机器视觉硬件之工业相机（一）

内容提要

相机定义：概括性认识相机

相机成像原理：分析黑白相机与彩色相机的成像原理

相机分类：介绍多种分类相机

相机参数：映美精相机产品手册为例，实例分析相机参数

相机厂商：罗列了一些国内以及国外相机厂商
1. 相机定义
相机是一种利用光学成像原理形成影响并使底片或者图像传感器（CCD、CMOS）记录影像的设备。
工业相机是机器视觉领域的关键部件，主要用于工业成像。与民用相机（数码相机、单反相机）的区别见下表。
工业相机 民用相机
稳定性 强 弱
工作时间 长 短
工作环境 可选择多 可选择少
帧率 高 低
分辨率 低 高
体积 小 大
接口 标准接口 接口多样
应用领域 工业应用 消费应用
2. 相机成像原理
数字相机成像原理：被检物品反射光线，经过镜头折射在感光传感器上（CCD或者CMOS）产生模拟的电流信号，此信号经过模数转换器转换至数字信号，然后传递给图像处理器，得到图像，最后通过工业相机通信接口，传入计算机中，以方便后续图像处理分析。成像原理总结如下图。

相机成像分为黑边和彩色两种，成像色彩的不同与感光芯片（CCD/CMOS）有很大关系。

CCD工作原理：CCD是电荷耦合器件的简称，在感光像点接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个寄存器，结合该元件生成的模拟信号输出给第三个寄存器，一次类推，知道结合最后一个寄存器后，才能形成统一的输出。

由于感光元件生成的电信号实在太微弱了加上在此过程中会产生大量电压损耗，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；因信号只通过一个放大器进行放大，所以产生的噪点较少。

由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。

CMOS工作原理：CMOS是互补金属氧化物半导体的简称，CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理，问题恰恰是发生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌—体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器，不过目前这方面的技术已大幅改善。

由于CCD是信号统一放大，所以噪声小，CMOS是各个感光元器件信号单独放大，导致噪声较大，但是CMOS传感器的优势有分辨率大、成本低，体积小等目前在工业相关展会上，很难看到CCD的身影，也侧面说明CMOS会是未来工业相机传感器的主流。有关CCD与CMOS的主要区别总结如下表：

CCD CMOS
灵敏度 高 低
成本 高 低
噪声 低 高
成像质量 高 低
功耗 高 低
整合度 低 高
帧率 低 高
动态响应 高 低
动态范围 低 高
黑白相机成像原理：以8位数据深度的黑白相机为例，每个像素将光强度对应转换成256级数据，黑色被认作“0”，白色被认作“255”，从而将每个像素接受的光强度转换为数值数据，即灰度值。

黑白图片即为按像素排列的棋盘格，存储为一系列有序的灰度值的组合。

彩色相机成像原理：彩色相机的成像模式有3芯片模式和bayer模式。
3芯片模式:采用三棱镜将射入的光分成三束，每束光都由不同的内置光栅来过滤出某一种三原色，然后使用三块CCD分别感光。这些图象再合成出一个高分辨率、色彩精确的图象。该方法需要三块感光芯片，造价比较昂贵。

Bayer模式：Bayer模式由Bayer先生提出的，只用一块图像传感器，就解决了颜色的识别。他的做法是在图像传感器前面，设置一个滤光片，上面布满了滤光点，与下层的像素一一对应。也就是说，如果传感器是1600x1200像素，那么它的上层就有1600x1200个滤光点。每个滤光点只能通过红、绿、蓝之中的一种颜色，这意味着在它下层的像素点只可能有四种颜色：红、绿、蓝、黑（表示没有任何光通过）。
Byer滤光片上的滤光点的排列是有规律的：每个绿点的四周，分布着2个红点、2个蓝点、4个绿点。由于人眼对绿色最为敏感，所以绿色是红、蓝的两倍。
光线通过只有三种颜色的Byer滤光片合成彩色图像，需要后期的算法处理–临近插值。以黄光为例，它由红光和绿光混合而成，那么通过滤光层以后，红点和绿点下面的像素都会有值，但是蓝点下面的像素没有值，因此看一个像素周围的颜色分布—-有红色和绿色，但是没有蓝色—-就可以推测出来这个像素点的本来颜色应该是黄色。
这种计算颜色的方法，就叫做“去马赛克”。下图的下半部分是图像传感器生成的”马赛克”图像，所有的像素只有红、绿、蓝、黑四种颜色；上半部分是”去马赛克”后的效果，这是用算法处理的结果。而原始马赛克图像，就是raw格式。

1. 相机分类
   根据不同分类方式，相机类型也是多用多样，总结如下表。

分类方式 分类1 分类2 分类3 分类4
信号形式 模拟相机 数字相机

成像色彩 彩色相机 黑白相机

像素排列方式 面阵相机 线阵相机

图像传感器 CCD相机 CMOS相机

图像处理方式 直接显示工业相机 智能相机

接口类型 USB2.0相机、USB3.0相机 1394A相机、1394B相机 GigE相机 Camera Link相机

按照信号形式：模拟相机、数字相机
模拟相机输出格式是模拟信号，一般搭配模拟采集卡才能在图像上进行显示。

模拟相机出信号分为PAL制、NTSC制，我国采用的是PAL制，美国采用的是NTSC制，对于黑白相机PAL对应CCIR，NTSC对应EIA。

数字相机在机器视觉领域采用最为广泛

按照成像色彩，分为彩色相机和黑白相机

彩色相机成像图像为彩色图像。彩色相机可以将色彩模式换成MONO，当黑白相机使用，黑白相机在机器视觉应用较为广泛。
按照像素排列方式，分为面阵相机和线阵相机。

面阵相机的像素分布是一个矩形或者正方形的。矩形传感器一般宽高比为4：3也有一些成正方形。
线阵相机的像素传感器排布成一条线状。例如1024*1（1K）分辨率的黑白线阵相机，彩色线阵相机一般会有3行像素。
按照图像传感器分为CCD相机和CMOS相机。
CCD与CMOS各有优势，可以参考前面叙述内容。
按照图像处理方式，分为直接显示工业相机、智能相机。

直接显示相机，即不需要使用计算机，直接连接到显示器即可进行显示。有VGA相机、HDMI相机。下图是VGA相机。
智能相机一般为嵌入式系统，内部集成了处理器、内存、存储设备等。优点有集成高、体积小巧、开发速度快。缺点有处理性能不足、灵活性差等。
按照接口类型分为USB相机、1394相机、GigE相机、Camera LInk相机。

USB相机，有USB2.0相机和USB3.0相机，二者在数据传输速度存在明显差异。下图为USB3.0工业相机。
1394，由叫火线、Fireware,也是一种标准的通信总线。1394A接口形状类似“A”，1394B为了解决传输速度不够的问题，是1394A的升级，接口形状类似“B”，二者接口是不兼容的。
1934A相机
1394B相机
GigE相机，即网口相机，是工业相机比较常用的，现在网口相机基本采用千兆网口的。
Camera Link总线是专门为工业相机的数据传输而设计的，传输速度高达680MBps。
数字相机接口比较总结如下表。

接口名称 USB2.0 USB3.0 1394A 1394B GigE Camera Link
理论速度 480Mbps 5Gbps 400Mbps 800Mpbs 1000Mbps 5.4Gbps
实际速度 30Mbps 900MBps 28.8MBps 62.4MBps 114.4MBps 737MBps
传输距离 5m 3m 10m 100m 100m 10m
成本 * * * * * **
市场占有率 常见 较常见 较常见 较常见 常见 不常见
4. 相机参数

映美精某款相机产品手册内参数
具体参数含义如下
相机参数 参数值 含义解释
一般性能

视觉标准 GigE视觉 根据相机传输数据标准分为USB、1394、GigE、Camera Link
动态范围 8/10 参考动态范围。8/10bit，表征像素表现最暗与最亮之间的范围
分辨率 1280*1024 130万像素
帧率 90 相机采集图像的速度，单位是FPS（帧每秒）
像素形式 8/12/16 Mono 黑白模式，8位、12位、16位
光学接口

红外滤光片 否 用于过滤红外线的滤光片，黑白相机一般无此滤光片，彩色相机为了成像理想，常会使用。
感光元件规格 安森美半导体P1300 传感器厂家和型号
快门方式 全局曝光 有全局曝光和卷帘曝光，一般CCD是全局，CMOS是卷帘。
传感器尺寸 1/2英寸 指传感器对角线尺寸
像素尺寸 4.8um 每个像元的尺寸
镜头接口 C（CS可选） 连接镜头的接口，工业相机一般有C口和CS口
电气接口

接口 GigE 数字接口有USB、1394、GigE、Camera Link
供电电压 11-13V，POE：48-56V
消耗电流 约400mA@12V 功耗4.8W
I/O连接 6引脚连接器 可以用来当做电压提供、外触发、选通或者通用IO
机械数据

尺寸 高:29mm,宽:44mm，长:57mm 相机机身尺寸
重量 120g 相机重量
可调参数

快门 50us到10s 曝光时间控制
增益 0dB到921dB 表示放大器功率放大倍数，以输出功率同输入功率比值的常数对数表示
环境

温度（工作） -5°到45° 工作环境的温度范围
温度（存储） -20°到60° 存储环境的温度范围
湿度（工作） 20%到80%（不凝结） 工作环境的湿度范围
湿度（存储） 20%到95%（不凝结） 存储环境的湿度范围
有关相机选型的常用相机参数

分辨率 —每次采集图像的像素点数，用于衡量相机的分辨能力；
分辨率是相机选型的首要考虑因素，根据检测精度与视野大小可以决定相机的
分辨率。
像素深度 —存储每个像素所用的位数，一定程度上也反映出图像的分辨能力；像元尺寸 —单个像素传感器的大小，与分辨率共同决定了相机的靶面尺寸；

传感器尺寸 —图像传感器的尺寸大小。与视野、工作距离、镜头焦距都有关系。

帧率/行率 —摄像机采集传输图像的速率，帧率对应面阵相机，行率对应线阵相机；

输出颜色—黑白相机输出为灰度图像，彩色为彩色图像；

镜头接口—相机的镜头接口决定配置什么样的镜头，常用有C口、CS口、F口等镜头；

光谱特性 —图像传感器对于不同波长光线的响应能力；

1. 相机厂商

国外厂商

品牌 厂商 官网
Balser 德国巴斯勒 http://www.baslerweb.com/
TheImagingSource 德国映美精 https://www.theimagingsource.cn/
TELI 日本东芝泰力 http://www.toshiba-teli.co.jp/cn/products/industrial/index_c.htm
Sentech 日本先特客 https://www.sentech.co.jp/
Hitachi 日本日立 http://www.hitachi-keu.com/content/index_e.htm
SONY 日本索尼 http://www.sony.co.uk/biz/product/machinevis
AVT 德国AVT http://www.alliedvisiontec.com
Smartek 德国SMARTEK http://www.smartek.hr/
Dalsa 加拿大DALSA http://www.dalsa.com/
JAI 美国JAI http://www.jai.com/CN/Pages/home.aspx
PointGrey 加拿大灰点 http://www.ptgrey.com/
IDS 德国IDS http://www.en.ids-imaging.com/
国内厂商

大恒
http://www.daheng-image.com/
艾菲特
http://wwww.aftvision.com/
视清
http://wwww.sq186.com/
海康
http://www.hikvision.com/cn/prlb_1276.html
大华
http://huaraytech.com/html/chanpinzhongxin/mianzhen/GigE/5000GigE_damianzhen/
维视
http://www.microvision.com.cn/
方诚
http://www.function-tech.com/
奥特梅尔
http://www.automv.com.cn/
图星
http://www.achtech.com.cn/

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