划重点！| 必须了解的工业相机入门级知识

工业相机是机器视觉系统的核心部件，其相关基础知识是行业内人员必须熟知的。那么分辨率、像素深度、行频、信噪比具体是指什么？CCD和CMOS又该如何去进行选择？今天我们就对这些内容进行一个简单的梳理，希望能够帮助大家了解更多。

工业相机基本参数

 01 分辨率

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。分辨率决定了位图图像细节的精细程度。通常情况下，图像的分辨率越高，所包含的像素就越多，图像就越清晰。同时，也会增加文件占用的存储空间。

02 像素深度

像素深度是指存储每个像素所用的位数，常见的是8bit，10bit，12bit。像素深度决定彩色图像的每个像素可能有的颜色数，或者确定灰度图像的每个像素可能有的灰度级数。像素位数越多，它能表达的颜色数目就越多，深度就越深。

分辨率和像素深度共同决定了图像的大小。例如对于像素深度为8bit的500万像素图像，则整张图片应该有500万*8/1024/1024=38M（1024Byte=1KB，1024KB=1M）。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）。

03 最大帧率/行频

即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），对于线阵相机为每秒采集的行数（HZ）。

04 曝光方式和快门速度

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、场曝光和滚动曝光几种常见方式，工业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。

05 像元尺寸

即一个像元的大小。像元大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。目前工业相机像元尺寸一般为3μm~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。

06 光谱响应特性

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，一些相机在靶面前加一个滤镜，滤除红外线，如果系统需要对红外感光时可去掉该滤镜。

07 工业相机噪声

工业相机的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关的噪声。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。

08 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。

如何选择合适的工业相机

01 CCD or CMOS

CCD相机是使用CCD（电荷耦合元件）将光学影像转化为数字信号进行传输的相机。CCD图像传感器多使用一个或少数的几个输出节点进行信号读出，输出图像一致性高，噪声较小，技术发展成熟。

CMOS相机是使用CMOS（互补金属氧化物半导体）将光学影像转化为数字信号进行传输的相机。CMOS相机在传输上是单个像素进行传输，因此可以做到单个像素的信号放大，图像扫描速率极高，但是也导致信号一致性有缺陷，噪声大，数百万的放大器排放造成了更大的固定噪声。

对比：

1. 分辨率：CMOS的每一个像素都比CCD繁杂，像素大小难以达到CCD水准，因此同样大小的CCD和CMOS传感器，CCD的分辨率通常优于CMOS。同样大小情况下CCD屏幕分辨率高过CMOS。也就是说，显像品质优于CMOS。

2. 输出速度：CCD需要进行逐个光敏输出，速度较慢；CMOS多个控制器，传输速度快。  

3. 噪音：CMOS中的每一个光感应二极管都需要放大器，以百万像素测算，必须数百万个放大器，但放大器归属于数字集成电路，因而难以维持获得的全部结论一致。CCD只要处理芯片边沿有放大器。与CMOS对比，噪声相对减少了许多，图像质量更高。  

4. 灵敏度：CMOS信号要以点为单位的电荷信号，CCD要以行为单位的电流信号，载入信号时CMOS是点立即载入信号，CCD是行间接性载入信号，因而，假如像素大小相同，CMOS敏感度小于CCD。  

5. 功耗：CCD输出带宽较宽，功耗也更大；CMOS单个输出点的带宽要求低，功耗会更小。同时CMOS只在电路接通时会耗电，CCD则会一直耗电。  

6. 成本：CCD电路和器件是集成在半导体单晶材料上，制造工艺要求较高，在制作中的报损率比较高，因此生产成本高。CMOS集成在被称作金属氧化物的半导体材料上，这一工艺运用比较广泛，量产难度较小，因此生产成本相对低。

CCD在图像质量、屏幕分辨率、精确度、噪声等层面优于CMOS，但CMOS的特点是成本低、功耗低和高集成度。现在CCD和CMOS技术飞速发展，差异将逐步降低。在对成像质量要求更高的机器视觉领域目前使用更为普遍的还是CCD相机。但CMOS发展势头猛烈，高端CMOS相机目前的成像效果已经逐渐追赶上CCD相机。  

在进行选择时，要根据自己的需求，在成像效果、功耗、采购成本、可选用配件等方面进行取舍。

02 合适的分辨率

根据目标的要求精度，反推出相机的像素精度。相机单方向分辨率=单方向视野范围除以理论精度。  

例如对视野大小为10*10mm的场合，要求精度为0.02mm/pixel，则方向上分辨率=10/0.02=500。然而考虑到相机边缘视野的畸变以及系统的稳定性要求，一般不会只用一个像素单位对应一个测量精度值，一般选择倍数为4或者更高，这样相机单方向分辨率为2000，相机的分辨率=2000*2000=400万，所以选用500万像素的相机即可满足。

03 足够的相机帧率

当被测物体有运动要求时，要选择帧数较高的工业相机，一般来说分辨率越高，帧数越低。

04 合适的镜头

选择镜头的支持CCD尺寸要大于等于相机CCD传感器芯片的尺寸，另外安装座是C、CS或F型接口也要匹配，同时考虑镜头的工作距离，是否留有足够空间等。