为您的视觉系统选择完美的工业相机

为您的视觉系统选择完美的工业相机

1.工业相机简介

工业相机与我们智能手机或数码单反相机中的相机不同。它们可以在高温、高压、多尘等恶劣环境下运行。工业相机主要包括阵列相机和线扫描相机。

线阵相机主要应用于需要高精度、快速移动的场景，而面阵相机的应用范围更广。

为您的视觉系统选择完美的工业相机

线扫描相机

这些相机具有线性配置，通常用于两种场景。首先，它们用于检查细长的带状视场，通常在旋转鼓上。其次，它们被选择用于需要大视场和高精度的应用。我们从线扫描相机看到的二维图像是由多次线扫描形成的。

线扫描相机的优点包括能够拥有大量一维像素、与阵列相机相比总像素更少、灵活的像素大小和高帧速率。这使得它们特别适合测量一维动态目标。

阵列相机
阵列相机在机器视觉应用中应用更为广泛。阵列CCD相机的优点是能够直接捕捉二维图像信息，提供直观的测量图像。

它们可以用于短曝光时间，这有利于捕捉动态场景，也适用于静态物体。由于我主要使用阵列相机，因此本节将重点介绍阵列相机的选择。

2. 选择工业相机
(1) CCD/CMOS
对于静态拍摄对象，CMOS 相机是一种经济高效的选择。然而，对于移动目标，CCD 摄像机更可取。如果需要高速采集（指的是采集速度，而不是运动速度），则应考虑具有卓越采集速率的 CMOS 相机。对于高质量成像（例如尺寸测量），建议使用 CCD，因为它们在小型传感器中通常优于 CMOS。

CCD工业相机主要用于捕捉运动物体的图像，广泛应用于自动化视觉检测解决方案中。随着CMOS技术的进步，CMOS工业相机因其成本低、功耗低而越来越受欢迎。

另请参见 开环与开环。闭环：哪种系统效果最好？
(2) 接口：

工业相机的前端用于安装镜头，通常具有标准化的专业接口。背面通常有两个接口：电源接口和数据接口。

工业相机接口包括 USB 2.0/3.0、CameraLink、Gige、1394a/1394b、CoaXPress 等。这里仅介绍几种常见的类型。

USB接口：

支持热插拔，易用，标准化统一，连接多种设备，可通过USB线供电。

但缺乏标准化协议，主从结构，CPU占用率高，带宽无法保证。USB 3.0接口可以自供电，但如果USB电源不稳定，可以使用外部电源。

Gige 千兆位以太网接口：

它基于千兆以太网通信协议开发，适用于工业成像应用，通过网络传输未压缩的视频信号。

扩展性好，数据传输长度可达100m（可通过中继器无限扩展），1Gbit带宽可实现即时数据传输，使用标准网卡（或PC上预装的网卡），经济实惠，使用廉价电缆（标准带有标准连接器的以太网电缆 CAT-6)。它易于集成、成本效益高、适用范围广。

相机链接接口：

采用LVDS接口标准的串行通信协议，以速度高、抗干扰能力强、功耗低而著称。它是在Channel Link技术的基础上发展起来的，增加了一些传输控制信号，并定义了相关标准。该协议采用MDR-26针连接器，提供高达6400Mbps带宽的高速、抗干扰能力强、功耗低。

Gige 接口简化了多个摄像机的设置，支持 100 米电缆输出。Camera Link 接口专为满足高速图像数据需求而设计。USB 3.0 接口以其简单性和实时功能而闻名。

目前，机器视觉中应用最广泛的接口是Gige（以太网）接口，它在传输速度、距离和成本方面比其他接口具有显着的优势。

(3) 决议
分辨率是相机选择的关键因素。了解分辨率、像素、精度、像素尺寸和传感器尺寸之间的关系非常重要，因为这些术语经常被混淆。

另请参阅 铝阳极氧化工艺：特点、方法和最新发展
相机分辨率是指每张图像中捕获的像素数量，表示感光芯片的总数，通常以百万为单位测量并排列成矩阵。

例如，百万像素相机的像素矩阵可能为WxH = 1000×1000。不同设备的像素大小各不相同，每个像素都有特定的位置和分配的颜色值。这些像素的排列和颜色决定了图像的外观。

(4) 传感器尺寸
传感器 (CCD/CMOS) 尺寸可能会令人困惑，因为 1/1.8 英寸或 2/3 英寸等术语并不指传感器的任何特定尺寸或对角线尺寸，因此很难概念化其实际尺寸。

传感器类型 对角线（毫米） 宽度（毫米） 高度（毫米）
1/3” 6.000 4.800 3.600
1/2.5 7.182 5.760 4.290
1/2” 8.000 6.400 4.800
1.8” 8.933 7.176 5.319
2/3” 11.000 8.800 6.600
1英寸 16.000 12.800 9.600
4/3” 22.500 18.800 18.500
目标表面尺寸 = 对角线尺寸
目标表面面积 = 传感器宽度 x 传感器高度

传感器尺寸影响视野和工作距离。在相同像素密度下，传感器尺寸越大，像素尺寸越大，从而增强了每个像素的感光面积并提高了图像质量。在相同的工作距离和镜头下，更大的传感器可以捕获更广阔的视野。

(5) 像素大小
根据相机分辨率和传感器尺寸，可以计算像素尺寸：

像素尺寸 = 传感器尺寸 / 分辨率（像素数）

这会产生宽度和高度的像素大小。

像素尺寸是指芯片像素阵列上每个像素的实际物理尺寸，例如3.75um x 3.75um。在某种程度上，像素大小反映了芯片对光的响应能力。较大的像素可以接收更多的光子，在相同的照明条件和曝光时间下产生更多的电荷。

这对于低光成像尤其重要，其中像素大小是芯片灵敏度的指标。将其与相机分辨率区分开来至关重要：较小的分辨率值表示较高的分辨率，而较大的像素尺寸意味着较高的灵敏度。这是两个不同的概念。

(6) 准确度
精度是指单个像素所表示的实际物体的大小，以（um*um）/像素表示。需要注意的是，像素大小与精度不同。

另见 不同介质管道流量表
像素大小是相机机械结构的固定特征，而精度与相机的视野相关并且是可变的。精度值越小，精度越高。

单个像素代表的大小=视场宽度/宽度分辨率=视场高度/高度分辨率

补充说明：考虑到相机视场边缘的畸变以及系统的稳定性要求，我们一般不将单个像素单元等同于一个测量精度值。

有时，根据光源的不同，计算值会增加。使用背光时，精度为1~3个像素，而使用直接光源时，精度为3~5个像素。例如，使用500W像素摄像头，分辨率为2500 2000，视场角为100mm 80mm：

单像素尺寸=0.04mm
背光精度=0.04mm~0.12mm
直射光精度=0.12mm~0.20mm
需要了解的是，当根据已知精度计算分辨率时，通常需要比计算值更高分辨率的相机才能满足要求。

(7) 图像分辨率
图像分辨率相对容易理解。它是指单位距离上用于显示图像的像素数量，概念上与精度类似，但表达方式不同。

选择的基本原则
当视场即目标尺寸固定时（选择相机时一般将目标尺寸视为视场），相机分辨率越大，精度和图像分辨率越高。

当视场不固定时，不同分辨率的相机可以达到相同的精度。在这种情况下，选择较大像素的相机可以扩大视野，减少所需的拍摄次数，并提高测试速度。

例如，如果一个摄像头的像素为 100 万像素，另一个摄像头的像素为 300 万像素，且两者的清晰度相同（精度为 20um/像素），则第一个摄像头的 FOV 为 20mm×20mm = 400 平方毫米，第二个摄像头的 FOV 为1200平方毫米。如果在生产线上捕获相同数量的目标，第一台摄像机可能需要拍摄 30 张图像，而第二台摄像机只需要拍摄 10 张。