工业视觉系统相关知识和选型介绍（一）：相机篇

一、工业视觉系统

1.机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。
2.视觉系统主要由以下部分组成
1）照明光源
2）镜头
3）工业摄像机
4）图像采集/处理卡 （模拟相机）
5）图像处理系统
6）其它外部设备

模拟相机视觉系统（数字相机无图像采集卡）

二、工业相机

工业相机：机器视觉系统中的一个关键组件，其最本质的功能就是将光信号转变成有序的电信号。选择合适的相机也是机器视觉系统设计中的重要环节。

工业相机特点与普通相机的区别：
1、工业相机的性能稳定可靠易于安装，相机结构紧凑结实不易损坏，连续工作时间长，可在较差的环境下使用，一般的数码相机是做不到这些的。
2、工业相机的快门时间非常短，可以抓拍高速运动的物体。
（例如，把名片贴在电风扇扇叶上，以最大速度旋转，设置合适的快门时间，用工业相机抓拍一张图像，仍能够清晰辨别名片上的字体。用普通的相机来抓拍，是不可能达到同样效果的。）
3、工业相机的图像传感器是逐行扫描的，而普通的相机的图像传感器是隔行扫描的。
4、工业相机的帧率远远高于普通相机。工业相机每秒可以拍摄十幅到几百幅图片，而普通相机只能拍摄2-3幅图像，相差较大。
5、工业相机输出的是裸数据(raw data)，其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(Machine Vision)应用。而普通相机拍摄的图片，其光谱范围只适合人眼视觉，并且经过了mjpeg压缩，图像质量较差，不利于分析处理。
6、工业相机(Industrial Camera)相对普通相机(DSC)来说价格较贵。

三、关键名词解释

1. 分辨率（Resolution）:
相机每次采集图像的像素点数，一般对应于光电传感器靶面排列的像元数，如1920*1080。

2. 像素深度（Pixel Depth）:
每位像素数据的位数，常见的是8bit，10bit，12bit。分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。
结合最大帧率，可计算出一秒需要传输和处理的数据量：
例如对于像素深度为8bit的500万像素，则整张图片应该有

5000000*8/1024/1024/8=4.768 MB（1B=8bit，yte1024Byte=1KB，1024KB=1MB）。

增加像素深度可以增强测量的精度，但同时也降低了系统的速度，并且提高了系统集成的难度（线缆增加，尺寸变大等）。

3. 最大帧率（Frame Rate）/行频（Line Rate）:
相机采集和传输图像的速度，对于面阵相机一般为每秒采集的帧数（Frames/Sec），对于线阵相机为每秒采集的行数（HZ）。
1）相机的帧率，一般来说分辨率越高，帧数越低
2）考虑到由运动控制等延时，我们的帧频要大于检测频率
3）人眼识别>16fps时会判断为连贯的，FPS为帧每秒。
结合见下面实例：一秒需要传输和处理的数据量

4. 像元尺寸（Pixel Size）:
像元尺寸指芯片像元阵列上每个像元的实际物理尺寸，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位3μm~10μm，通常的尺寸包括14um,10um,9um , 7um ,6.45um ,3.75um 等。
1）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。
2）像元尺寸从某种程度上反映了芯片的对光的响应能力，像元尺寸越大，能够接收到的光子数量越多，在同样的光照条件和曝光时间内产生的电荷数量越多。对于弱光成像而言，像元尺寸是芯片灵敏度的一种表征。

5. 靶面尺寸（长宽比通常为4:3）：
也就是图像传感器感光部分的大小。越大，感光单元越多，像素越高一般用英寸来表示，和电视机一样，通常描述数据指的是图像传感器的对角线长度；
如常见的有1/3英寸，靶面越大，意味着通光量越好，而靶面越小则比较容易获得更大的景深。比如1/2英寸可以有比较大的通光量，而1/4英寸可以比较容易获得较大的景深。

1/4inch 3.2X2.4 mm
1/3inch 4.6x3.6mm
1/2inch 6.4 x4.8mm
2/3inch 8.8x6.6mm
1 inch 12.8x9.6mm

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，一般响应范围为350nm~1000nm，一些相机在靶面前面加了一个滤镜，滤除红外线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

7. 曝光：
相机快门打开后，光线通过镜头进入到机身里，对感光元件（CCD）进行感光，直到快门关闭，这一过程叫曝光。

7.1 曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter）
1）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；
2）面阵相机有帧曝光、场曝光和滚动曝光几种常见方式，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10ms，高速相机还会更快。

7.2 曝光时间
快门打开到关闭的时间间隔，目的是将光投射到照相感光材料的感光面。

曝光时间 < 视野高度/（图像高度*移动速度）

7.3 运动物体的曝光问题拖影：
拖影是在曝光的时候，拍摄目标与摄像系统之间存在相对运动形成的，因为这种 相对运动导致芯片上形成的图像一直在变化，各个部位的像元在曝光的过程中受到来自物体不同位置成像的影响，最终形成的图片是一个连续变化图像空间内图片的叠加。
物体只要是运动的，拖影就一定会有的，为了使其不对检测产生显著影响，不同的项目类型，对拖影相对长度的限制不尽相同。

运动速度和曝光时间是直接影响拖影的两个因素。为了保证图像中的拖影不超过s单位像素，则需要做到如下等价说法：
1）芯片上光学像在曝光时间内移动的位置不超过s单位像素；
2）物体与成像系统之间在曝光时间内相对移动（垂直于光轴平面内）距离不超过s单位的系统精度。
3）光像对芯片移动速度Vs与物体运动速度Vp之间关系为：
其实：光学系统中物方和像方所有的一维参数都是如上比例关系。

例如：某系统的拍摄精度是0.1mm/像素，相机曝光时间是1/2000秒，拍摄物体运动速度是10mm/s，这样目标在曝光时间内物体运动的距离是0.005mm<<0.1mm，因此可以用该系统拍摄。

8. 相机的触发方式：
1）连续采集模式：对静态检测可选择，产品连续运动不能给触发信号的可选择；
2）软件触发模式：对动态检测可选择，产品连续运动能给触发信号的可选择；
3）硬件触发模式：对高速动态检测可选择，产品连续高速运动能给触发信号的可选择。

9. 工业相机输出接口：
工业相机输出接口类型的选择主要由需要获得的数据类型决定。如果图像输出直接给视频监视器，那么只需要模拟输出的工业相机。如果需要将工业相机获取的图像传输给电脑处理，则有多种输出接口选择，但必须和采集卡的接口一致

10. 相机存储的文件格式：
bmp(原始）（无损），ipg（压缩）；

11. 工业相机噪声：
噪声是指成像过程中不希望被采集到的，实际成像目标之外的信号。总体上分为两类，一类是由有效信号带来的散粒噪声，这种噪声对任何相机都存在；另一类是相机本身固有的与信号无光的噪声。它是由于图像传感器读出电路、相机信号处理与放大电路带来的固有噪声，每台相机的固有噪声都不一样。

12. 信噪比：
相机的信噪比定义为图像中信号与噪声的比值（有效信号平均灰度值与噪声均方根的比值），代表了图像的质量，图像信噪比越高，相机性能和图像质量越好。

13. 动态范围
在机器视觉系统中，反映每一个像元灰度质量的指标是动态范围，也是机器视觉系统要考虑的重要指标之一。工业相机的动态范围表明相机探测光信号的范围，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。在线性响应中，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。

四、工业相机选型

0.需求分析：
描述机器视觉系统需要完成的功能和工作环境，对于整个机器视觉系统的成功集成是至关重要，即设定工作目标。

1.分辨率估算：相机每次采集图像的像素点数，一般对应于光电传感器靶面排列的像元数：（面阵相机的分辨率有795×596，1024×1024，2048×2048，5320×5320等）
首先考虑待观察或待测量物体的精度，根据精度选择分辨率：

由：
相机像素精度		=  单方向视野范围大小/相机单方向分辨率。
得：
相机单方向分辨率	=  单方向视野范围大小/理论精度。

又 相机分辨率=感光芯片尺寸/像元尺寸，即：

根据实际应用即可选出恰当的 传感器尺寸（靶面尺寸）
例：若单视野为5mm长，理论精度为0.02mm，则单方向分辨率=5/0.02=250。然而为增加系统稳定性，不会只用一个像素单位对应一个测量/观察精度值，一般可以选择倍数4或更高。这样该相机需求单方向分辨率为1000，选用130万像素已经足够。

2.分辨率的确定：根据待测物体的尺寸估算出视野的大小，再结合检测精度，利用上面的公式就可以大概确定检测系统的工业相机的分辨率。

3.线阵相机OR面阵相机：
1）对于静止检测或者一般低速的检测，优先考虑面阵相机，对于大幅面高速运动或者滚轴等运动的特殊应用考虑使用线阵相机。
2）线阵相机的传感器只有一行感光元素，一般应用于需要高频扫描和高分辨率的场合。线阵CCD的优点是一维像元数可以做到很多，一般长度有2K,4K,8K,12K，但线阵CCD获取图像必须配以扫描运动，为了能确定图像上每一个像素点在被测件上的对应位置，还需要配以光栅等器件记录线阵CCD每一扫描行的坐标，并配以线阵相机专用的图像采集卡，这就导致线阵相机系统较为复杂，成本略高，并用容易受扫描运动的精度和稳定性的影响。面阵相机的像元在纵横两个方向上间隔的离散度是一致的，而线阵CCD的像元间距和扫描行距上一般是有差别的，由于扫描行距受机械传动部分的限制，远大于像元间距。
3）面阵相机有比线阵相机更多的感光镜片，以矩阵排列，例如常说的百万像素相机即表示感光镜片矩阵WH约等于10001000。面阵相机一次成像，它的分辨率指的是一个感光晶片代表的实物物体的大小。数值越小，分辨率越高，相同的相机选用不同集中的箭头，分辨率就不同。在表现图像细节方面，不是由相机的像素多少来决定的，而是由分辨率决定的。同等分辨率条件下，像素越多可以成像的区域面积越大。
4.相机帧率选择：
1）尽可能选取静止检测，这样整个项目成本都会降低很多，但是会带来检测效率的下降。
2）当被测物体有运动要求时，要选择帧数较高的工业相机，相机的帧率一定要大于或等于检测速度，等于的情况就是你处理图像的时间一定要快，一定要在相机的曝光和传输的时间内完成；
3）选用帧曝光相机，行曝光相机则会引起画面变形，对于具体帧率的选择，不应盲目的选择高速相机，虽然高速相机帧率高，但是一般需要外加强光照射，带来的高成本以及图像处理速度也压力巨大，需要根据相对运动速度来定，只要在检测区域内，能捕捉到被测物即可。
4）一般来说分辨率越高，帧数越低

5.芯片类型选择：
CCD工业相机主要应用在运动物体的图像提取，如贴片机机器视觉，当然随着CMOS技术的发展，许多贴片机也在选用CMOS工业相机。用在视觉自动检查的方案或行业中一般用CCD工业相机比较多。 CMOS工业相机由成本低，功耗低也应用越来越广泛。
CCD采用逐个光敏输出，速度较慢，CMOS每个电荷元件都有独立的装换控制器，读出速度很快，FPS在500以上的高速相机大部分使用的都是CMOS。

6.相机接口选择：

1）USB接口
系统只用到单个相机的可先择，USB接口直接输出数字图像信号，串行通信，支持热拔插，传输速度在120Mbps-480Mbps之间，优点：不需要占 PCI 插槽，帧频高，性价比高；缺点：占系统 CPU，传输距离问题，依然没有得到解决。
目前广泛采用的USB2.0接口，是最早应用的数字接口之一，具有开发周期短，成本低廉的特点。其缺点是传输数据较慢，传输数据过程需要CPU参与管理，占用资源，且由于接口没有螺丝固定，链接容易松动，最新的USB3.0接口使用了新的USB协议，可以更快的传输数据，但目前USB3.0的相机市场上不是很多。

2）1394a/1394b接口
系统用到多个相机的时候可先择，要求高速的时候可先择。优点：不占系统 CPU，帧频高；缺点：占 PCI 插槽，价格昂贵。
俗称火线接口，是美国电气和电子工程师学会（IEEE）制定的一个标准工业串行接口。所以又称为“IEEE1394”,现主要用于视频采集，数据传输率可达800Mbps，支持热拔插。电脑上使用1394接口需要使用额外的采集卡，使用不方便，且由于早期苹果对该技术的垄断，市场普及率较低，已慢慢被市场所淘汰。

3）GIGE千兆网接口
千兆以太网接口，PC标准接口，传输速率和距离都更高。是一种基于千兆以太网通信协议开发的相机接口标准，特点是快捷的数据传输速度和高达100米的传输距离。是近几年市场上应用的重点，使用方便，CPU资源占用少，可多台同时使用。

4）Camera Link接口
需要单独的Camera Link采集卡，成本较高，便携性低，实际应用中较少，但是是目前工业相机中传输速度最快的一种传输方式，一般在高分辨率的高速面阵相机和线阵相机上应用，价格昂贵，传输距离近。
　　
7.色彩选择：
如果我们要处理的是与图像颜色有关，那当然是采用彩色相机，否则建议你用黑白的，因为黑白的同样分辨率的相机，精度比彩色高。

五、工业相机品牌

国外：
The imaging source 美国 线阵相机、面阵相机
Ids ueye 美国 线阵相机、面阵相机、智能相机
Microscan 美国 面阵相机、智能相机
JAI 丹麦 线阵相机、面阵相机、摄像机
Dalsa（达尔萨） 加拿大 线阵相机、面阵相机
Teli 日本 线阵相机、面阵相机
Cognex （康耐视） 美国 智能相机
AVT（德国）
Optronis
viwork(三宝)
balser（巴士乐）

国内：
大恒
嘉恒图像
海康威视
浙江大华
凌云
北京微视新纪元

六、相机选型实例

1.线阵相机选型实例：
某材料分拣要求：
如幅宽要求为1600毫米;
精度要求1mm/pixel;
目标运动速度32000mm/s;

步骤：
1）计算分辩率:幅宽/最小检测精度=每行需要的像素

1600/1＝1600像素
 (选定2K 相机 即相机分辨率为：2024*1)

2）选定相机:幅宽/像素数=实际检测精度

1600/2048＝0.78mm/pixel

3）每秒运动速度长度/除以实际精度=每秒扫描行数

32000mm/0.78mm＝41KHz
 (应选定相机为 2048*1像素+行频>=45kHz的 线阵相机，如下图，仅供参考	)

4)以加拿大工业相机品牌 “Teledyne DALSA” 线阵相机为例: