【隨身課堂】機器視覺入門基礎之“相機篇”

機器視覺產業聯盟

2021年5月19日 14:30

機器視覺就是用機器代替人眼來做測量和判斷。機器視覺系統是指通過機器視覺產品（即圖像攝取裝置，分 CMOS 和CCD 兩種）將被攝取目標轉換成圖像信號，傳送給專用的圖像處理系統，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字化信號；圖像系統對這些信號進行各種運算來抽取目標的特征，進而根據判別的結果來控制現場的設備動作。

視覺系統主要有照明光源、鏡頭、工業攝像機、圖像采集/處理卡、圖像處理系統以及其它外部設備組成。

工業相機

CCD&CMOS

工業相機又俗稱攝像機，相比于傳統的民用相機（攝像機）而言，它具有高的圖像穩定性、高傳輸能力和高抗干擾能力等，目前市面上工業相機大多是基于CCD（Charge Coupled Device）或CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor）芯片的相機。

其中，CCD是目前機器視覺最為常用的圖像傳感器。它集光電轉換及電荷存貯、電荷轉移、信號讀取于一體，是典型的固體成像器件。

◆ CCD的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其它器件是以電流或者電壓為信號。這類成像器件通過光電轉換形成電荷包，而后在驅動脈沖的作用下轉移、放大輸出圖像信號。

典型的CCD相機由光學鏡頭、時序及同步信號發生器、垂直驅動器、模擬/數字信號處理電路組成。CCD作為一種功能器件，與真空管相比，具有無灼傷、無滯后、低電壓工作、低功耗等優點。

◆ CMOS圖像傳感器的開發則最早出現在20世紀70 年代初，90 年代初期，隨著超大規模集成電路 (VLSI) 制造工藝技術的發展，CMOS圖像傳感器得到迅速發展。

CMOS圖像傳感器將光敏元陣列、圖像信號放大器、信號讀取電路、模數轉換電路、圖像信號處理器及控制器集成在一塊芯片上，還具有局部像素的編程隨機訪問的優點。

目前，CMOS圖像傳感器以其良好的集成性、低功耗、高速傳輸和寬動態范圍等特點在高分辨率和高速場合得到了廣泛的應用。

多規格分類

任何東西一定有它自己的分類標準，工業相機也不例外。

? 按照芯片類型可以分為CCD相機、CMOS相機；

? 按照傳感器的結構特性可以分為線陣相機、面陣相機；

? 按照掃描方式可以分為隔行掃描相機、逐行掃描相機；

? 按照分辨率大小可以分為普通分辨率相機、高分辨率相機；

? 按照輸出信號方式可以分為模擬相機、數字相機；

? 按照輸出色彩可以分為單色（黑白）相機、彩色相機；

? 按照輸出信號速度可以分為普通速度相機、高速相機；

? 按照響應頻率范圍可以分為可見光（普通）相機、紅外相機、紫外相機等。

工業相機特點

Features

? 工業相機的性能穩定可靠易于安裝，相機結構緊湊結實不易損壞，連續工作時間長，可在較差的環境下使用，一般的數碼相機是做不到這些的。例如：讓民用數碼相機一天工作24小時或連續工作幾天肯定會受不了的。

? 工業相機的快門時間非常短，可以抓拍高速運動的物體。例如，把名片貼在電風扇扇葉上，以最大速度旋轉，設置合適的快門時間，用工業相機抓拍一張圖像，仍能夠清晰辨別名片上的字體。用普通的相機來抓拍，是不可能達到同樣效果的。

? 工業相機的圖像傳感器是逐行掃描的，而普通的相機的圖像傳感器是隔行掃描的，逐行掃描的圖像傳感器生產工藝比較復雜，成品率低，出貨量少，世界上只有少數公司能夠提供這類產品，例如Dalsa、Sony，而且價格昂貴。

? 工業相機的幀率遠遠高于普通相機。工業相機每秒可以拍攝十幅到幾百幅圖片，而普通相機只能拍攝2-3幅圖像，相差較大。

? 工業相機輸出的是裸數據(raw data)，其光譜范圍也往往比較寬，比較適合進行高質量的圖像處理算法，例如機器視覺(Machine Vision)應用。而普通相機拍攝的圖片，其光譜范圍只適合人眼視覺，并且經過了mjpeg壓縮，圖像質量較差，不利于分析處理。

? 工業相機(Industrial Camera)相對普通相機(DSC)來說價格較貴。

? 如何選擇相機？

? 根據應用的不同分別選用CCD或CMOS相機。CCD工業相機主要應用在運動物體的圖像提取，如貼片機機器視覺，當然隨著CMOS技術的發展，許多貼片機也在選用CMOS工業相機。用在視覺自動檢查的方案或行業中一般用CCD工業相機比較多。CMOS工業相機由成本低，功耗低也應用越來越廣泛。

? 分辨率的選擇首先考慮待觀察或待測量物體的精度，根據精度選擇分辨率。相機像素精度=單方向視野范圍大小/相機單方向分辨率。則相機單方向分辨率=單方向視野范圍大小/理論精度。若單視野為5mm長，理論精度為0.02mm，則單方向分辨率=5/0.02=250。然而為增加系統穩定性，不會只用一個像素單位對應一個測量/觀察精度值，一般可以選擇倍數4或更高。這樣該相機需求單方向分辨率為1000，選用130萬像素已經足夠。

其次看工業相機的輸出，若是體式觀察或機器軟件分析識別，分辨率高是有幫助的；若是VGA輸出或USB輸出，在顯示器上觀察，則還依賴于顯示器的分辨率，工業相機的分辨率再高，顯示器分辨率不夠，也是沒有意義的；利用存儲卡或拍照功能，工業相機的分辨率高也是有幫助的。

? 與鏡頭的匹配傳感器芯片尺寸需要小于或等于鏡頭尺寸，C或CS安裝座也要匹配（或者增加轉接口）。

? 相機幀數選擇當被測物體有運動要求時，要選擇幀數高的工業相機。但一般來說分辨率越高，幀數越低。

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