机器视觉系统之——工业相机介绍

工业相机是机器视觉系统中的一个关键组件，其最基础功能就是将光信号转变成为有序的电信号。选择合适的工业相机也是机器视觉系统设计中的重要环节，工业相机不仅是直接决定所采集到的图像分辨率、图像质量等，同时也与整个系统的运行模式直接相关。

好的工业相机应具有高精度、高清晰度、色彩还原好、低噪声等特点，而且通过计算机可以编程控制曝光时间、亮度、增益等参数，另外图像窗口无级缩放，带有外触发输入，带有闪光灯控制输出等功能。

工业相机主要参数：

1.分辨率(Resolution)相机每次采集图像的像素点数(Pixels)，对于工业数字相机一般是直接与光电传感器的像元数对应的，对于工业数字模拟相机则是取决于视频制式,PAL制为768*576,NTSC制为640*480。

2.像素深度(Pixe1 Depth) 即每像索数据的位数,一般常用的是8Bit,对于工业数字数字相机一般还会有10Bit,12Bit等。

3.最大帧率(Frame Rate)/行频(Line Rate) 相机采集传输图像的速率，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数(Frames/Sec)对于线阵相机机为每秒采集的行数(Hz)。

4.曝光方式(Exposure)和快门速度(Shutter)对于工业线阵相机都是逐行曝光的方式，可以选择固定行频和外触发同步的采集方式，曝光时间可以与行周期一致，也可以设定一个固定的时间：面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式，工业数字相机一般都提供外触发采图的功能。快门速度一般可到10 微秒，高速相机还可以更快。

5.像元尺寸(Pixel Size)像元大小和像元数(分辨率)共同决定了相机靶面的大小。目前工业数字相机像元尺寸一般为3μm-l0μm，一般像元尺寸越小，制造难度越大，图像质量也越不容易提高。

6.光谱响应特性(Spectral Range)是指该像元传感器对不同光波的敏感特性，一般响应范围是350nm-1000nm，一些相机在靶面前加了一个滤镜，滤除红外光线，如果系统需要对红外感光的再去掉该滤镜。

目前工业用相机王要有CCD和CMOS两种。CMOS相机起步较晚，所摄取的画面质量也不是很好，所以主要用在图像品质要求不是很高的产品上，比如手机附带的相机大多数采用CMOS相机。CCD相机比CMOS相机更灵敏，在昏暗的光照下可以照出较好的图像，因此工业上应用较为普遍的是CCD相机。CCD(Charge Coupled Device)是一种半导体光学器件，该器件具有光电转换，信息存储和延时等功能，并且集成度高，能耗小，故一出现就在固体图像传感，信息存储和处理等方面得到广泛应用。

CCD和CMOS是现在普遍采用的两种图像工艺技术，它们之间的主要差异在于传送方式的不同，用过相机的人肯定对这两个名词不会陌生，可是对它们之间的性能区别，却并不是很了解，这里将做简单的比较说明。

CCD和CMOS的性能差异：

1、噪声差异：由于CMOS的每个感光二极管部需要搭配一个放大器，若以百万像素计算的话，那就需要上百万个的放大器，然而放大器属于模拟电路，很难让所得的每个结果都保持一致。而CCD 只需要一个放大器放在芯片边缘，与CMOS 相比，它的噪声相对减少很多，大大提高了图像品质。

2、耗电量差异CMOS采用主动式图像采集方式，感光二极管所产生的电荷会直接由旁边的电晶体放大输出:而CCD为被动式采集方式，必须外加12"'18V的电压以使每个像索中的电荷移送到传输通道。因此CCD就必须设计更精密的电源线路和耐压强度，这样使得CCD的耗电量远远高出CMOS，根据计算CMOS的耗电量仅是CCD的1/8"'1/10。

3、分辨率差异：由于CMOS的每个像素都比CCD复杂，且其像素尺寸很难达到CCD的水平，因此当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS时，CCD的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平。例如，维视数字图像技术有限公司生产的4. 40μm*4.40μm像元大小的CCD 相机分辨率为1628*1236，而5.2μm*5.2μm像元大小的CMOS相机分辨率为1280*1024，对比结果明显得出：同尺寸大小，CCD的分辨率要高于CMOS，也就是说成像质量要优于CMOS。

4、灵敏度差异：因为CMOS信号是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，读取信号时CMOS是点直接读取信号，CCD则是行间接读取信号，因此在像素尺寸相同的情况下，CMOS的灵敏度要低于CCD。

5、成本差异：由于CMOS与现有的大规模集成电路生产工艺相同，可以一次全部整合周边设施到传感器芯片中，大大节省了外围芯片的成本；而CCD采用电荷传递的方式输出数据，只要其中有一个像素传送出现故障，就会导致一整排的数据无法正常传送，因此控制CCD的成品率比CMOS困难许多，因此，CCD的制造成本就相对高子CMOS传感器。虽然CCD在影像品质、分辨率大小、灵敏度等方面优于CMOS。而CMOS具有低成本、低功耗以及高整合度的特点。随着CCD与CMOS 技术的不断进步，两者之间的差异将逐步减小，目前CCD 一直致力于功耗上的改进，而CMOS也在投入大量的研发改善分辨率与灵敏度方面的不足。可以预见在CCD与CMOS不断改进后的未来，我们将走进一个更加缤纷多彩的数码影像世界。

工业相机(Industrial Camera) 为什么要比民用相机贵，可以从以下几个方面来寻找答案。

1、工业相机的快门时间非常短，可以抓拍快速运动的物体。

例如，把名片贴在电风扇扇叶上，以最大速度旋转，然后用工业相机抓拍一张图像，仍能够清晰辨别名片上的字体。用一般的相机来拍摄，是不可能达到这样效果的。这里边的技术问题相当棘手，不在此赘述了。

2、工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而一般摄像机的图像传感器是隔行扫描的，甚至是隔三行扫描的。

逐行扫描的图像传感器生产比较困难，成品率低，出货量也少，世界上只有少数几个公司能够提供这类产品，例如Dalsa 、Sony ，而且价格昂贵。百万级逐行扫描CCD的价格，从人民币4000 元到3 万元不等，其中的技术参数繁多，也不在此赘述了。只有采用逐行扫描的图像传感器，才有可能清晰抓拍快速运功物体。

3、工业相机的拍摄速度远远高于一般相机。

工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅图片，而一般相机只能拍摄2-3幅图像，相差太多了。

4、工业相机输出的是裸数据(raw data)

工业相机光谱范围也往往比较宽，比较适合进行高质量的图像处理算法，例如机器视觉(MachineVision)应用。而一般的相机(DSC)拍摄的图片控制工程网版权所有，其光谱范围只适合人眼视觉控制工程网版权所有，并且经过了mjpeg压缩，图像质量较差。

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