机器视觉系统之工业相机解读

机器视觉系统是一种模拟人类视觉功能，通过光学装置和非接触式传感器获取图像数据，并进行分析和处理，以实现对目标物体的识别、测量、检测和定位等功能的智能化系统。其目的是让机器能够理解和解释视觉信息，从而做出决策或执行任务。简单来说，机器视觉是用机器代替人眼来做测量和判断。

一、机器视觉的四大功能

识别、测量、检测和定位。

二、什么是工业相机

工业相机是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。其成像原理与小孔成像类似，但更为复杂。当被摄物体反射的光线通过工业镜头折射后，会投射到相机的感光传感器上，这个感光传感器通常是电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（CMOS）。

工业相机的组成主要包括图像传感器、镜头、处理器、接口和机身。

三、成像原理

电荷进行量化操作。就需要一个精密的器件来完成这两个过程。我们常用的(Sensor)是CCD

和CMOS。

CCD ( Charge Coupled Device )电荷藕合器件图像传感器CCD，它集成在高感光度的半导体单晶材料 上，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号。 CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到 光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位 所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CMOS ( Complementary Metal-Oxide-Semiconductor )

互补金属氧化物半导体，它集成在被称做金属氧化物的半导体材料上。

四、相机参数

主要参数计算

（1）分辨率（Resolution）

定义：相机每次采集图像的像素点数，由相机所采用的感光芯片分辨率决定，是芯片靶面排列的像元数量（即像素数）。

影响：在采集图像时，相机的分辨率对图像质量有很大的影响。在对同样大的视场（景物范围）成像时，分辨率越高，对细节的展示越明显。

表示方法：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1920（H）x1080（V），前面的数字表示每行的像元数量，即共有1920个像元；后面的数字表示像元的行数，即1080行。线阵相机的分辨率通常表示多少K，如1K（1024）、2K（2048）、4K（4096）等。

总像素数 = 水平像素数×垂直像素数

例如：1920×1080 = 2,073,600 像素（约200万像素）

（2）像素深度（Pixel Depth）

定义：即每像素数据的位数，一般用多少比特位表示。

影响：像素深度决定了图像灰阶的丰富程度。比特位数越多，表达图像细节的能力越强，灰阶值更加丰富、分得更细。但数据量也越大，可能影响系统的图像处理速度。

常见值：一般常用的是8Bit，对于数字相机还会有10Bit、12Bit、14Bit等。

（3）最大帧率/行频（Frame Rate/Line Rate）

定义：相机采集传输图像的速率。

表示方法：通常帧率是相对于面阵工业相机来说的，单位是fps（Frame Per Second），如181fps，即相机每秒内最多可采集181帧图像。行频是相对于线阵工业相机来说的，单位是kHz，如80kHz，即相机每秒内最多可采集80000行图像数据。

影响：帧率/行频越高，相机在单位时间内采集的图像数量越多，适用于需要快速捕捉动态图像的场景。

计算方法：帧率=3×目标速度/横向视野；行频=运动速度/实际精度=运动速度×分辨率/视野。

根据应用场景中物体运动速度来确定所需帧率。假设物体运动速度为V（单位：mm/s），相机曝光时间为T（单位：s），在曝光时间内物体移动的距离不能超过一个像素尺寸P（单位：mm），则帧率F可由下式计算：F=1/T，其中T≤P/V。

（4） 曝光方式和快门速度（Exposure and Shutter Speed）

曝光方式：对于线阵相机，通常是逐行曝光的方式；面阵相机则有帧曝光、场曝光和滚动行曝光等几种常见方式。

快门速度：一般可到10微秒，高速相机还可以更快。快门速度越快，相机捕捉图像的能力越强，适用于光线变化快或运动物体拍摄的场景。

（5）像元尺寸（Pixel Size）

定义：像元是组成数字化影像的最小单元，像元尺寸大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。

常见值：工业相机像元尺寸一般为3μm~14μm。

影响：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，图像质量可能越高。但像元尺寸越小，制造难度越大。

计算：与分辨率和相机传感器尺寸相关。例如已知传感器的尺寸为Sa×Sb（水平尺寸×垂直尺寸，单位为mm），相机分辨率为Na×Nb，则像素尺寸P（假设像素为正方形）为：P=Sa×1000/Na=Sb×1000/Nb。

（6）光谱响应特性（Spectral Range）

定义：指该像元传感器对不同光波的敏感特性。

常见范围：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，可去掉该滤镜。

（7）接口类型（Interface Type）

常见类型：有Camera Link接口、以太网接口、1394接口、USB接口输出等。目前最新的接口有CoaXPress接口。

影响：接口类型决定了相机与图像处理系统或其他设备之间的数据传输方式。选择合适的接口类型可以确保数据传输的稳定性和速度。

（8）传感器尺寸

定义：相机传感器的物理尺寸，通常以英寸（如1/2.3"）或毫米（如12.8mm×9.6mm）表示。

计算方法：

传感器尺寸通常由制造商提供，但可以通过像素尺寸和分辨率推算：

传感器宽度 = 水平像素数×像素尺寸

传感器高度 = 垂直像素数×像素尺寸

（9）其他参数

动态范围：描述每个像素能够分辨出的灰度等级。宽动态范围能够使场景中亮场和暗场部分的细节同时被清晰的记录下来。

噪声：感光器件（CMOS/CCD）接收光线信号并输出的过程中所产生的图像中的粗糙部分。工业相机的噪声是指成像过程中不希望被采集到的、实际成像目标外的信号。

根据欧洲机器视觉协会（EMVA）的EMVA1288标准，相机噪声总体上分为由有效信号带来的散粒噪声和相机本身固有的与信号无关的噪声两类。

信噪比：输出信号中有用信号和噪声的比（dB）。

像素深度：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，这个值通常是8-16bit。像元深度定义了灰度由暗道亮的灰阶数。例如，对于8bit的相机0代表全暗而255代表全亮。决定了图像的色彩范围和灰度级别。高像素深度相机能提供更丰富的色彩和更精细的灰度变化。

像元尺寸：像元的尺寸是每个像素的面积，也就是像元大小。像元尺寸大小和像元数（分辨率）共同决定了相机靶面的大小。

精度：检测的精准度，每个像素代表的实际物理尺寸。精度=单方向市场大小/相机单方向分辨率。

数据接口：在机器视觉检测技术中，当前工业相机的数据接口主要有GigE、USB3.0、CoaXPress、Cameralink、HSLink、10GigE，还有退居二线的IEEE 1394、USB2.0、LVDS、RS422、SDI等。

1）GigE：带宽可达到1000 Mbps，不需中继器最远可传输100米。

2）Cameralink：支持速率达2.3Gb/s。

3）USB3.0：最大信号传输速率可达5 Gbits/s。实际传输速率可达到+350MB/s。

4）CoaXPress：一种非对称的高速串行通信数字标准，一根电缆最高传输率可达6.25Gb/s，传输距离可达100米。

5）HSLink：最大带宽可达6000MB/s，支持即插即用。

6）10GigE：俗称万兆网，带宽可达到10000 Mbps，最远可传输100米。

五、相机分类

按图像传感器类型：分为 CCD工业相机和 CMOS工业相机。

按输出色彩：分为彩色工业相机和黑白（单色）工业相机。

按扫描方式：面阵工业相机和线阵工业相机。

按输出信号方式分：模拟工业相机、数字工业相机。

按响应频率范围分：可见光（普通）相机、红外相机、紫外相机等。

按照光谱波段数量来分，可分为高光谱相机和多光谱相机。

六、选型要点

工业相机选型时要注意以下几点：

1. 分辨率的选择。首先根据目标物体的精度要求选择分辨率。其次看工业相机的输出，若是用机器软件分析识别，分辨率越高越有帮助；若是需要视频输出至显示器上观察，则依赖于显示器的分辨率，工业相机的分辨率再高，显示器分辨率不够，也是没有意义的；若是需要将图像实时保存下来，还需要综合服务器的存储速率来考虑工业相机的分辨率。

2. 与镜头的匹配。传感器芯片尺寸需要小于或等于镜头的靶面尺寸，C或CS安装座也要匹配（或者增加转接口）；

3. 相机帧数选择。当被测物体处于运动状态时，要选择帧数高的工业相机。但一般来说分辨率越高，帧数越低。

系统单次运行速度 = 系统成像（包括传输）速度+系统检测速度。

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