工业相机选型指南

丢帧

工业相机的丢帧现象一般和相机采用的接口没有关系。丢帧的原因是通道堵塞，新的图像进来时，没有办法及时处理，前一张可能被迫丢弃，或者新的图像丢失。要想解决丢帧问题，必须针对驱动程序和硬件图像信息传输中间的每一个环节进行充分设计。

接口

工业相机的输入、输出接口有USB3.0、IEEE1394、Camera Link、USB2.0、Ethernet、CoaXPress等。

系统选型

1.镜头

a）镜头靶面，大于或者等于图像传感器靶面；

b）镜头接口，C、CS、F、M12、M42、M58等；

c）镜头参数，分辨力、最小工作距离、畸变、结构尺寸及光谱特性等。

2.相机

a）像元尺寸，同样分辨率的传感器，优先选择尺寸大的，有利于成像质量的提高；

b）视频特点，包括点频、行频；

c）输出接口，不同的输出接口对应不同的带宽、传输的距离、稳定性；

d）工作模式，连续、触发、控制、异步复位、长时间积分等；

e）控制方式，Manual、RS232等。

CCD与CMOS

1.CMOS（互补金属氧化物半导体）

a）价格相对CCD相机低；

b）曝光方式部分为卷帘式快门曝光，适合拍摄静止物体，拍摄运动物体有拖影，且图像会变形；

c）色彩还原性较差；

d）芯片动态范围较小，灵敏度较差。但在光照充足的情况下，也能取得较好的图像效果；

e）系统噪声中到高。

2.CCD（电荷耦合器件）

a）价格较高；

b）曝光方式一般全局曝光，适合拍摄静止或运动物体；

c）色彩还原性好；

d）芯片动态范围较大，灵敏度好，成像效果对外界打光的依赖比CMOS芯片低；

e）系统噪声低。

参数

1.分辨率（Resolution）

相机每帧采集图像的像素点数（Pixels），对于工业数字相机一般是直接与图像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（Pixel Depth）

即每像素数据的位数，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。

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时可去掉该滤镜。

噪声

根据欧洲相机测试标准EMVA1288中，定义的相机中的噪声从总体上可分为两类。一类是由有效信号带来的符合泊松分布的统计涨落噪声，也叫散粒噪声（shot noise），这种噪声对任何相机都是相同的，不可避免。计算公式是，噪声的平方=信号的均值。

第二类是相机自身固有的与信号无关的噪声，它是由图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路等带来的噪声，每台相机的固有噪声都不一样。另外，对数字相机来说，对视频信号进行模拟转换时会产生量化噪声，量化位数越高，噪声越低。

信噪比

特定参数（信号）值与非特异性参数（噪声）的比值。如实验中样品的放射性与本底放射性强度之比。荧光在X射线底片上所造成的感光强度与非特异感光背景强度之比。序列同源性比较时，配对与非配对序列之比等。信噪比的值越大，图像的质量就越高。

动态范围

相机的动态范围表明相机探测光信号的范围，动态范围可用两种方法来界定。一种是光学动态范围，指饱和时最大光强与等价于噪声输出的光强的比值，由芯片的特性决定。另一种是电子动态范围，他指饱和电压和噪声电压之间的比值。对于固定相机其动态范围是一个定值，不随外界条件变化而变化。在线性响应区，相机的动态范围定义为饱和曝光量与噪声等效曝光量的比值。动态范围=光敏元的满阱容量/等效噪声信号，动态范围可用倍数、dB或Bit等方式来表示。动态范围大，则相机对不同的光照强度有更强的适应能力。

提高动态范围

以下技术可以提高相机动态范围。

1.对数响应

设置对数视频放大电路，增大成像器件的动态范围。

2.深沟道技术

使用厚度为40左右的高阻硅制作图像传感器，在保持薄型图像传感器的量子效率高的优点基础上，同时提高红光的量子效率。

3.双曝光

对传感器做曝光设置，弱光时自动采用长时间曝光，强光时自动采用短时间曝光，提高成像器件适应目标光强变化的能力，适合光强变化剧烈场合。

像元深度

数字相机输出的数字信号，即像元灰度值，具有特殊的比特位数，称为像元深度。对于黑白相机这个值的方位通常是8-16bit。像元深度定义了灰度由暗到亮的灰阶数。例如，对于8bit的相机0代表全暗，而255代表全亮。介于0和255之间的数字代表一定的亮度指标。10bit数据就有1024个灰阶，而12bit有4096个灰阶。每一个应用都要仔细考虑是否需要非常细腻的灰度等级。从8bit上升到10bit或者12bit的确可以增强测量的精度，但是也同时降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大）。

分类

1.芯片类型

分为CCD相机、CMOS相机。

2.传感器的结构特性

分为线阵相机、面阵相机。

3.扫描方式

分为隔行扫描相机、逐行扫描相机。

4.分辨率大小

分为普通分辨率相机、高分辨率相机。

5.输出信号方式

分为模拟相机、数字相机。

6.输出色彩

分为单色（黑白）相机、彩色相机。

7.输出信号速度

分为普通速度相机、高速相机。

8.响应频率范围

分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机。

工业相机特点

若用直观的说法指出工业相机与普通数字照相机的区别，就是工业相机给工业产品照相，普通数字相机给风景和人照相。工业相机的主要功能是将外界输入的光信号转换为可被电子系统处理的电信号输出，在成像原理方面与普通数字相机大致相同。相比传统的普通数字相机而言，工业相机具有较高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等特点。工业相机与普通数字式照相机结构框图的主要区别如下图所示。

线阵相机选型

1.计算分辨率

幅宽除以最小检测精度得出每行需要的像素。

2.检测精度

幅宽除以像素得出实际检测精度。

3.扫描行数

每秒运动速度长度除以精度得出每秒扫描行数。

根据以上计算结果选择线阵相机举例如下。

如幅宽为1600毫米、精度1毫米、运动速度22000mm/s相机。1600/1＝1600像素最少2000像素，选定为2k相机1600/2048＝0.8实际精度22000mm/0.8mm＝27.5KHz，应选定相机为2048像素28kHz。

线阵相机特点

1.分辨率更高

线阵相机每行像素一般为1024、2048、4096、8012，而一般的面阵相机仅为640、768、1280。

2.采集速度更快

线阵相机的采集速度一般是5000-60000行/秒，用户可以选择每几行或每十几行即构成一帧图像进行一次处理，因此可以达到很高的帧率。

3.连续采集和处理

线阵相机可以对直线运动的物体（印刷品，直线导轨，织物，滚筒上的纸张，传送带上的物体等）进行连续采集。

4.更简单合理的构造

与面阵相机相比，线阵相机不会浪费分辨率采集到无用数据。

智能工业相机

智能工业相机是一种高度集成化的微小型机器视觉系统。它将图像的采集、处理与通信功能集成于单一相机内，从而提供了具有多功能、模块化、高可靠性、易于实现的机器视觉解决方案。智能工业相机一般由图像采集单元、图像处理单元、图像处理软件、网络通信装置等构成。由于应用了最新的DSP、FPGA及大容量存储技术，其智能化程度不断提高，可满足多种机器视觉的应用需求。