機(jī)器視覺-工業(yè)相機(jī)篇

工業(yè)相機(jī)又俗稱攝像機(jī)，相比于傳統(tǒng)的民用相機(jī)（攝像機(jī)）而言，它具有高的圖像穩(wěn)定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等優(yōu)點(diǎn)。目前市面上工業(yè)相機(jī)大多是基于CCD（ChargeCoupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機(jī)。

工業(yè)相機(jī)與普通數(shù)字式相機(jī)的主要區(qū)別

工業(yè)相機(jī)是作為機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)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。選擇合適的相機(jī)也是機(jī)器視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，相機(jī)的選擇不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質(zhì)量等，同時(shí)也與整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行模式直接相關(guān)。

1.相機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.相機(jī)分類

相機(jī)按照芯片類型、傳感器結(jié)構(gòu)特性、掃描方式、分辨率大小、輸出信號方式、輸出色彩、輸出信號速度、響應(yīng)頻率范圍等有著不同的分類方法。
①按照芯片類型：可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；

CCD相機(jī)：使用CCD感光芯片為圖像傳感器的相機(jī),集光電轉(zhuǎn)換及電荷存貯、電荷轉(zhuǎn)移、信號讀取于一體，CCD是目前機(jī)器視覺最為常用的圖像傳感器固體成像器件。

CMOS相機(jī)：使用CMOS感光芯片為圖像傳感器的相機(jī) ,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，還具有局部像素的編程隨機(jī)訪問的優(yōu)點(diǎn)。

②按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性：可以分為線陣相機(jī)、面陣相機(jī)；

線陣相機(jī)：傳感器上呈線狀（一行或三行）分布的相機(jī)，其所成圖像為一維“線”圖像。

面陣相機(jī)：傳感器上像素呈面狀分布的相機(jī)，其所成圖像為二維“面”圖像。

③按照掃描方式：可以分為隔行掃描相機(jī)、逐行掃描相機(jī)；
④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)；
⑤按照輸出信號方式：可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)；

模擬相機(jī)：從傳感器中傳出的信號，被轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，即普通視頻信號后再傳到圖像采集卡中。

數(shù)字相機(jī)：信號自傳感器中的像素輸出后，在相機(jī)內(nèi)部直接數(shù)字化并輸出。數(shù)字相機(jī)又包含USB相機(jī)、1394相機(jī)、Gige相機(jī)、CameraLink相機(jī)等。⑥按照輸出色彩：可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；
⑦按照輸出信號速度：可以分為普通速度相機(jī)、高速相機(jī)；
⑧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)。

3.卷簾快門(Rolling shutter)&全局快門(Global shutter)

卷簾快門，通常使用CMOS傳感器。傳感器在曝光時(shí)并不是所有像素同時(shí)感光的，而是逐行曝光，每行像素按照順序依次感光。
全局快門，通常使用CCD傳感器。所有像素同時(shí)感光曝光，在任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)，所有像素都接受相同的光量。

來一張示意圖（此圖原為動態(tài)圖，可能不能正常動態(tài)顯示）：

再來一張風(fēng)扇模擬圖（感受一下快與慢的區(qū)別）：

對于圖像采集，我們要了解到現(xiàn)場是要?jiǎng)討B(tài)還是靜態(tài)，速度多少等，才能根據(jù)這些參數(shù)選擇合理的相機(jī)(一般來說，動態(tài)就要考慮全局相機(jī))

4.相機(jī)常見參數(shù)

想要了解相機(jī)常見參數(shù)，最直接的方法就是看下各選型手冊就知道都有哪些重要參數(shù)，以此比較學(xué)習(xí)相機(jī)各個(gè)參數(shù)（以500萬卷簾相機(jī)為例）：

海康威視MV-CE050-30GM參數(shù)：

大華相機(jī)A3504MG100參數(shù)：

（其它品牌相機(jī)請參照官方選型手冊，一般都有自己的命名規(guī)則來方便記憶和區(qū)分，不在一一列舉）

①相機(jī)—像元（也有稱做像素）：是成像于相機(jī)芯片的圖像的最小組成單位。將圖像放大，每一小格表示一個(gè)像元，其中每一個(gè)像元對應(yīng)一個(gè)灰度值。以500萬像素的相機(jī)為例，滿屏有2592*1944個(gè)像素,成像于1/2.5英寸大小的CMOS芯片。

②分辨率（Resolution）：相機(jī)每次采集圖像的像元點(diǎn)數(shù)（Pixels）。對于工業(yè)數(shù)字相機(jī)一般是直接與光電傳感器的像元數(shù)對應(yīng)的，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：2592（H）x 1944(V)，前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，即共有2592個(gè)像元，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)，即1944行。對于工業(yè)數(shù)字模擬相機(jī)則是取決于視頻制式，PAL制為768*576，NTSC制為640*480。

③像元深度（Pixel Depth）：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)。對于黑白相機(jī)來說，像元深度定義灰度由暗到亮的灰階數(shù)，一般常用的是8Bit（輸出圖像灰度等級2的8次方，即0~255共256級），對于工業(yè)數(shù)字?jǐn)?shù)字相機(jī)一般還會有10Bit、12Bit等。

④最大幀率（Frame Rate）/行頻（Line Rate）：相機(jī)采集傳輸圖像的速率，對于面陣相機(jī)一般為每秒采集的幀數(shù)單位fps（Frames/Sec.），如30fps,表示相機(jī)在1秒鐘內(nèi)最多能采集30幀圖像；對于線陣相機(jī)機(jī)，通常用行頻表示，即為每秒采集的行數(shù)（Hz），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)。

⑤曝光方式（Exposure）和快門速度（Shutter）：CCD/CMOS相機(jī)多數(shù)采用電子快門，通過電信號脈沖的寬度來控制傳感器的光積分（曝光）時(shí)間。對于一般性能的的相機(jī)快門速度可以達(dá)到1/10000-1/100000秒。

對于工業(yè)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、場曝光和滾動行曝光等幾種常見方式，工業(yè)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。

⑥像元尺寸（Pixel Size）：像元尺寸是相機(jī)芯片上每個(gè)像元的實(shí)際物理尺寸。像元大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機(jī)靶面尺寸的大小。目前工業(yè)數(shù)字相機(jī)像元尺寸一般為2.2μm-10μm，一般像元尺寸越小，制造難度越大，圖像質(zhì)量也越不容易提高。

⑦靶面尺寸（SensorSize）：圖像傳感器的感光部分的大小。面陣相機(jī)靶面尺寸的大小表示與顯示器等標(biāo)準(zhǔn)類似，以芯片對角線長度來度量，單位以“吋”表示，符號為“””，1吋為16mm（注意：業(yè)界通用的規(guī)范就是 1英吋 CCD尺寸= 長 12.8mm × 寬 9.6mm = 對角線為 16mm 之對應(yīng)面積，而非光導(dǎo)攝像管直徑25.4mm）；線陣相機(jī)以芯片的橫向長度來度量。工業(yè)上，一般面陣相機(jī)常用靶面尺寸如下表，實(shí)際尺寸略有差異。在像素不變的情況下，相機(jī)靶面尺寸越大，噪點(diǎn)控制能力越強(qiáng)，因?yàn)閱蝹€(gè)感光元件之間的間距越大，相互之間的信號干擾越小。

知道分辨率（像元數(shù)）和像元尺寸，可以近似計(jì)算出來其靶面尺寸。比如：500萬相機(jī)靶面尺寸1/2.5”，分辨率2592（H）x 1944(V)，像元尺寸2.2 x2.2um，其靶面尺寸：2592 x2.2/1000≈5.7mm，1944 x2.2/1000≈4.3mm，即5.7 x4.3mm。

相機(jī)靶面尺寸與鏡頭匹配的技巧：在選用相機(jī)與鏡頭時(shí)，遵循“鏡頭最大兼容CCD尺寸≥相機(jī)靶面尺寸”的原則。

⑧光譜響應(yīng)特性（Spectral Range）：是指該像元傳感器對不同光波的敏感特性，一般響應(yīng)范圍是350nm－1000nm，一些相機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線，如果系統(tǒng)需要對紅外感光時(shí)可去掉該濾鏡。

⑨數(shù)據(jù)傳輸接口：

⑩相機(jī)光學(xué)接口：即相機(jī)與鏡頭的連接方式，業(yè)內(nèi)常用的幾種接口，如C口，CS口，F(xiàn)口，V口等。前面兩種的接口都是螺紋口，后面兩種都是卡口。

?精度：圖像中每個(gè)像素代表的實(shí)際物體的尺寸。圖像單位（像素）和實(shí)際物理單位（mm）之間的對應(yīng)關(guān)系，即視覺系統(tǒng)所能達(dá)到的理論精度，計(jì)算公式為：

例如：視場水平方向長度是25mm，相機(jī)水平分辨率是2592像素，所以視覺系統(tǒng)理論精度為25mm/2592像素≈0.01mm/像素，表示圖像中每個(gè)像素對應(yīng)0.01mm。

在選擇相機(jī)時(shí)，尤其是用視覺進(jìn)行測量時(shí)，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通常需要視覺系統(tǒng)的理論精度高于要求的實(shí)際精度（注意：精度數(shù)值越小，要求越高）。

經(jīng)驗(yàn)：外觀檢測：最小污點(diǎn)要求實(shí)際精度=5pixel*理論精度；尺寸檢測：實(shí)際公差精度>=10pixel*理論精度。

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