機器視覺系統(tǒng)硬件組成之工業(yè)相機篇

工業(yè)相機是一種非常重要的機器視覺器件，它能夠?qū)⒈徊杉膱D像信息通過電路轉(zhuǎn)換成電信號，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，最后以標(biāo)準(zhǔn)的視頻信號輸出。工業(yè)相機在機器視覺領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，包括質(zhì)量控制、工業(yè)檢測、醫(yī)療診斷、安全監(jiān)控以及交通管理等諸多領(lǐng)域。

機器視覺是通過光學(xué)裝置和非接觸傳感器自動地接收和處理一個真實物體的圖像，以獲得所需信息或用于控制機器人運動的裝置。簡單來說，機器視覺是用機器代替人眼來做測量和判斷，它依賴于一系列設(shè)備和技術(shù)，其中工業(yè)相機是核心組件之一。

一、定義及原理

工業(yè)相機，也被稱為攝像機，是機器視覺系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號轉(zhuǎn)變成有序的電信號。機器視覺系統(tǒng)通過圖像攝取裝置（即工業(yè)相機）將被攝目標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像信號，這些信號被傳送到專用的圖像處理系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)像素分布、亮度、顏色等信息，將這些信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信號，并進行各種運算來抽取目標(biāo)的特征，進而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場的設(shè)備動作。

二、分類

1. 按照芯片結(jié)構(gòu)分類：CCD相機 & CMOS相機。

2. 按照傳感器結(jié)構(gòu)分：面陣相機 & 線陣相機。

3. 按照輸出模式分類：模擬相機 & 數(shù)字相機。

4. 按照輸出色彩分：彩色相機&黑白相機。

工業(yè)相機主要基于CCD（電荷耦合器件）或CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）芯片。CCD是目前機器視覺中最常用的圖像傳感器，它集光電轉(zhuǎn)換、電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移和信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。CMOS圖像傳感器則將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上。兩者在性能和應(yīng)用方面各有優(yōu)勢：

CMOS相機適用于高速和低功耗應(yīng)用，成本較低。

CCD相機適用于要求高圖像質(zhì)量和低噪音的應(yīng)用，成本較高。

面陣相機是每次采集若干行的圖像并以幀方式輸出。其應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。面陣相機的優(yōu)點是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。缺點是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀速度受到限制。

線陣工業(yè)相機，顧名思義是成像傳感器呈“線”狀的。雖然也是二維圖像，但極寬，幾千個像素的寬度，而高度卻只有幾個像素的而已。線陣工業(yè)相機具有高掃描頻率和高分辨率。其典型應(yīng)用領(lǐng)域是檢測連續(xù)的材料，例如金屬、塑料、紙和纖維等。被檢測的物體通常勻速運動, 利用一臺或多臺工業(yè)相機對其逐行連續(xù)掃描，以達到對其整個表面均勻檢測。可以對圖像逐行進行處理，或者對由多行組成的面陣圖像進行處理。另外線陣工業(yè)相機非常適合測量場合，這要歸功于傳感器的高分辨率。一般在兩種情況下使用這種相機：

1. 被測視野為細長的帶狀，多用于滾筒上檢測的問題。

2. 需要極大的視野或極高的精度。

數(shù)字工業(yè)相機和模擬工業(yè)相機只在輸出信號上有區(qū)別。

模擬工業(yè)相機輸出的是模擬信號，數(shù)字工業(yè)相機輸出的是數(shù)字信號。模擬工業(yè)相機的A/D 轉(zhuǎn)換是在工業(yè)相機之外進行的，數(shù)字工業(yè)相機的A/D 轉(zhuǎn)換是在工業(yè)相機內(nèi)部完成的。

標(biāo)準(zhǔn)的模擬相機分辨率很低，幀率固定。模擬相機必須搭配具有A/D轉(zhuǎn)換功能的模擬采集卡，經(jīng)過模擬采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行存儲或者處理。模擬信號可能會由于工廠內(nèi)其他設(shè)備（比如電動機或高壓電纜）的電磁干擾而造成失真，隨著噪聲水平的提高模擬相機的動態(tài)范圍（原始信號與噪聲之比）會降低。動態(tài)范圍決定了有多少信息能從相機傳輸給計算機。數(shù)字相機輸出的是數(shù)字信號，數(shù)字信號不受電噪聲影響，因此數(shù)字相機的動態(tài)范圍更高，能夠向計算機傳輸更精確的信號。

黑白工業(yè)相機直接將光強信號轉(zhuǎn)換成圖像灰度值，生成的是單色灰度圖像。彩色工業(yè)相機能獲取景物中紅、綠、藍三個分量的光信號，輸出彩色圖像。彩色相機能夠提供比黑白相機更多的色彩信息。

三、常用參數(shù)

1.分辨率：指相機能夠捕捉圖像的像素數(shù)量，它影響著圖像的細節(jié)程度和測量精度。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。線陣相機的分辨率通常表示多少K，如1K（1024），2K（2048），4K（4096）等。選擇時需要根據(jù)測量對象的特征和測量精度要求來計算所需的像素數(shù)量。

2. 幀率：表示相機每秒捕獲的圖像數(shù)量（FPS），即相機采集和傳輸圖像的速度。通常面陣相機用幀頻表示，單位fps（Frame Per Second）。如30fps，表示相機1秒鐘內(nèi)最多能采集30幀圖像。線陣相機通常用行頻表示，單位KHz，如12KHz，表示相機1秒鐘內(nèi)最多能采集12000行圖像數(shù)據(jù)。高幀率相機適用于快速運動物體的捕捉和分析。

3.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。對于黑白相機，這個值通常是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。決定了圖像的色彩范圍和灰度級別。高像素深度相機能提供更豐富的色彩和更精細的灰度變化。

4.像元尺寸：像元的尺寸是每個像素的面積，也就是像元大小。像元尺寸大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機靶面的大小。

5.精度：檢測的精準(zhǔn)度，每個像素代表的實際物理尺寸。精度=單方向市場大小/相機單方向分辨率。

6.噪聲：感光器件（CMOS/CCD）接收光線信號并輸出的過程中所產(chǎn)生的圖像中的粗糙部分。工業(yè)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。

7.信噪比：輸出信號中有用信號和噪聲的比（dB）。

8.數(shù)據(jù)接口：在機器視覺檢測技術(shù)中，當(dāng)前工業(yè)相機的數(shù)據(jù)接口主要有GigE、USB3.0、CoaXPress、Cameralink、HSLink、10GigE，還有退居二線的IEEE 1394、USB2.0、LVDS、RS422、SDI等。 1）GigE：帶寬可達到1000 Mbps，不需中繼器最遠可傳輸100米。 2）Cameralink：支持速率達2.3Gb/s。 3）USB3.0：最大信號傳輸速率可達5 Gbits/s。實際傳輸速率可達到 +350MB/s。 4）CoaXPress：一種非對稱的高速串行通信數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，一根電纜最高傳輸率可達 6.25Gb/s，傳輸距離可達100米。 5）HSLink：最大帶寬可達6000MB/s，支持即插即用。 6）10GigE：俗稱萬兆網(wǎng)，帶寬可達到10000 Mbps，最遠可傳輸100米。

9.動態(tài)范圍：動態(tài)范圍表明相機探測光信號的范圍。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)曲線上，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，即動態(tài)范圍=光敏元的滿阱容量/等效噪聲信號動態(tài)范圍，可用倍數(shù)、dB 或Bit 等方式來表示。動態(tài)范圍大，相機對不同的光照強度有更強的適應(yīng)能力。

10.光譜響應(yīng)性：工業(yè)相機的光譜響應(yīng)特性是指該感光芯片對不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm，一些相機在感光芯片前加了一個濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對紅外感光時可去掉該濾鏡。

11.快門方式：工業(yè)相機有全局快門和卷簾快門。

12.全局快門與卷簾快門的優(yōu)缺點： ①全局快門的優(yōu)點是所有的像素點同時曝光，其缺點是曝光時間存在物理極限； ②卷簾快門的優(yōu)點是具有更小的曝光時間，其缺點是由于是逐行而不是同時曝光取像，如果圖像是運動的，則存在明顯的拖影，因此不適合拍攝運動的物體。 曝光時間短的應(yīng)用（如<500μs）適合使用全局快門，而曝光時間長的應(yīng)用，選擇卷簾快門可以有更低的噪聲和幀速。在實際應(yīng)用中，一般只要是拍攝運動物體，都使用全局快門，只有在拍攝靜止物體時，才使用滾動快門。CCD和CMOS相機都可配備全局快門。

四、選型要點

工業(yè)相機選型時要注意以下幾點：

1. 分辨率的選擇。首先根據(jù)目標(biāo)物體的精度要求選擇分辨率。其次看工業(yè)相機的輸出，若是用機器軟件分析識別，分辨率越高越有幫助；若是需要視頻輸出至顯示器上觀察，則依賴于顯示器的分辨率，工業(yè)相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；若是需要將圖像實時保存下來，還需要綜合服務(wù)器的存儲速率來考慮工業(yè)相機的分辨率。

2. 與鏡頭的匹配。傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭的靶面尺寸，C 或CS 安裝座也要匹配（或者增加轉(zhuǎn)接口）；

3. 相機幀數(shù)選擇。當(dāng)被測物體處于運動狀態(tài)時，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機。但一般來說分辨率越高，幀數(shù)越低。

系統(tǒng)單次運行速度 = 系統(tǒng)成像（包括傳輸）速度 + 系統(tǒng)檢測速度

雖然系統(tǒng)成像（包括傳輸）速度可以根據(jù)工業(yè)相機異步觸發(fā)功能、快門速度等進行理論計算，最好的方法還是通過軟件進行實際測試。

如何選擇線陣相機？

1. 計算分辨率：幅寬除以檢測精度得出每行需要的像素。

2. 檢測精度：幅寬除以像素得出實際檢測精度。

3. 掃描行數(shù)：每秒運動速度長度除以精度得出每秒掃描行數(shù)。

根據(jù)以上計算結(jié)果選擇線陣相機舉例如下：

如幅寬為1600mm、精度1mm、運動速度22000mm/s

1600/1＝1600 像素 最少2000像素，選定為2k 相機

1600/2048＝0.8 實際精度

22000mm/0.8mm＝27.5KHz

應(yīng)選定相機為2048 像素28kHz 相機。

選擇工業(yè)相機時，物體成像的速度必須考慮好。對于靜止或移動緩慢的物體，面陣工業(yè)相機最適合。在面陣相機曝光時任何的移動會導(dǎo)致圖像模糊，此時可通過減小曝光時間或使用閃光燈來解決圖像模糊的問題。對于快速移動的物體，保證相機曝光時目標(biāo)物體的位移小于一個像素所代表的的拍攝精度，即可解決圖像模糊的問題。例如，目標(biāo)物以1cm/s的速度勻速移動，拍攝精度為1mm/pixel，那么可以設(shè)置的相機最大曝光時間是0.1秒。

五、工業(yè)相機保存方法

1. 盡量避免將工業(yè)相機直接指向陽光，以免損害攝像頭的圖像感應(yīng)器件；

2. 避免將工業(yè)相機和油、蒸汽、水汽、濕氣和灰塵等物質(zhì)接觸，避免和水直接接觸；

3. 不要使用刺激的清潔劑或者有機溶劑擦拭工業(yè)相機；

4. 不要拉扯和扭轉(zhuǎn)連接線；

5. 非必要情況下，自己不要隨意拆卸相機，試圖碰觸其內(nèi)部零件，這容易對相機造成損傷，人為損傷經(jīng)銷商是不保修的；

6. 存儲時，應(yīng)當(dāng)將相機存放到干凈、干燥的地方。

六、配套軟件

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七、應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)相機廣泛用于各種應(yīng)用領(lǐng)域，包括自動化生產(chǎn)線上的質(zhì)量控制、機器視覺系統(tǒng)、醫(yī)療成像、物流和倉儲、安全監(jiān)控、交通監(jiān)控和航空等。它們在這些領(lǐng)域中用于實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)收集、圖像處理和自動決策，有助于提高生產(chǎn)效率、降低成本和提高質(zhì)量。

八、發(fā)展趨勢

技術(shù)創(chuàng)新：隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)相機將具備更強大的圖像處理和分析能力，實現(xiàn)更高級別的自動化和智能化。

集成化與模塊化：未來的工業(yè)相機將更加集成化和模塊化，方便用戶根據(jù)實際需求進行靈活配置和擴展。

高性價比：隨著技術(shù)的不斷進步和市場競爭的加劇，工業(yè)相機的性價比將不斷提高，為更多行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域提供優(yōu)質(zhì)的視覺解決方案。

綜上所述，工業(yè)相機作為機器視覺系統(tǒng)的核心組件之一，在自動化、智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，工業(yè)相機將迎來更加廣闊的發(fā)展前景。

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