最佳(我見過最多的人抱著亞像素不放說要做到零點(diǎn)幾的亞像素，那就不用這么高分辨率的相機(jī)了。

相機(jī)的曝光時(shí)間

相機(jī)的最小曝光時(shí)間，可以決定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。或者反過來說，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度，對(duì)相機(jī)的最小曝光時(shí)間提出了要求。假設(shè)我們的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)引起的拖影必須要小于我們的精度0.01mm，目標(biāo)移動(dòng)0.01mm，需要用時(shí)10ms，這就要求我們的相機(jī)的曝光時(shí)間必須小于10ms，如果大于這個(gè)曝光時(shí)間，那么僅僅物體運(yùn)動(dòng)引起的模糊就會(huì)大于0.01，這時(shí)我們的精度已經(jīng)無法達(dá)到0.01了。

通常來說，物體運(yùn)動(dòng)引起的模糊應(yīng)該比我們要求的測量精度小一個(gè)數(shù)量級(jí)，這樣可以減少其對(duì)系統(tǒng)的影響，一般我們的工業(yè)相機(jī)最快曝光時(shí)間可以達(dá)到幾十至一百多微秒的樣子。如此短的曝光時(shí)間，對(duì)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：郭婷