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在工業(yè)生產(chǎn)和自動(dòng)化范疇內(nèi)，視覺系統(tǒng)占據(jù)著舉足輕重的地位，其中，工業(yè)相機(jī)作為這些系統(tǒng)的基石，發(fā)揮著類似人類視覺的關(guān)鍵作用。工業(yè)相機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涵蓋了從產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)到自動(dòng)化流水作業(yè)，再到智能交通管理體系及無人機(jī)技術(shù)等多個(gè)方面，其市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，技術(shù)復(fù)雜度也在不斷提升。

1、什么是工業(yè)相機(jī)？

工業(yè)相機(jī)是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，其最本質(zhì)的功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成有序的電信號(hào)。機(jī)器視覺系統(tǒng)通過圖像攝取裝置（即工業(yè)相機(jī)）將被攝目標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，這些信號(hào)被傳送到專用的圖像處理系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)像素分布、亮度、顏色等信息，將這些信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字化信號(hào)，并進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。

簡(jiǎn)單來說，工業(yè)相機(jī)是一種專為工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)的高性能圖像傳感設(shè)備。它可以在各種嚴(yán)苛條件下持續(xù)工作，并提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的圖像數(shù)據(jù)。許多工業(yè)相機(jī)需要不間斷運(yùn)行，以支持現(xiàn)代工業(yè)的復(fù)雜需求。

工業(yè)相機(jī)通常由圖像傳感器（如CCD或CMOS）、鏡頭、信號(hào)處理器、數(shù)據(jù)接口和外殼等器件構(gòu)成。工業(yè)相機(jī)常見的分類有以下幾種，可以按功能或工作方式劃分為：

? 按照芯片類型可以分為CCD相機(jī)、CMOS相機(jī)；

? 按照傳感器的結(jié)構(gòu)特性可以分為線陣相機(jī)（1D）、面陣相機(jī) （2D），3D相機(jī)；

? 按照輸出信號(hào)方式可以分為模擬相機(jī)、數(shù)字相機(jī)；

? 按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機(jī)、彩色相機(jī)；

? 按照光譜響應(yīng)頻率范圍可以分為可見光（普通）相機(jī)、紅外相機(jī)、紫外相機(jī)等。

2、工業(yè)相機(jī)常用參數(shù)：

1. 分辨率（Resolution）

定義：相機(jī)每次采集圖像的像素點(diǎn)數(shù)，由相機(jī)所采用的感光芯片分辨率決定，是芯片靶面排列的像元數(shù)量（即像素?cái)?shù)）。

影響：在采集圖像時(shí)，相機(jī)的分辨率對(duì)圖像質(zhì)量有很大的影響。在對(duì)同樣大的視場(chǎng)（景物范圍）成像時(shí)，分辨率越高，對(duì)細(xì)節(jié)的展示越明顯。

表示方法：通常面陣相機(jī)的分辨率用水平和垂直分辨率兩個(gè)數(shù)字表示，如1920（H）x1080（V），前面的數(shù)字表示每行的像元數(shù)量，后面的數(shù)字表示像元的行數(shù)。線陣相機(jī)的分辨率通常表示多少K，如1K（1024）、2K（2048）、4K（4096）等。

2. 像素深度（Pixel Depth）

定義：即每像素?cái)?shù)據(jù)的位數(shù)，一般用多少比特位表示。

影響：像素深度決定了圖像灰階的豐富程度。比特位數(shù)越多，表達(dá)圖像細(xì)節(jié)的能力越強(qiáng)，灰階值更加豐富、分得更細(xì)。但數(shù)據(jù)量也越大，可能影響系統(tǒng)的圖像處理速度。

常見值：一般常用的是8Bit，對(duì)于數(shù)字相機(jī)還會(huì)有10Bit、12Bit、14Bit等。

3. 最大幀率/行頻（Frame Rate/Line Rate）

定義：相機(jī)采集傳輸圖像的速率。

表示方法：通常幀率是相對(duì)于面陣工業(yè)相機(jī)來說的，單位是fps（Frame Per Second），如181fps，即相機(jī)每秒內(nèi)最多可采集181幀圖像。行頻是相對(duì)于線陣工業(yè)相機(jī)來說的，單位是kHz，如80kHz，即相機(jī)每秒內(nèi)最多可采集80000行圖像數(shù)據(jù)。

影響：幀率/行頻越高，相機(jī)在單位時(shí)間內(nèi)采集的圖像數(shù)量越多，適用于需要快速捕捉動(dòng)態(tài)圖像的場(chǎng)景。

4. 曝光方式和快門速度（Exposure and Shutter Speed）

曝光方式：對(duì)于線陣相機(jī)，通常是逐行曝光的方式；面陣相機(jī)則有幀曝光、場(chǎng)曝光和滾動(dòng)行曝光等幾種常見方式。

快門速度：一般可到10微秒，高速相機(jī)還可以更快。快門速度越快，相機(jī)捕捉圖像的能力越強(qiáng)，適用于光線變化快或運(yùn)動(dòng)物體拍攝的場(chǎng)景。

5. 像元尺寸（Pixel Size）

定義：像元是組成數(shù)字化影像的最小單元，像元尺寸大小和像元數(shù)（分辨率）共同決定了相機(jī)靶面的大小。

常見值：工業(yè)相機(jī)像元尺寸一般為3μm~14μm。

影響：像元尺寸越大，能夠接收到的光子數(shù)量越多，在同樣的光照條件和曝光時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的電荷數(shù)量越多，圖像質(zhì)量可能越高。但像元尺寸越小，制造難度越大。

6. 光譜響應(yīng)特性（Spectral Range）

定義：指該像元傳感器對(duì)不同光波的敏感特性。

常見范圍：一般響應(yīng)范圍是350nm~1000nm。一些相機(jī)在靶面前加了一個(gè)濾鏡，濾除紅外光線。如果系統(tǒng)需要對(duì)紅外感光，可去掉該濾鏡。

7. 接口類型（Interface Type）

常見類型：有Camera Link接口、以太網(wǎng)接口、1394接口、USB接口輸出等。目前最新的接口有CoaXPress接口。

影響：接口類型決定了相機(jī)與圖像處理系統(tǒng)或其他設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸方式。選擇合適的接口類型可以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和速度。

8. 其他參數(shù)

動(dòng)態(tài)范圍：描述每個(gè)像素能夠分辨出的灰度等級(jí)。寬動(dòng)態(tài)范圍能夠使場(chǎng)景中亮場(chǎng)和暗場(chǎng)部分的細(xì)節(jié)同時(shí)被清晰的記錄下來。

噪聲：成像過程中不希望被采集到的、實(shí)際成像目標(biāo)外的信號(hào)。根據(jù)歐洲機(jī)器視覺協(xié)會(huì)（EMVA）的EMVA1288標(biāo)準(zhǔn)，相機(jī)噪聲總體上分為由有效信號(hào)帶來的散粒噪聲和相機(jī)本身固有的與信號(hào)無關(guān)的噪聲兩類。

3、工業(yè)相機(jī)選型

工業(yè)相機(jī)選型時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：

首先根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，選擇顏色，通常黑白相機(jī)就足夠滿足需求。但如果你需要測(cè)量彩色圖像，那么彩色相機(jī)是更好的選擇。接下來需要考慮的重要參數(shù)：

1. 分辨率的選擇。首先根據(jù)目標(biāo)物體的精度要求選擇分辨率。這取決于你的測(cè)量精度和視場(chǎng)大小。記住，相機(jī)分辨率（L/W）應(yīng)至少等于視場(chǎng)（L/W）除以精度。

2. 相機(jī)幀數(shù)選擇。當(dāng)被測(cè)物體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，要選擇幀數(shù)高的工業(yè)相機(jī)。但一般來說分辨率越高，幀數(shù)越低。幀率是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。它決定了相機(jī)的測(cè)試效率。例如，30FPS的相機(jī)每秒最多拍攝30次，而120FPS的相機(jī)可每秒拍攝120次，能更快地檢查產(chǎn)品。

3.選擇合適的輸出接口。Camera Link、USB3、GIGE等接口的總線性能各不相同，會(huì)影響幀率。一般來說，Camera Link的性能最佳。

4.曝光時(shí)間也很關(guān)鍵。最小曝光時(shí)間決定了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的最大速度。因此，在選定相機(jī)前，要考慮目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。

5.傳感器也很重要。靜態(tài)目標(biāo)可選擇卷簾CMOS相機(jī)以降低成本；動(dòng)態(tài)目標(biāo)則應(yīng)優(yōu)先考慮全局CMOS或CCD相機(jī)。傳感器尺寸同樣關(guān)鍵。尺寸越大，像元尺寸也越大，從而增加每個(gè)像元的感光面積，有助于提高圖像質(zhì)量。

6. 與鏡頭的匹配。傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭的靶面尺寸，C 或CS 安裝座也要匹配（或者增加轉(zhuǎn)接口）；

例如若檢測(cè)精度要求為0.01mm，且視野范圍為21mmx16mm，則相機(jī)分辨率應(yīng)達(dá)到（21/0.01）X（16/0.01）計(jì)算結(jié)果約為300萬像素。若想獲取高質(zhì)量的圖像以及實(shí)現(xiàn)高精度的檢測(cè)，我們可考慮采用分辨率更高的500萬像素相機(jī)。

相機(jī)的分辨率=視野/精度

幀率/行頻計(jì)算公式：面陣相機(jī)幀率=3目標(biāo)速度/橫向視野 線陣工業(yè)相機(jī)行頻=運(yùn)動(dòng)速度/實(shí)際精度=運(yùn)動(dòng)速度*分辨率/視野

最大曝光時(shí)間=視野寬度/目標(biāo)物運(yùn)行速度*分辨率=精度/速度。

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