机器视觉-工业相机篇

机器视觉-工业相机篇

工业相机又俗称摄像机，相比于传统的民用相机（摄像机）而言，它具有高的图像稳定性、高传输能力和高抗干扰能力等优点。目前市面上工业相机大多是基于 CCD （ Charge Coupled Device ）或 CMOS （ Complementary Metal Oxide Semiconductor ）芯片的相机。 

 

工业相机与普通数字式相机的主要区别

工业相机是作为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，相机的选择不仅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。

1.相机的内部结构

 

 

2.相机分类

相机按照芯片类型、传感器结构特性、扫描方式、分辨率大小、输出信号方式、输出色彩、输出信号速度、响应频率范围等有着不同的分类方法。
①按照芯片类型：可以分为CCD相机、CMOS相机；

CCD相机：使用CCD感光芯片为图像传感器的相机,集光电转换及电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体，CCD是目前机器视觉最为常用的图像传感器固体成像器件。 

CMOS相机：使用CMOS感光芯片为图像传感器的相机 ,将光敏元阵列、图像信号放大器、信号读取电路、模数转换电路、图像信号处理器及控制器集成在一块芯片上，还具有局部像素的编程随机访问的优点。

 

 

②按照传感器的结构特性：可以分为线阵相机、面阵相机；

线阵相机：传感器上呈线状（一行或三行）分布的相机，其所成图像为一维“线”图像。

面阵相机：传感器上像素呈面状分布的相机，其所成图像为二维“面”图像。

 

③按照扫描方式：可以分为隔行扫描相机、逐行扫描相机；
④按照分辨率大小：可以分为普通分辨率相机、高分辨率相机；
⑤按照输出信号方式：可以分为模拟相机、数字相机；

模拟相机：从传感器中传出的信号，被转换成模拟电压信号，即普通视频信号后再传到图像采集卡中。

数字相机：信号自传感器中的像素输出后，在相机内部直接数字化并输出。数字相机又包含USB相机、1394相机、Gige相机、CameraLink相机等。  
⑥按照输出色彩：可以分为单色（黑白）相机、彩色相机；
⑦按照输出信号速度：可以分为普通速度相机、高速相机；
⑧按照响应频率范围：可以分为可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机。

 

3.卷帘快门(Rolling shutter)&全局快门(Global shutter)

卷帘快门，通常使用CMOS传感器。传感器在曝光时并不是所有像素同时感光的，而是逐行曝光，每行像素按照顺序依次感光。
    全局快门，通常使用CCD传感器。所有像素同时感光曝光，在任意一个时间点，所有像素都接受相同的光量。

来一张示意图（此图原为动态图，可能不能正常动态显示）：

 

再来一张风扇模拟图（感受一下快与慢的区别）：

 

对于图像采集，我们要了解到现场是要动态还是静态，速度多少等，才能根据这些参数选择合理的相机(一般来说，动态就要考虑全局相机)

 

4.相机常见参数

想要了解相机常见参数，最直接的方法就是看下各选型手册就知道都有哪些重要参数，以此比较学习相机各个参数（以500万卷帘相机为例）：

海康威视MV-CE050-30GM参数：

 

 

大华相机A3504MG100参数：

 （其它品牌相机请参照官方选型手册，一般都有自己的命名规则来方便记忆和区分，不在一一列举）

①相机—像元（也有称做像素）：是成像于相机芯片的图像的最小组成单位。将图像放大，每一小格表示一个像元，其中每一个像元对应一个灰度值。以500万像素的相机为例，满屏有2592*1944个像素,成像于1/2.5英寸大小的CMOS芯片。

 

②分辨率（Resolution） ：相机每次采集图像的像元点数（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，由相机所采用的芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量。通常面阵相机的分辨率用水平和垂直分辨率两个数字表示，如：2592（H）x 1944(V)，前面的数字表示每行的像元数量，即共有2592个像元，后面的数字表示像元的行数，即1944行。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。

 

③像元深度（Pixel Depth） ：即每像素数据的位数。对于黑白相机来说，像元深度定义灰度由暗到亮的灰阶数，一般常用的是8Bit（输出图像灰度等级2的8次方，即0~255共256级），对于工业数字数字相机一般还会有10Bit、12Bit等。

 

④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单位fps（Frames/Sec.），如30fps,表示相机在1秒钟内最多能采集30帧图像；对于线阵相机机，通常用行频表示，即为每秒采集的行数（Hz），单位KHz,如12KHz表示相机在1秒钟内最多能采集12000行图像数据。

 

⑤曝光方式（Exposure）和快门速度（Shutter） ：CCD/CMOS相机多数采用电子快门，通过电信号脉冲的宽度来控制传感器的光积分（曝光）时间。对于一般性能的的相机快门速度可以达到1/10000-1/100000秒。 

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。

 

⑥像元尺寸（Pixel Size） ：像元尺寸是相机芯片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尺寸的大小。目前工业数字相机像元尺寸一般为2.2μm-10μm，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。

 

⑦靶面尺寸（Sensor Size）：图像传感器的感光部分的大小。面阵相机靶面尺寸的大小表示与显示器等标准类似，以芯片对角线长度来度量，单位以“吋”表示，符号为“””，1吋为16mm（注意：业界通用的规范就是 1英吋 CCD尺寸= 长 12.8mm × 宽 9.6mm = 对角线为 16mm 之对应面积，而非光导摄像管直径25.4mm）；线阵相机以芯片的横向长度来度量。工业上，一般面阵相机常用靶面尺寸如下表，实际尺寸略有差异。在像素不变的情况下，相机靶面尺寸越大，噪点控制能力越强，因为单个感光元件之间的间距越大，相互之间的信号干扰越小。

  

知道分辨率（像元数）和像元尺寸，可以近似计算出来其靶面尺寸。比如：500万相机靶面尺寸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。

相机靶面尺寸与镜头匹配的技巧：在选用相机与镜头时，遵循“镜头最大兼容CCD尺寸≥相机靶面尺寸”的原则。

 

⑧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。

 

⑨数据传输接口：

 

⑩相机光学接口：即相机与镜头的连接方式，业内常用的几种接口，如C口，CS口，F口，V口等。前面两种的接口都是螺纹口，后面两种都是卡口。

 

⑪精度：图像中每个像素代表的实际物体的尺寸。图像单位（像素）和实际物理单位（mm）之间的对应关系，即视觉系统所能达到的理论精度，计算公式为：

例如：视场水平方向长度是25mm，相机水平分辨率是2592像素，所以视觉系统理论精度为25mm/2592像素≈0.01mm/像素，表示图像中每个像素对应0.01mm。

 

在选择相机时，尤其是用视觉进行测量时，为了提高系统的稳定性，通常需要视觉系统的理论精度高于要求的实际精度（注意：精度数值越小，要求越高）。

经验： 外观检测：最小污点要求实际精度=5pixel* 理论精度；尺寸检测：实际公差精度>=10pixel*理论精度。关于相机与镜头选型，后续篇章《机器视觉-选型》在详细介绍，敬请期待。。。

 

5.相机厂商

部分国内厂商（品牌 厂商 官网）

海康威视 

http://www.hikvision.com/cn/prlb_1276.html 

 

大华 

http://huaraytech.com/plus/list.php?tid=9

 

部分国外厂商（品牌 厂商 官网） 
Cognex 美国康耐视  

   https://www.cognex.cn/zh-cn/products

 

Balser 德国巴斯勒  

http://www.baslerweb.com/ 
 

TheImagingSource 德国映美精  

https://www.theimagingsource.cn/ 

 

AVT 德国AVT  

http://www.alliedvisiontec.com  

6.

①视觉工程师必须知道的工业相机50问，绝对干货！

http://blog.sina.com.cn/s/blog_669692a60102x4ug.html      

②【图像处理】工业相机原理详述

https://blog.csdn.net/HelloZEX/article/details/80905095?ops_request_misc=&request_id=&biz_id=102&utm_term=%E5%B7%A5%E4%B8%9A%E7%9B%B8%E6%9C%BA&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~sobaiduweb~default-9-80905095

③CCD/CMOS靶面尺寸型号标准http://blog.sina.com.cn/s/blog_4e26deca0102vzqu.html